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L'ala è il principale apparato generatore di portanza in un aeroplano e la sua geometria è fondamentale per le sue prestazioni. Innanzitutto, ricordiamo che la portanza è una forza aerodinamica generata da un differenziale di pressione tra la superficie superiore e quella inferiore. La portanza totale è proporzionale alla superficie dell'ala. Pertanto, una superficie più elevata si traduce in una maggiore portanza.
La portanza è influenzata anche dalla geometria della sezione trasversale dell'ala, chiamata profilo alare. Ricorda che la linea della corda del profilo alare collega i bordi anteriore e posteriore. Un'altra proprietà chiamata camber descrive l'asimmetria tra le due superfici. La maggior parte delle ali ha una campanatura positiva, il che significa che sono convesse. Come per la superficie, un aumento della curvatura si traduce in una maggiore portanza.
Poiché la velocità del vento è relativamente lenta durante il decollo e l'atterraggio, la superficie e il camber vengono aumentati dispiegando dispositivi sui bordi d'attacco e d'uscita dell'ala per generare una portanza sufficiente. Il dispositivo sul bordo d'attacco del profilo alare è chiamato slat, mentre il dispositivo sul bordo d'uscita è chiamato flap. Le lamelle e le alette possono entrare o uscire dalle ali a seconda delle necessità.
Mentre il dispiegamento di slats e flap aumenta la portanza, aumenta anche la forza di resistenza sull'aereo, che agisce in opposizione alla portanza. Possiamo quantificare entrambe queste forze calcolando il coefficiente di portanza e il coefficiente di resistenza aerodinamica come mostrato, dove L e D sono rispettivamente portanza e resistenza. Rho infinito e V infinito sono la densità e la velocità del flusso libero, mentre S è l'area di riferimento dell'ala.
La portanza, in quanto forza distributiva in natura, può essere equalizzata o semplificata in un'unica forza concentrata situata al centro della pressione. Tuttavia, al variare dell'angolo di attacco, questa posizione si sposta in avanti o a poppa. Quindi, invece, ci riferiamo al centro aerodinamico dell'ala quando parliamo di forze.
Il centro aerodinamico dell'ala è la posizione in cui il coefficiente del momento di beccheggio è effettivamente invariato al variare dell'angolo di incidenza. Un altro modo tipico per esprimere il momento di beccheggio è utilizzare il coefficiente del momento di lancio. Questo coefficiente adimensionale viene calcolato come mostrato, dove M C/4 è il momento di beccheggio attorno al punto di corda di 1/4.
Nella nostra dimostrazione, misuriamo il momento di beccheggio a una corda di 1/4, che è vicina al centro aerodinamico dell'ala. In questo esperimento, studieremo un profilo alare Clark Y-14 con un semplice piatto e lamelle a vari angoli di incidenza. Analizzeremo quindi la portanza, la resistenza e il momento di beccheggio per determinare le caratteristiche prestazionali in ciascuna configurazione.
Per questo esperimento, utilizzare una galleria del vento aerodinamica con una sezione di prova di 1 piede per 1 piede e una velocità operativa massima di 140 mph. La galleria del vento deve essere dotata di un sistema di acquisizione dati e di una bilancia a punte, che misura sia le forze normali che quelle assiali.
Ora, procurati un modello di ala Clark Y-14 con un flap e uno slat. Inizia il test con la configurazione dell'ala pulita, il che significa che né il flap né la lamella vengono dispiegati. Ora apri la sezione di prova e installa l'ala sulla bilancia del pungiglione.
Azionare la manopola di regolazione dell'angolo di beccheggio sotto la sezione di prova della galleria del vento per regolare il passo del bilanciamento del pungiglione in orizzontale. Utilizzare un inclinometro portatile per misurare l'angolo di beccheggio e regolare il passo per raggiungere una lettura di zero. Chiudere la sezione di prova e tarare l'angolo di beccheggio sul display della galleria del vento. Quindi, tarare tutte le letture di forza, momento e velocità sul sistema di acquisizione dati.
Ora, regola l'angolo di beccheggio, chiamato anche angolo di attacco, a meno 8?, ed effettua una misurazione senza vento registrando tutte le letture della forza assiale, della forza normale e del momento di beccheggio. Ripetere le misurazioni in assenza di vento per angoli di beccheggio compresi tra meno 8 e 18? con 2? Incrementi. Quando tutte le misurazioni in assenza di vento sono state effettuate, riportare l'angolo di beccheggio a meno 8?.
Ora accendi la galleria del vento e aumenta la velocità a 60 mph. Effettuare letture della forza assiale, della forza normale e del momento di beccheggio per angoli di beccheggio compresi tra meno 8? a 18?, con 2? Incrementi. Dopo aver completato tutte le misurazioni con l'ala pulita, spegnere la galleria del vento e aprire la sezione di prova.
Regolare l'ala in una nuova configurazione, con la lamella regolata in modo da avere circa 3/8 di pollice di fessura. Rieseguire l'esperimento esattamente allo stesso modo dell'ala pulita, effettuando prima le misurazioni senza vento a meno 8 - 18? Angoli di beccheggio con 2? Incrementi. Quindi raccogli le stesse misure a 60 mph.
Dopo aver completato queste misurazioni, modifica l'ala in una terza configurazione con i flap impostati a 45? rispetto alla linea di corda e alla lamella non dispiegata. Quindi eseguire nuovamente le misurazioni come prima. Infine, regolare l'ala alla quarta configurazione, in cui sono dispiegati sia la lamella che il flap, e ripetere l'esperimento.
Ora interpretiamo i risultati. Per analizzare i dati, calcoleremo prima il coefficiente di portanza adimensionale ad ogni angolo di beccheggio, che è definito come mostrato. Rho infinito è la densità del flusso libero, V infinito è la velocità del flusso libero e S è l'area di riferimento dell'ala. Tutti questi valori sono noti.
La portanza, L, è calcolata come una relazione di due coppie di forze, dove N è la forza normale e A è la forza assiale. Entrambi sono stati misurati con la bilancia del pungiglione. Alfa è l'angolo di attacco, chiamato anche angolo di beccheggio, in questo esperimento. Ora, diamo un'occhiata a un grafico del coefficiente di portanza rispetto all'angolo di beccheggio per ciascuna delle quattro configurazioni.
Confrontando le curve di configurazione dell'ala pulita e delle lamelle, vediamo che le due curve sono quasi sovrapposte a bassi angoli di incidenza. Tuttavia, la curva di portanza alare pulita raggiunge il picco a circa 12?, ma la curva delle lamelle continua ad aumentare. Ciò indica che una lamella può essere utilizzata per aumentare la portanza. Se confrontiamo le curve di portanza dell'ala pulita e del flap, vediamo che il flap aumenta la portanza su tutto il raggio d'angolo di attacco. Se sia la lamella che lo sportello vengono aperti contemporaneamente, i vantaggi di entrambi i dispositivi sono combinati e la portanza massima è ancora maggiore.
Quindi, calcola il coefficiente di resistenza aerodinamica per ciascun angolo, che è definito come mostrato. La resistenza, D, è anche definita come una relazione delle coppie di forze normali e assiali. Confrontando il coefficiente di resistenza aerodinamica per ciascuna configurazione, vediamo che la resistenza aumenta notevolmente con il flap e la lamella dispiegati. La forza aerodinamica risultante, R, dalla resistenza e dalla portanza si trova su un punto dell'ala chiamato centro di pressione.
Il centro di pressione non è una posizione fissa, ma si muove al variare dell'angolo di incidenza. Pertanto, è più conveniente calcolare tutte le forze e i momenti attorno al punto di corda di 1/4. Quindi, utilizzando il momento di intonazione a 1/4 di corda, che viene misurato dal bilanciamento del pungiglione, possiamo calcolare il coefficiente del momento di intonazione come mostrato.
Infine, osservando il coefficiente del momento di beccheggio per ogni configurazione e angolo di beccheggio, vediamo che il coefficiente del momento di beccheggio entra nel regime negativo con il flap dispiegato. Ciò significa che il centro di pressione si sposta verso il bordo d'uscita con il lembo aperto.
In sintesi, abbiamo appreso come gli apparecchi che generano portanza vengono utilizzati per migliorare le prestazioni degli aeromobili. Abbiamo quindi valutato un'ala Clark Y-14 in una galleria del vento per vedere come un flap e una lamella influenzano la portanza, la resistenza e il momento di beccheggio.
