Vinge
Vingen , også kendt som en vinge , vinge eller hydrofoil monteret under et bådskrog, er en komponent i et køretøj, hvis hovedopgave er at generere dynamisk løft . Vingens funktion er at generere en tilstrækkelig stor kraft vinkelret på strømningsretningen ved at påvirke strømmen omkring den. Denne kraft er liften, der holder et fly i luften eller løfter et hydrofoil (eller sejlbåd , surfbræt , wakeboard eller kiteboard ) op af vandet.
Flyvinger er normalt udstyret med klapper, der kan bruges til at påvirke flyvningens position, løft eller træk. I store fly er motorer normalt fastgjort til dem, og brændstoftankene er også placeret i vingerne. Afstanden mellem venstre og højre vingespids kaldes vingefanget .
Arbejdsprincip
Genererer dynamisk opdrift
Forudsætningen for generering af lift med aerofoils er bevægelse i en egnet væske (f.eks. Luft eller vand), der har egenskaberne masse , viskositet og i det mindste til en vis grad inkomprimerbarhed . [2]
Airfoils med en passende profil og angrebsvinkel afleder den tilstrømmende væske ( downwash ); dette skaber en kraft, der virker vinkelret på strømmen. En impuls overføres til væsken som følge af afbøjningen. Ifølge Newtons første lov kræver denne ændring i strømningsretningen nedad en kontinuerligt virkende kraft. Ifølge Newtons tredje lov ( actio og reactio ) virker en lige og modsat kraft, løft, på vingen. [2]
Parametre for opdriftskraften
Massen af den afledte luft pr. tidsenhed afhænger af deres tæthed, vingernes størrelse (areal) og flyvehastighed: jo hurtigere flyet flyver, jo mere afbøjes luft på samme tid. Accelerationen af den afbøjede luftmasse afhænger af flyvehastigheden og angrebsvinklen på vingen.
Med konstant lufttæthed, vingestørrelse og konstant angrebsvinkel er løftekraften proportional med flyvehastighedens kvadrat: Både den afbøjede luftmasse pr. Tidsenhed og dens lodrette acceleration stiger proportionalt med flyvehastigheden. Hvis flyvehastigheden fordobles, og luftstrømmen ellers er den samme, fordobles både luftmængden nedad og hastigheden. Det betyder, at liften firedobles.
Da nedbøjningshastigheden er inkluderet i kvadratet af den drivkraft, der kræves til dette, er den effekt, der kræves for at generere løft, omvendt proportional med flyvehastigheden og vingernes størrelse. Det betyder, at jo højere lufthastigheden eller jo større vingerne er, desto lavere er fremdriftskraften, der kræves til løft. (Dette er dog mindre end den samlede drivkraft, der kræves til flyvningen, se nedenfor).
Flowmodstand
Handlingsmekanismen beskrevet ovenfor er en del af den inducerede luftmodstand : den fjerner den nødvendige energi til dette i form af strømningsmodstand fra strømningssystemet, der giver løft. I princippet kan denne del af den inducerede luftmodstand ikke elimineres, da den fysisk tager hensyn til loven om bevarelse af energi og momentum.
En anden form for induceret træk er forårsaget af spidshvirvler ved vingespidserne: Dette skaber en trykbalance mellem overtryk under vingen og undertryk over vingen. Dette skaber en spidsvirvel omkring flyets længdeakse ved hver vingespids, hvis kinetiske energi trækkes tilbage fra strømningssystemet, der genererer løft og dermed går tabt ubrugt. Spidshvirvlerne kan reduceres med et højt billedformat (= forholdet mellem vingefanget og den gennemsnitlige vingedybde), men kan i princippet ikke helt elimineres med endelige vinger. Winglets på vingespidserne på moderne fly tjener også til at reducere denne form for modstand ved delvist at forhindre trykudligning på tværs af flyveretningen (og dermed dannelse af hvirvler). Det skal bemærkes, at den samlede hvirvelstyrke af spidshvirvlerne ikke kan påvirkes af winglets på grund af Helmholz's hvirvellov . Ifølge Kutta-Joukowskis sætning ville en reduktion i hvirvelstyrken også betyde en reduktion af flyets samlede løft. Winglets kan imidlertid have en positiv indflydelse på elevatordistributionen ved dygtigt at flytte hvirvlerne og dermed reducere den inducerede luftmodstand. Det er også muligt at bruge winglets til at påvirke flyveegenskaberne i det lavere hastighedsområde positivt.
Ud over induceret træk øger andre former for træk strømbehovet for et fly:
Friktionsmodstanden på vingens overflade bremser flyet ved at omdanne kinetisk energi til termisk energi i grænselaget . Friktionsmodstanden (eller forskydningsspændingsmodstanden) afhænger af, om strømmen er laminær eller turbulent . Det kan reduceres med en høj overfladekvalitet (glathed), hvorved strømmen holdes så laminær som muligt, men friktionsmodstanden kan ikke elimineres fuldstændigt. Riblets kan også reducere friktionsmodstand.
Formen eller trykmodstanden opstår, fordi trykket på forsiden og bagsiden af en krop er anderledes. Hvor strømmen bliver til turbulens - generelt ved vingens bagkant, men f.eks. B. også på kanterne af landingsklapper og ailerons etc. - der opstår et bremsesug, som svarer til bodens tværsnit. Formmodstanden kan minimeres ved et fornuftigt valg og omhyggelig udformning af vingeprofilen.
Den bølge modstand endelig kommer ind i supersonisk flyvning : her den supersoniske virkning af de luftpartikler på forsiden af flyet inducerer et kegleformet formerings chokbølge ( Machscher kegle ), som er mærkbar på jorden, som en sonisk boom.
Strømningsmodstanden (og dermed den krævede effekt for at overvinde den) øges med kvadratet af lufthastigheden. Sammen med effektbehovet til frembringelse af lift, som er omvendt proportional med flyvehastigheden, resulterer dette i en bestemt hastighed for hvert fly, afhængigt af designet, hvorved - i forhold til flyvetiden - energibehovet for niveau flyvning er lavest. I relation til flyvning rute, dog minimum energiforbrug er på et betydeligt højere hastighed, da flyet har derefter skal afholdes i luften for den samme afstand mindre lang. Hastigheden med det laveste energiforbrug pr. Rute kaldes marschhastigheden .
Gå i stå
Angrebsvinklen, der kræves for at generere løft, stiger ved lave hastigheder: Da mere luftmasse afbøjes i samme tidsperiode ved højere hastigheder, og mængden af lodret acceleration også øges, er en mindre afbøjningsvinkel tilstrækkelig til at generere det samme løft. Omvendt, jo langsommere flyet flyver, jo mere må angrebsvinklen øges.
Coandă-effekten på oversiden af vingen kan kun sikre, at strømmen er til stede op til en bestemt angrebsvinkel, som er afhængig af profilform, overfladekvalitet og Reynolds-nummer , som normalt er omkring 15-20 °. Ud over denne angrebsvinkel bryder strømmen væk fra overfladen. Dette medfører en drastisk stigning i formmodstanden, samtidig falder størstedelen af liften sammen, da profilen i denne flowtilstand ikke længere effektivt kan aflede luftstrømmen på oversiden af vingen, men i det væsentlige kun hvirvler den . Den flyvehastighed ved hvilken flow brækker på grund af den øgede angrebsvinkel kaldes stall hastighed eller stallhastighed ; den resulterende flyvetilstand, hvor flyet sænker sig og kun kan kontrolleres i meget begrænset omfang, er boden . Stallhastigheden er derfor den laveste hastighed, hvormed et fly bare kan blive i luften; det afhænger af konstruktionen og varierer i praksis fra ca. 20 km / t ( paraglider ) til ca. 300 km / t (hurtige jetfly uden aktiverede landingshjælpemidler).
Stallhastigheden i et fly afhænger af vægten og belastningsfaktoren, det vil sige af den ekstra acceleration, der f.eks. Sker ved drejning. Desuden øges stallhastigheden ( ægte lufthastighed ) med lavere lufttæthed. Den angivne lufthastighed er imidlertid den samme, da de mekaniske instrumenter også påvirkes i samme omfang af lufttætheden.
profil
Profilen er vingetværsnittet i strømningsretningen. Formen på profilen tjener på den ene side, så meget som muligt ved løft så lidt strømningsmodstand at opnå, og på den anden side til den størst mulige angrebsvinkel uden stall til at tillade. Der bruges forskellige profiler afhængigt af konstruktionen (formål, brugsområde, overfladebelastning ).
Vinge layout
I luftfartens tidlige dage var vingeindretningens form baseret på formen af en fuglevinge, da den buede profil i første omgang var vigtig. Frem for alt yder Otto Lilienthal (krumning) og Hugo Junkers (profiltykkelse) afgørende bidrag til vingeprofilen. Dagens vinger findes i en række forskellige former. Som regel er de langstrakte og koniske i det ydre område (tilspidset) for at opnå bedre løftfordeling og dermed lavere induceret luftmodstand .
I mere moderne passagerfly bliver de til såkaldte winglets . På grund af det lavere lufttryk på toppen af vingerne flyder luften fra bunden til toppen ved spidserne. Dette skaber luft hvirvler, som blandt andet, fortsætter i den frygtede wake hvirvler. Winglets forbedrer fordelingen af spidshvirvlerne og reducerer dermed energitabet forårsaget af våghvirvlerne og gør flyet mere økonomisk i forbrug. I modsætning til hvad man ofte antager, kan vortexens styrke ikke ændres ved konstant hastighed, da den er direkte forbundet med oprettelsen af lift. Winglets kan kun reducere liftfordelingen og dermed hvirvels geometri.
Supersoniske fly har ofte deltavinger , hvis forkanter normalt er lige, men i ekstreme tilfælde også kan bues flere gange, som f.eks. B. " Ogival " -fløjen i Concorde . [3] Deltavinger er bedre tilpasset virkningerne af supersonisk flyvning end den ellers almindeligt anvendte trapezformede vinge. Når man flyver med supersonisk hastighed, opstår der kompressionsstød . Dette er områder, hvor trykket af den omgivende væske, dvs. luften, stiger med spring og grænser. Nogle af disse stød spredte sig rundt om flyet i en form, der matcher vingens feje. (Jo højere den ønskede flyvehastighed, jo mere skal vingen fejes.) Når man flyver med supersonisk hastighed, sker der en (skrå) stød på forkanten. Når man flyver med transsonisk hastighed, sker der en (lodret) stød på oversiden af vingen, bag hvilken hastigheden af luftstrømmen pludselig falder til subsonisk hastighed, hvilket resulterer i en vending af nogle væskemekaniske effekter. Hvis du kombinerer disse forskellige effekter på en fløj på grund af en forkert vingekonfiguration, kan de eliminere hinanden. Der opnås en homogen strømningshastighed på vingens forkant, hvis denne tilpasses selve strømningen. Fejningen reducerer denne hastighed med pilens vinkel cosinus og fører til tab af løft. En anden ulempe er, at der udover denne normale hastighed også er en tangential komponent, der stiger tilsvarende. Dette får grænselaget til at flyde mod det ydre vingeområde. Som et resultat fortykkes grænselaget, og strømmen ved vingespidserne kan løsnes. Dette reducerer aileron -effektiviteten.
Derudover er en række andre former mulige, for eksempel ringformede vinger ( ringvinger ), men disse er hidtil kun blevet implementeret i model- og forsøgsfly .
Især i tilfælde af fly med jetfremdrivning ("jetfly") vinkles vingerne ofte baglæns i form af en pil for at muliggøre supersonisk flyvning. Et antal militærfly, der blev konstrueret i 1960'erne og 1970'erne, kan bruge en variabel geometri til at justere deres vingers svejning under flyvning ( drejelige vinger ) for at tilpasse dem optimalt til den respektive hastighed.
I 2008 testede et team af forskere (Fish / Howle / Murray) en vingeform i vindtunnelen, baseret på modellen af pukkelhvalens forfinner med en bølget forkant. Dette gjorde det muligt at øge liften med op til 8 procent i forhold til en ellers identisk vinge med en lige forkant, samtidig med at det aerodynamiske træk reduceres med op til 32 procent. Angrebsvinklen, hvor boden opstod, var 40 procent højere. Årsagen til disse gode præstationsdata ligger i introduktionen af energi i strømmen gennem den korrugerede forkant (svarende til hvirvelgeneratorer ). [4]
arrangement
( Beechcraft Bonanza A36)
Afhængigt af den højde, som vingerne er fastgjort, er fly inddelt i lav- fløj flyet (vingerne sidde flugter med den nederste kant af skrog), mellem- flyvinge (middelhøjde), skulder - fløj vinge (flugter med overkanten af skroget) og højvingede fly (vinger over skroget). Fly, hvor den vandrette stabilisator er anbragt foran vingen, kaldes and- eller canardfly , fly, hvor den vandrette stabilisator er anbragt bag vingen, kaldes hanggliders. Moderne fly med bred krop er designet som lavvingede fly, hvor de to vinger er forbundet til flykroppen via en vinge centerboks .
De fleste moderne fly har en vingehalvdel på hver side af flykroppen. I luftfartens første årtier var dobbeltdækkere med to vinger oven på hinanden almindelige, og i isolerede tilfælde blev der endda bygget tre- dækere . I dag er biplaner kun bygget til aerobatik . Der er også fly med kun en vinge, uden haleenhed . Disse kaldes flyvende vinger eller halefri. Fly med to eller flere vinger arrangeret efter hinanden ( tandemarrangement ) forblev en sjældenhed. Som en yderligere variant er der den lukkede vinge -Tragfläche, der i praksis hidtil kun bruges i modelfly og ultralette Sunny .
Vingestillingen er groft karakteriseret ved formen af dens forside. Den kan være lige , have en mere eller mindre udtalt V-position eller præsentere sig som en mågevinge .
Bærende skrog
Med støtteskrog ( engelsk løftelegeme) refereres til en flykonstruktion, hvor opdriften ikke eller ikke udelukkende genereres af lejeflader, men i det væsentlige af et specialformet skrog.
køre
I modsætning til dyrenes vinger, som genererer fremdrift og løft, giver vinger kun løft. Fremdriften skal genereres af separate motorer . I begyndelsen af luftfartseksperimenter blev der udført med vinger, som skulle efterligne flagren af fuglenes vinger og derved frembringe fremdrift. Disse konstruktioner (svingplan eller ornithopters ) viste sig imidlertid at være uegnede til menneskelig luftfart og er indtil videre kun blevet implementeret med succes i modelflyvning .
Den eneste praktiske løsning på en kombination af fremdrift og løft i vingen er at lade vingerne rotere omkring en lodret akse. I dette tilfælde taler man om et rotorblad (se helikopter ).
Flere funktioner
Moderne flys vinger opfylder også en række andre funktioner:
- De indeholder store brændstoftanke , f.eks. T. selvforseglende
- De bærer en række forskellige klapper til kontrol, f.eks. B. Ailerons , spoilere , trimfaner
- De har opdriftshjælpemidler
- Takket være deres elastiske konstruktion er vingerne også "ophæng" af flyet og absorberer lodrette kræfter såsom luftstrømninger
- På mange store fly danner de suspensionen til motorerne (mest i nacellerne nedenunder)
- På nogle fly med udtrækkeligt landingsstel bruges de til at holde landingsudstyret .
- I 1920'erne brugte den tyske flyproducent Junkers vingespidserne ( vingens rødder ) til at rumme passagerer
Se også
litteratur
- D. Anderson, S. Eberhardt: Sådan flyver fly. Sport Aviation, februar 1999. [5]
- David Anderson, Scott Eberhardt: Forståelse af flyvning . 2. udgave. McGraw-Hill, New York et al. 2009, ISBN 978-0-07-162696-5 . [6]
- GK Batchelor: En introduktion til væskemekanik. Cambridge University Press.
- H. Goldstein: Klassisk mekanik. Akademisk videnskab, Wiesbaden.
- Ernst Götsch: Flyteknologi . Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8 .
- J. Hoffren: Søg efter en forbedret forklaring på løft. AIAA 2001-0872.
- Henk Tennekes: Hummingbirds and Jumbo Jets - The Simple Art of Flying . Birkhäuser Verlag, Basel / Boston / Berlin 1997, ISBN 3-7643-5462-3 .
- K. Weltner: flyvefysik . Aulis Verlag Deubner, Köln 2001, ISBN 3-7614-2364-0 .
- R. Wodzinski: Hvordan forklarer du flyvning i skolen? Prøv at analysere forskellige forklaringsmodeller. Plus Lucis -fagdidaktik, 1999. [7]
Weblinks
- D. Anderson og S. Eberhardt: En fysisk beskrivelse af flyvning
- Holger Babinsky: Flow over aerofoils. University of Cambridge, Department of Engineering, 2003, åbnede 7. april 2018 .
- Peter Junglas: Generelt forståelig forklaring
- NASA: Begynderguide til aerodynamik Blandt andet er der en computer vindtunnel, hvor du kan ændre de vigtigste parametre for en profil og observere virkningerne på strømningsfeltet og kræfter.
- Klaus Weltner: To artikler om opdrift og Bernoulli
- Rita Wodzinski: Hvordan forklarer du flyvning i skolen? Prøv at analysere forskellige forklaringsmodeller (Acrobat PDF; 288 kB)
- Repræsentation af flowadfærd på en vinge
Individuelle beviser
- ↑ babinsky (2003): Flow løbet Aerofoils , YouTube: "Flow løbet Aerofoils"
- ↑ a b A Fysisk beskrivelse af flyvning
- ↑ Detaljeret beskrivelse af Concorde -fløjkonstruktionen
- ↑ Hydrodynamisk flowkontrol hos havpattedyr ( Memento fra 16. oktober 2015 i internetarkivet )
- ^ Hvordan flyver fly. ( Memento fra 30. maj 2018 i internetarkivet )
- ^ En fysisk beskrivelse af flyvning. ( Memento fra 23. februar 2018 i internetarkivet )
- ↑ Hvordan forklarer du flyvning i skolen? (PDF; 295 kB)
