模型航空機の空力性能:DC-6B

Aerodynamic Performance of a Model Aircraft: The DC-6B
JoVE Science Education
Aeronautical Engineering
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Science Education Aeronautical Engineering
Aerodynamic Performance of a Model Aircraft: The DC-6B

8,295 Views

14:02 min
October 13, 2017

Overview

出典:ホセ・ロベルト・モレトとシャオフェン・リウ、サンディエゴ州立大学航空宇宙工学科、サンディエゴ、カリフォルニア州

低速風洞は、航空機の空力特性を研究し、航空機の性能と安定性を評価するための貴重なツールです。取り外し可能な尾翼と6成分の外部空力力バランスを持つDC-6B航空機のスケールモデルを使用して、リフト係数(CL)、ドラッグ係数(CD)、ピッチングモーメント係数(C)M)、及びその尾翼の有無にかかわらずモデル飛行機のヨーモーメント係数(CN)と、空力効率、縦方向安定性及び方向安定性に対する尾翼の効果を評価する。

このデモンストレーションでは、空力バランス測定法を用いて、航空機の空力特性と飛行性能と安定性を解析します。この方法は、航空機やロケット開発のための航空宇宙産業や研究室で広く使用されています。ここでは、モデルDC-6B飛行機を異なる流れ条件と構成で分析し、急激な変化を受けるとその挙動を分析します。

Principles

空力特性を評価するには、所定の飛行条件に対して、航空機の姿勢、すなわち攻撃角度、ヨー角度、ロール角度に対して空力係数がどのように変化するかを決定することが重要です。空気力のバランスはモデルによって経験される力および瞬間を直接測定するために広く使用される方法である。測定された力と瞬間、ならびに気流温度、静圧および総圧力から、空気力学係数は攻撃およびヨー角度のいくつかの角度のために得ることができる。

動的類似条件が満たされ、適切な補正が適用されていれば、小規模モデルをテストすることで、本格的な物体の空力特性を得ることができる。非圧縮性定常フローの場合、関連する類似性パラメータは、適切な参照長に基づくレイノルズ数です。

DC-6Bのような低速飛行機の場合、空力特性は同じ飛行条件のレイノルズ数と一致させることができるので、小さな低速風洞で測定することができます。これらの条件下では、攻撃の角度に対するドラッグアンドリフトの依存性を得ることができます。このアルファへの依存性は、航空機のパフォーマンスを評価するために使用できます。

空力係数がいくつかの条件および構成について測定されると、例えば2つの異なる尾翼幾何学を使用して、安定性誘導体(dCM/dα、dC N/dβ)、リフトスロープ(dCL/dα)、最大リフト係数、最大リフト対ドラッグ比、およびその他の空力特性が見つかります。これらの空力係数から、航空機の安定性と性能に対する変更または設計選択の影響を判断できます。

安定性誘導体は、航空機が安定しているか不安定かを示します。たとえば、突風によって航空機の攻撃角度が突然増加した場合、航空機の応答は、その安定性を特徴付けます。攻撃の角度が無限に増加し続ける場合、航空機は不安定であると言われます。しかし、攻撃の角度が当初の値に戻ると、突風前の姿勢、機体は安定していると言われています。指向性の安定性についても同じことが言えます。航空機の傾向が突然の変化の後に最初のヨー角度に戻る場合、航空機は方向的に安定していると言われます。

このデモンストレーションでは、風洞における力とモーメント測定のための空力力バランスを紹介します。支持支柱とモデルの重量の寄与を取り除くために、バランスは空力力の最終的な結果を確実にするために遅れ、瞬間は航空機だけによるものである。さらに、このデモンストレーションでは、従来の航空機設計における尾翼の効果と、縦方向および横方向の航空機の安定性におけるその重要性を示します。

Procedure

空力バランスのDC-6Bモデルのセットアップは以下の通りです。


図 1.取り付けられたDC-6Bモデル。A) 外部空力バランスを備えた低速風洞試験部内のDC-6Bモデル。B) DC-6Bモデルは、3つの連結点によってバランスに取り付けられました。ヨー角度制御モーター、ピッチコントロールモーター、ピッチ角度を校正する電子レベルもあります。


図 2.低速風洞制御パネル。ピッチ角度とヨー角度は、風洞走行時のテスト中にパネルから電子的に制御できます。

1. セットアップのキャリブレーション

  1. 風洞コントロールパネルの外部バランスをロックします。
  2. 図 1 に示すように、空力バランスに支柱を取り付します。支柱はバランスにボルトで固定されています。
  3. ヨーモーターのノブを調整してヨー角度をゼロに設定し、ピッチモーターを使用してピッチ角度をゼロに設定します。ピッチ角度は、電子レベルを使用して校正する必要があります。測定は、最初に支柱のみで異なる角度で行われ、モデル飛行機はありません。これにより、航空機からの支柱の効果を減算できます。
  4. コンピュータと外部バランス力の取得システムの電源を入れます。少なくとも30分前のテストでは、システムの電源を入れる必要があります。
  5. 測定制御ソフトウェアを開きます。
  6. 部屋の圧力と温度を記録します。局所温度と局所重力を使用して気圧を修正してください。
  7. 試験区間と風洞に破片が入って部品が緩まないかどうかを確認し、試験区間のドアを閉じます。
  8. 外部バランスのロックを解除し、風洞の速度をゼロに設定します。
  9. 風洞および風洞冷却システムをオンにします。
  10. バランスの力とモーメントを記録します。
  11. ダイナミック圧力を7インチH2Oに設定し、バランスフォースとモーメントを記録します。
  12. ヨーコントロールを使用して、ヨーの角度を5°に設定します。必要に応じて、ダイナミック圧力を 7 インチ H2O に調整します。
  13. バランスの力とモーメントを記録します。ヨーの角度を10°に変更します。必要に応じて、ダイナミック圧力を 7 インチ H2O に調整します。
  14. バランスの力とモーメントを記録します。
  15. 風洞をオフにし、外部バランスをロックします。
  16. 尾翼付きのDC-6Bモデルを取り付けます。
  17. 攻撃の角度とピッチインジケーターを調整します。電子レベルを使用して、テストの前にピッチ角度を調整します。
  18. 外部残高のロックを解除します。
  19. コントロールパネル図2の鼻を上下に押して攻撃角度を設定します。試験のための攻撃の角度 α = -6°、 -4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°、10°。
  20. バランスの力とモーメントを記録します。
  21. 手順 1.19 ~ 1.20 を繰り返し、すべてのテスト ポイントが完了するまで攻撃角度を徐々に増やします。
  22. 攻撃角度、αをゼロに戻し、ヨー角を設定します。試験用ヨー角 β = 0°, 5°, 10°.
  23. バランスの力とモーメントを記録します。
  24. すべてのテスト ポイントが完了するまで、1.22 ~ 1.23 の手順を段階的に繰り返します。
  25. 外部バランスをロックし、DC-6Bモデルから尾翼を取り外します。テールコーンを取り付け、手順 1.19 ~ 1.24 を繰り返します。
  26. すべてのデータが収集された場合は、風洞冷却システムをオフにし、外部バランスをロックし、風洞をオフにします。

2. ゼロ以外の風速でのテスト

  1. 試験区間と風洞に破片が入って部品を緩めてから、試験区間のドアを閉めます。
  2. ピッチ角度をゼロに設定します。
  3. 外部残高のロックを解除します。
  4. 風洞速度ダイヤルをゼロに設定し、風洞と風冷システムをオンにします。
  5. バランスの力とモーメントを記録します。
  6. ダイナミック圧力を 7 インチ H2O に設定します。
  7. 攻撃角度を設定し、α = -6°から始めます。試験のための攻撃の角度 α = -6°、 -4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°、10°。
  8. 必要に応じて、ダイナミック圧力を7インチH2Oに調整し、バランスの力とモーメントを記録します。
  9. 手順 2.7 ~ 2.8 を繰り返し、すべてのテスト ポイントが実行されるまで攻撃角度を徐々に増やします。
  10. 攻撃角度をゼロに戻し、ヨー角度を設定します。次のヨー角度はβ = 0°、5°、10°をテストする必要があります。
  11. 必要に応じて、ダイナミック圧力を7インチH2Oに調整し、バランスの力とモーメントを記録します。
  12. ステップ 2.10 ~ 2.11 を繰り返し、すべてのテスト ポイントが実行されるまでヨー角度を段階的に増やします。
  13. 対気速度をゆっくりとゼロに下げ、外部バランスをロックします。
  14. DC-6Bモデルテールコーンを取り外し、完全な尾翼を取り付けます。
  15. 手順 2.7 から 2.12 を繰り返します。
  16. すべてのデータが収集された場合は、風洞冷却システムをオフにし、外部バランスをロックし、風洞をオフにします。

航空機を3次元で運用するためには、その姿勢や向きを3次元で制御できる必要があります。したがって、航空機の位置とそれに加えられた変更を記述する 3 つの主軸を定義します。これらの 3 つの軸の原点は、航空機の重心(質量の平均位置)にあります。

ヨー軸は航空機の翼に垂直で、左右に動きを表します。ピッチ軸は翼に平行に向き、ヨー軸に垂直です。ピッチモーションは、鼻の上下の動きです。最後に、ロール軸は航空機の長さを実行し、翼の垂直方向の動きを記述します。

航空機がこれらの方向の位置を変更する時の空気力学的特性を評価するために、揚力、ドラッグ、モーメントを記述するいくつかの異なる係数を測定できます。リフト係数とドラッグ係数は、リフトとドラッグの形状と流れの複雑な効果をモデル化できる無次元の値です。

リフト係数とドラッグ係数は、L と D がリフトとドラッグ、S が航空機モデルの参照領域である図に示すように定義されます。Rho と V は、フリー ストリームの密度と速度です。動的圧力qに対して2対2のローVを単純化することができます。

同様に、エンジニアは、ピッチモーメントと呼ばれるピッチ軸方向に航空機の力によって生成されるトルクを記述する無次元値であるピッチングモーメント係数を測定します。

リフト係数とドラッグ係数と同様に、ピッチモーメント係数は示すように定義され、Mはピッチングモーメント、qは動的圧力、SおよびCは航空機の基準面積と基準長です。

最後に、ヨー軸の方向に発生するトルクを表すヨーモーメント係数を測定できます。この係数は、N がヨーモーメントであり、B が航空機の翼スパンである場合に示すように定義されます。

エンジニアは、これらの係数を使用して航空機の性能と安定性を調べています。安定性誘導体は、ピッチまたはヨー角度に対して撮影され、航空機が安定しているか不安定かを示します。

たとえば、攻撃角度であるアルファが突風によって突然増加した場合、航空機の応答によってその安定性が決定されます。攻撃の角度が無限に増加し続ける場合、航空機は不安定です。これは、良好な安定性誘導体によって示され、投げモーメント係数がαとともに増加し続けることを示す。

ヨー角ベータに関する方向性の不安定性についても同じことが言えますが、これは負の安定性係数を与えます。攻撃角度またはヨー角度が初期値に戻った場合、航空機は安定していると言われます。これは、不安定な条件とは反対の安定性誘導体に反映されます。

この実験では、異なるピッチとヨー角度で気流にさらされるモデル航空機を調べ、尾翼の有無にかかわらず安定性と性能を決定します。

この実験では、異なるピッチとヨー角度で気流にさらされるモデル航空機を調べ、尾翼の有無にかかわらず安定性と性能を決定します。

この実験では、攻撃角度(ピッチ角度とも呼ばれる)とヨー角度を外部に制御する力バランスを持つ空力風洞を使用する必要があります。また、支柱を使用してフォースバランスに取り付けるDC-6B航空機モデルも必要です。

まず、外部バランスをロックし、支柱の効果を単独で分析するために支柱をバランスに取り付け、航空機の測定値から差し引くことができます。ヨーモーターノブを調整して、ヨー角度を0に設定します。

次に、コンピュータの電源を入れ、外力バランスのデータ取得システムをオンにします。テストの前にシステムが30分間ウォームアップできるようにします。

システムがウォームアップされたら、データ取得ソフトウェアを開きます。部屋の圧力と温度を読み、ノートブックにこれらの値を記録します。水銀気圧計に付随する気圧スプレッドシートを使用して、気圧を補正します。

次に、テストセクションと風洞に破片や緩い部品がないことを確認します。次に、テスト セクションのドアを閉じます。外部残高のロックを解除します。次に、風洞速度ダイヤルを 0 に設定します。風洞と風洞冷却システムをオンにします。風速 0 でバランスフォースとモーメントを記録します。

ヨーコントロールを使用して、ヨー角度を5°に調整します。その後、バランスの力とモーメントを 0 風速で再び記録します。10°とゼロ風速のヨー角度でこれらの測定をもう一度繰り返します。次に、ヨーの角度を 0 に戻し、動的圧力を 7 インチの水に設定します。その後、バランスの力とモーメントをもう一度記録します。

次に、ヨーの角度を 5°に設定し、必要に応じて動的圧力を 7 インチの水に戻し、バランスの力とモーメントを記録します。10°のヨー角で同じ測定を繰り返し、必要に応じて動的圧力を7インチの水にリセットします。測定値が記録された後、ヨー角度をゼロに戻し、風洞をオフにします。

モデルDC-6B飛行機のキャリブレーションを開始するには、まず外部バランスをロックし、テストセクションを開きます。次に、尾をオンにした DC-6B モデルを取り付けます。電子レベルを使用してピッチ角度を調整し、必要に応じてゼロに調整します。

テストセクションのドアを閉じた後、外部バランスのロックを解除し、ノーズダウンボタンを押してピッチ角度を-6°に設定します。次に、風洞をオフにしたバランスフォースとモーメントを記録し、モデルの重量を考慮するために必要な補正を取得します。

ピッチ角度を-4°に変更し、前と同じように力と瞬間の測定を繰り返します。2°刻みで10°までの攻撃の角度のためのテストを行います。次に、ピッチ角度をゼロに戻します。ヨー角0,5,10°についても同じテストを行います。すべての角度をテストしたら、外部バランスをロックし、テストセクションを開き、DC-6Bモデルテールを取り外します。

次にテールコーンを取り付け、風洞をオフにしてモデル重量の寄与度を測定します。次に、テストセクションを閉じ、ヨー角度をゼロに設定し、前と同様に-6から10°のすべてのピッチ角度の力と瞬間の測定値を記録します。

これらの測定が完了したら、3つのヨー角度のピッチ角度0で再度テストを繰り返します。完了したら、外部残高をロックします。

次に、ゼロ以外の風速で実験を実行します。まず、試験部で破片や緩んだ部品を確認します。次に、テスト セクションのドアを閉じます。

次に、ピッチ角度をゼロに設定し、外部バランスのロックを解除します。風洞速度ダイヤルをゼロに設定し、風洞をオンにします。空気の流れをオンにする前に、バランスの力と瞬間を記録します。次に、7 インチの水に等しい動的圧力で気流をオンにします。次に、ピッチ角度を -6°に設定し、この設定のバランスフォースとモーメントを記録する前に、必要に応じて 7 インチの水にダイナミック 圧力を調整します。

キャリブレーションステップでテストした各ピッチ角度の測定を繰り返します。その後、ピッチとヨーの角度をゼロに戻します。必要に応じて再び動的圧力を調整し、バランスフォースとモーメントを記録します。前と同様に、キャリブレーション中にテストされたヨー角度の測定を繰り返します。

すべての測定が行われたら、ゆっくりと対気速度をゼロに下げます。次に、外部残高をロックし、テストセクションを開きます。DC-6B テールコーンを取り外し、完全なテールを取り付けます。次に、テストセクションを閉じ、7インチの水の風洞動的圧力で以前にテストされたすべてのピッチ角度とヨー角度の測定を繰り返します。

今回の実験では、従来の機体尾翼と尾翼を取り外した2つの構成で、DC-6B機モデルの性能と安定性特性を得た。

コンフィギュレーションごとに、モデルをオフにしてフォースを減算し、モデルをオフにして風をオンにしてフォースから離れて、支柱の重量を除去するように測定された力を調整します。

次に、モデルをオンにしてフォースを差し引き、モデルをオンにして風をオンにしてフォースから離すことによって、モデルのウェイトの効果を除去します。次に、モデルのウェイト調整力から支柱のウェイト調整力を減算して、支柱の空力効果を除去します。

これらの調整力を使用して、これらの方程式を使用してリフト係数とドラッグ係数を計算できます。ここで、Lはリフトであり、Dはドラッグであり、実験で測定した。S はモデル参照領域で、q は動的圧力です。

リフト係数をピッチ角度に対してプロットすると、航空機の尾部が最大揚力を増加させることがわかりますが、尾部もドラッグを増加させます。次に、投球モーメント係数を見てみましょう。投球の瞬間Mを実験で測定した。

次に、ピッチモーメント係数をピッチ角度に対してプロットします。攻撃角度の増加に伴ってピッチモーメントが増加すると、水平方向に戻ることができないため、航空機は不安定になります。しかし、攻撃の角度が増えるにつれてピッチモーメントが減少した場合、ピッチモーメントはピッチ角度が無限に増加または減少するのを防ぐために作用します。したがって、航空機のより多くの安定性を確保します。

テールオフ構成の場合、ピッチ角度の増加に伴ってピッチ係数が増加し、この構成で航空機が不安定であることを示します。一方、構成上の尾部は逆の動作を示し、ピッチ角度が大きくなるにつれてピッチ係数が減少し、尾部が航空機に安定性を追加することを示します。

同様に、ヨーモーメント係数を計算します。ヨーモーメントNは、我々の実験で測定された。ここでは、ヨーモーメント係数とヨー角度のプロットを示します。

方向安定性のために、正のサイドスリップ角度ベータは、航空機の機首が動きの方向の左を指し、ベータが負の場合は右を指していることを意味します。ヨーモーメント係数は右に正、左に負です。

ただし、ベータが増加するにつれてヨーモーメントが減少すると、テールオフ構成の場合と同様に、航空機はベータ版のゼロ位置に戻る傾向が見えず、不安定です。したがって、安定性を実現するためには、性能の低下が生じても、航空機の尾翼が必要であると結論付けることができます。

要約すると、航空機の空力特性が揚力係数、ドラッグ係数、モーメント係数によってどのように記述されるかを学びました。その後、風洞内のモデルDC-6B飛行機が経験する空力力を測定し、飛行性能と安定性を分析しました。

Results

このデモでは、2つの構成におけるDC-6Bモデルの性能と安定性特性を測定した。1つの構成では、従来の飛行機の尾翼がモデルに取り付けられ(テールオン)、2番目の構成では尾翼を取り外して円間(テールオフ)に置き換えられました。構成ごとに、攻撃角度に伴う揚力係数とドラッグ係数の変動が決定されました(図3)。攻撃角とベータ値に対するピッチモーメント係数とヨーモーメント係数の変動も検討した(図4)。

結果は尾の空力効果を示す。図3では、尾翼は最大揚力とドラッグを増加させるが、全体的にテールは空力性能を低下させる。尾翼がオフの場合、モデルは縦方向および方向的に不安定になります(図4)。したがって、航空機の性能が低下する可能性がある場合でも、安定性を達成するために航空機の尾翼が必要です。


図 3.テールオン構成とテールオフ構成のパフォーマンス評価曲線。A) リフト係数対α;B) ドラッグ係数対α;C) 極性をドラッグします。D) L/D 対 α.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。


図 4.テールオンとテールオフ構成のパフォーマンス評価曲線。A) ピッチモーメント係数対α;B) ヨーモーメント係数対β.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Applications and Summary

風洞の空力バランスを使用して小規模モデルをテストすることで、航空機の主要な空力特性を判断できます。6 コンポーネントバランスは、3 つのフォース コンポーネント、リフト、ドラッグ、横のフォース、および 3 つのモーメント コンポーネント(ピッチ、ヨー、ロール モーメント)を測定します。

フルスケールオブジェクトとモデルの間の動的類似性が達成された場合、例えばレイノルズ数は非圧縮可能な定常流の場合と同じであり、その後、小規模モデルを使用して得られた空力係数は、性能や静的安定性などの本格的な物体と空力特性を決定することができます。

風洞の外部バランスによる力とモーメントの測定には、いくつかの用途があります。この方法は、航空宇宙産業で広く使用されています。しかし、海軍工学、自動車産業、土木工学など、多くの分野で研究開発に成功しています。

海軍工学にはいくつかのアプリケーションがあります。例えば、帆船やレースボートは空力力の影響を大きく受けており、性能を最適化するために船舶への影響を考慮する必要があります。低速船舶設計では、空力力は燃料消費量を削減し、全体的な性能を向上させることを考慮する必要があります。

風洞試験の恩恵を受けるもう一つの産業は、自動車産業です。風洞試験は、車が経験するドラッグ力、横の力、瞬間を決定するために使用されます。この技術は、より競争力と効率的な設計につながるので、これは今、新しい車の開発のための標準的なプラクティスです。

力測定のための風洞試験は性能の最適化に限定されない。現代の土木産業では、風洞試験は安全性を高めるために使用されます。強い突風の影響を受ける背の高くて細い超高層ビルがあります。これらの突風は、建物の崩壊を避けるために建物の設計に考慮する必要がある高い負荷を生成します。これは、安全を確保するために風洞でテストする必要がある橋にも当てはまります。

材料リスト:

名前 会社 カタログ番号 コメント
機器
低速風洞 Sdsu 0-180 mphの範囲の速度が付いている閉鎖された戻りのタイプ
テストセクションサイズ45W-32H-67Lインチ
DC-6Bフルモデル Sdsu 参照領域 = 93.81 in2
平均弦の長さ = 3.466 インチ
スパン = 27.066 インチ
アスペクト比 = 7.809
モーメント参照 Z 距離 (in) = 0*
モーメントリファレンス X 距離 (インチ) = 0*
外部エアロダイナミクスフォースバランス Sdsu 6成分、ロードセル、ひずみゲージタイプバランスシステムは、以下の負荷限界を有する。
リフト = 150 ポンド;ドラッグ = 50 ポンド;サイドフォース100ポンド;ピッチ 1000 ポンドイン;ロール 1000 ポンドイン;ヨー1000ポンドイン。
デジタルサービスモジュール スキャニバルブ DSM4000
バロメーター
マノメータ メリアム・インスツルメンツ株式会社 34FB8 10″の範囲の水のマノメーター。
温度計

Transcript

In order to operate an aircraft in three dimensions, we must be able to control its attitude, or orientation, in three dimensions. Thus, we define three principal axes to describe an airplane’s position and any changes made to it. The origin of these three axes is located at the aircraft’s center of gravity, which is the average location of its mass.

The yaw axis is perpendicular to the aircraft’s wings and describes its motion from side to side. The pitch axis is oriented parallel to the wing and perpendicular to the yaw axis. Pitch motion is the up and down motion of the nose. Finally, the roll axis runs the length of the aircraft and describes the vertical movement of the wings.

To evaluate the aerodynamic characteristics of an aircraft as it changes position in these directions, we can measure several different coefficients that describe lift, drag, and moment. The lift and drag coefficients are dimensionless values that enable us to model the complex effects of shape and flow on lift and drag.

The lift and drag coefficients are defined as shown, where L and D are lift and drag, and S is the reference area of the aircraft model. Rho and V are the density and velocity of the free stream. We can simplify rho V squared over two to the dynamic pressure, q.

Similarly, engineers measure the pitching moment coefficient, which is a dimensionless value that describes the torque produced by forces on the aircraft in the direction of the pitch axis, called the pitching moment.

Like the lift and drag coefficients, the pitching moment coefficient is defined as shown, where M is the pitching moment, q is the dynamic pressure, and S and C are the reference area and reference length of the aircraft.

Finally, we can measure the yaw moment coefficient, which describes the torque produced in the direction of the yaw axis. This coefficient is defined as shown, where N is the yaw moment, and B is the wingspan on the aircraft.

Engineers use these coefficients to study aircraft performance and stability. The stability derivatives, taken with respect to the pitch or yaw angles, indicate whether the aircraft is stable or unstable.

For example, if the angle of attack, alpha, is suddenly increased by a wind gust, the aircraft’s response determines its stability.If the angle of attack keeps increasing indefinitely, the aircraft is unstable. This is shown by a positive stability derivative, showing that the pitching moment coefficient continues to increase with alpha.

The same is true for directional instability with respect to yaw angle beta, which gives a negative stability coefficient. If the angle of attack or yaw angle return to their initial values, then the aircraft is said to be stable. This is reflected in the stability derivatives, which are opposite to the unstable conditions.

In this experiment, we will examine a model aircraft as it is exposed to airflow at different pitch and yaw angles and determine its stability and performance with and without its tail.

In this experiment, we will examine a model aircraft as it is exposed to airflow at different pitch and yaw angles and determine its stability and performance with and without its tail.

For this experiment, you’ll need to use an aerodynamic wind tunnel with a force balance that controls the angle of attack, also called the pitch angle, and the yaw angle externally during the experiment. You’ll also need a DC-6B aircraft model that attaches to the force balance using struts.

To begin, lock the external balance and install the struts on the balance to analyze the effects of the struts alone, so they can be subtracted out of the airplane measurements. Set the yaw angle to 0 by adjusting the yaw motor knob.

Now turn on the computer and turn on the data acquisition system for the external force balance. Allow the system to warm up for 30 min prior to testing.

Once the system has warmed up, open the data acquisition software. Read the room pressure and temperature and record these values in your notebook. Correct the barometric pressure, using the barometer spreadsheet that accompanies the mercury barometer.

Now make sure that the test section and wind tunnel are free of debris and loose parts. Then close the test section doors. Unlock the external balance. Then set the wind tunnel speed dial to 0. Turn on the wind tunnel and the wind tunnel cooling system. Record the balance forces and moments with the wind speed at 0.

Now adjust the yaw angle to 5° using the yaw control. Then record the balance forces and moments again at 0 wind speed. Repeat these measurements again at a yaw angle of 10° and zero wind speed. Now set the yaw angle back to 0 and then set the dynamic pressure to 7 inches of water. Then record the balance forces and moments again.

Now, set the yaw angle to 5°, adjust the dynamic pressure back to 7 inches of water, if necessary, and then record the balance forces and moments. Repeat the same measurements at a yaw angle of 10°, resetting the dynamic pressure back to 7 inches of water, if necessary.After the measurements have been recorded, return the yaw angle to zero, and turn off the wind tunnel.

To begin calibration of the model DC-6B airplane, first lock the external balance and open the test section. Then install the DC-6B model with the tail on. Calibrate the pitch angle using an electronic level and make adjustments to zero if needed.

After closing the test section doors, unlock the external balance, press the nose down button to set the pitch angle to -6°. Now record the balance forces and moments with the wind tunnel off to acquire the correction needed to account for the model’s weight.

Change the pitch angle to -4° and repeat the measurement of the force and moments as before. Conduct the test for angles of attack up to 10° with 2° increments. Then return the pitch angle to zero. Now conduct the same test for the yaw angles 0,5,and 10°. When all of the angles have been tested, lock the external balance, open the test section, and remove the DC-6B model tail.

Then install the tail cone, so that we can measure the model weight contribution with the wind tunnel off. Now close the test section, set the yaw angle to zero, and record the force and moment measurements for all of the pitch angles from -6 to 10°, as before.

Once those measurements are complete, repeat the test again at a pitch angle of0 for the three yaw angles. When complete, lock the external balance.

Now we’ll run the experiment with a non-zero wind speed. To begin, check the test section for debris and loose parts. Then, close the test section doors.

Next, set the pitch angle to zero and unlock the external balance. Set the wind tunnel speed dial to zero, then turn on the wind tunnel. Record the balance forces and moments before turning on the airflow. Now turn on the airflow with the dynamic pressure equal to 7 inches of water. Then set the pitch angle to -6°, and adjust the dynamic pressure back to 7 inches of water, if needed, before recording the balance forces and moments for this setting.

Repeat the measurement for each of the pitch angles tested in the calibration steps. Then return the pitch and yaw angles to zero. Adjust the dynamic pressure again if needed, and then record the balance forces and moments. Like before, repeat the measurements for the yaw angles tested during the calibration.

Once all of the measurements have been taken, slowly decrease the air speed to zero. Now lock the external balance and open the test section. Remove the DC-6B tail cone and install the complete tail. Then close the test section and repeat the measurements for all of the pitch angles and yaw angles tested previously with a wind tunnel dynamic pressure of 7 inches of water.

In this experiment, we obtained performance and stability characteristics of a DC-6B aircraft model in two configurations, with the conventional airplane tail and with the tail removed.

For each configuration, adjust the measured forces to remove the weight of the strut by subtracting the forces with the model off and wind off from the forces with the model off and the wind on.

Then remove the effect of the weight of the model by subtracting the forces with model on and wind off from the forces with the model on and wind on. Then remove the aerodynamic effect of the struts by subtracting the weight adjusted forces of the struts from the weight adjusted forces of the model.

Using these adjusted forces, we can calculate the lift coefficient and drag coefficient using these equations. Here, L is the lift and D is the drag, which were measured in the experiment. S is the model reference area and q is the dynamic pressure.

Now if we plot the lift and drag coefficients against the pitch angle, we can see that the tail on the aircraft increases the maximum lift, but the tail also increases the drag. Next, let’s look at the pitching moment coefficient.The pitching moment, M, was measured in our experiments.

Then, we’ll plot the pitch moment coefficient against the pitch angle. Remember that if the pitch moment increases with increasing angle of attack, the aircraft is unstable, as it is unable to return to level heading. But if the pitch moment decreases with increasing angle of attack, the pitch moment acts to prevent the pitch angle from increasing or decreasing indefinitely; thus, ensuring more stability in the aircraft.

For the tail off configuration, the pitch coefficient increases with the increase of the pitch angle, showing that the aircraft is unstable in this configuration. On the other hand, the tail on configuration exhibits the opposite behavior, where the pitch coefficient decreases as the pitch angle increases, showing that the tail adds stability to the aircraft.

Similarly, we will calculate the yaw moment coefficient. The yaw moment, N, was measured in our experiments. Here we show a plot of the yaw moment coefficient versus the yaw angle.

For directional stability, a positive side slip angle beta means that the aircraft nose is pointing to the left of the direction of motion, and to the right if beta is negative. The yaw moment coefficient is positive to the right and negative to the left.

However, if the yaw moment decreases as beta increases, as it does for the tail off configuration, the airplane does not tend to return to the zero beta position and is unstable. Therefore, we can conclude that the airplane tail is necessary to achieve stability, even though it results in some performance reduction.

In summary, we learned how the aerodynamic characteristics of an aircraft are described by its lift, drag, and moment coefficients. We then measured the aerodynamic forces experienced by model DC-6B airplane in a wind tunnel to analyze its flight performance and stability.