Flygmekanik för flygplan

Flygmekanik är relevant för flygplan med fasta vingar ( segelflygplan , flygplan ) och roterande vingar ( helikoptrar ). Ett flygplan ( flygplan i amerikansk användning) definieras i ICAO- dokument 9110 som "ett motordrivet tyngre än flygplan, som härleder sin lyftkraft främst från aerodynamiska reaktioner på ytan som förblir fixerade under givna flygförhållanden".

Observera att denna definition utesluter både dirigibles (eftersom de får lyftkraft från flytkraft snarare än från luftflöde över ytor) och ballistiska raketer (eftersom deras lyftkraft vanligtvis härleds direkt och helt från nästan vertikal dragkraft). Tekniskt sett skulle båda dessa kunna sägas uppleva "flygmekanik" i den mer allmänna betydelsen av fysiska krafter som verkar på en kropp som rör sig genom luften ; men de fungerar väldigt olika och ligger normalt utanför denna terms räckvidd.

Ta av

Ett farkost som är tyngre än luften (flygplan) kan bara flyga om en serie aerodynamiska krafter kommer att bära. När det gäller flygplan med fasta vingar, håller farkostens flygkropp upp vingarna före start. I ögonblicket för start händer det omvända och vingarna stödjer planet under flygning.

Rak och plan flygning av flygplan

Under flygning kan ett motordrivet flygplan anses påverkas av fyra krafter: lyft , vikt , dragkraft och drag . Thrust är kraften som genereras av motorn (oavsett om den motorn är en jetmotor , en propeller eller - i exotiska fall som X-15 - en raket ) och verkar i framåtriktad riktning i syfte att övervinna motståndet. Lyften verkar vinkelrätt mot vektorn som representerar flygplanets hastighet i förhållande till atmosfären. Drag verkar parallellt med flygplanets hastighetsvektor, men i motsatt riktning eftersom motståndet motstår rörelse genom luften. Vikt verkar genom flygplanets tyngdpunkt , mot jordens mitt.

I rak och plan flygning är lyftet ungefär lika med vikten och verkar i motsatt riktning. Dessutom, om flygplanet inte accelererar, är dragkraften lika och motsatt till dragkraften.

I rak klättring är lyftet mindre än vikten. Till en början verkar detta felaktigt eftersom om ett flygplan klättrar verkar det som om lyftet måste överstiga vikten. När ett flygplan klättrar med konstant hastighet är det dess dragkraft som gör att det kan klättra och få extra potentiell energi. Lyftet verkar vinkelrätt mot vektorn som representerar flygplanets hastighet i förhållande till atmosfären, så lyftet kan inte ändra flygplanets potentiella energi eller kinetiska energi. Detta kan ses genom att betrakta ett aerobatiskt flygplan i rak vertikal flygning (ett som klättrar rakt uppåt eller sjunker rakt nedåt). Vertikal flygning kräver ingen hiss. När man flyger rakt uppåt kan flygplanet nå noll flyghastighet innan det faller mot jorden; vingen genererar inget lyft och stannar därför inte. I rak, klättrande flygning med konstant flyghastighet överstiger dragkraften luftmotståndet.

I rak nedstigning är lyftet mindre än vikten. Dessutom, om flygplanet inte accelererar, är dragkraften mindre än motståndet. Vid svängflyg överstiger lyftkraften vikten och ger en belastningsfaktor som är större än en, bestäms av flygplanets krängningsvinkel .

Flygplanskontroll och rörelse

Mnemonics för att komma ihåg vinkelnamn

Det finns tre primära sätt för ett flygplan att ändra sin orientering i förhållande till den passerande luften. Pitch (nosens rörelse uppåt eller nedåt, rotation runt den tvärgående axeln), roll (rotation runt den längsgående axeln, det vill säga axeln som löper längs flygplanets längd) och girning (rörelse av nosen åt vänster eller höger , rotation kring den vertikala axeln). Att vända flygplanet (ändring av kurs) kräver att flygplanet först rullar för att uppnå en krängningsvinkel (för att producera en centripetalkraft); när den önskade kursändringen har uppnåtts måste flygplanet återigen rullas i motsatt riktning för att minska krängningsvinkeln till noll. Lyften verkar vertikalt upp genom tryckcentrum som beror på vingarnas position. Tryckcentrumets läge kommer att ändras med förändringar i anfallsvinkeln och inställningen av flygplanets vingklaffar.

Flygplanskontrollytor

Giring induceras av en rörlig roderfena. Rodrets rörelse ändrar storleken och orienteringen av kraften som den vertikala ytan producerar. Eftersom kraften skapas på ett avstånd bakom tyngdpunkten, orsakar denna sidledes kraft ett girmoment sedan en girrörelse. På ett stort flygplan kan det finnas flera oberoende roder på den enda fenan för både säkerhet och för att kontrollera de sammanlänkade gir- och rullningsaktionerna.

Att enbart använda gir är inte ett särskilt effektivt sätt att utföra en nivåsväng i ett flygplan och kommer att resultera i en viss sidhalkning. En exakt kombination av bank och lyft måste genereras för att orsaka de erforderliga centripetalkrafterna utan att producera en sidglidning.

Pitch styrs av att den bakre delen av bakplanets horisontella stabilisator är ledad för att skapa en hiss . Genom att flytta hissreglaget bakåt flyttar piloten hissen uppåt (ett läge med negativ camber) och den nedåtriktade kraften på den horisontella svansen ökas. Anfallsvinkeln på vingarna ökade så att nosen fälls upp och lyften i allmänhet ökas. I mikroljus och hängglidare är pitch-handlingen omvänd - pitch-kontrollsystemet är mycket enklare så när piloten flyttar hisskontrollen bakåt producerar det en nos-nedåtgående stigning och anfallsvinkeln på vingen reduceras.

Systemet med en fast bakyta och rörliga hissar är standard i subsoniska flygplan. Farkoster kapabla till överljudsflygning har ofta en stabilator , en allt rörlig svansyta. Pitch ändras i detta fall genom att flytta hela den horisontella ytan av svansen. Denna till synes enkla innovation var en av nyckelteknologierna som möjliggjorde överljudsflygning. I tidiga försök, när piloter överskred det kritiska Mach-talet , gjorde ett märkligt fenomen deras kontrollytor värdelösa och deras flygplan okontrollerbara. Det fastställdes att när ett flygplan närmar sig ljudhastigheten komprimeras luften som närmar sig flygplanet och stötvågor börjar bildas vid alla framkanter och runt hissens gångjärnslinjer. Dessa stötvågor gjorde att hissens rörelser inte orsakade någon tryckförändring på stabilisatorn uppströms hissen. Problemet löstes genom att byta ut stabilisatorn och den gångjärnsförsedda hissen till en allt-rörlig stabilisator - hela den horisontella ytan av svansen blev en kontrollyta i ett stycke. Dessutom, i överljudsflygning har förändringen i camber mindre effekt på lyftet och en stabilator producerar mindre motstånd [ ^{citat behövs ]} .

Flygplan som behöver kontroll vid extrema anfallsvinklar är ibland utrustade med en canard -konfiguration, i vilken pitchrörelse skapas med hjälp av ett framåtplan (ungefär i nivå med cockpit). Ett sådant system ger en omedelbar ökning av tonhöjdsauktoritet och därför ett bättre svar på tonhöjdskontroller. Detta system är vanligt i deltavingeflygplan (deltaplan), som använder ett canard-förplan av stabilatortyp. En nackdel med en canard-konfiguration jämfört med en akterstjärt är att vingen inte kan använda så mycket förlängning av klaffar för att öka vinglyften vid låga hastigheter på grund av stallprestanda. Ett kombinationsflygplan med tre ytor använder både en canard och en aktersvans (utöver huvudvingen) för att uppnå fördelarna med båda konfigurationerna.

En ytterligare design av stjärtplanet är V-tailen , så kallad för att istället för den vanliga inverterade T- eller T-tailen finns två fenor vinklade bort från varandra i ett V. Kontrollytorna fungerar då både som roder och hissar, röra sig i rätt riktning efter behov.

Rullen styrs av rörliga sektioner på bakkanten av vingarna som kallas skevroder . Skevrorna rör sig i opposition till varandra - den ena går upp medan den andra går ner. Skillnaden i vingen på vingen orsakar en skillnad i lyftkraft och därmed en rullande rörelse. Förutom skevroder finns det ibland även spoilers — små gångjärnsförsedda plattor på vingens övre yta, som ursprungligen användes för att producera motstånd för att bromsa flygplanet och för att minska lyftet vid nedstigning. På moderna flygplan, som har fördelen av automatisering, kan de användas i kombination med skevroder för att ge rollkontroll.

Det tidigaste motorflygplan som byggdes av bröderna Wright hade inte skevroder. Hela vingen var skev med hjälp av trådar. Vingförvrängning är effektivt eftersom det inte finns någon diskontinuitet i vinggeometrin, men när hastigheterna ökade blev oavsiktlig skevning ett problem, och därför utvecklades skevroder.

Se även

LJ Clancy (1975). Aerodynamik . Kapitel 14 Elementär flygmekanik . Pitman Publishing Limited, London. ISBN 0-273-01120-0