クラークY-14ウィング性能:ハイリフトデバイス(フラップとスラット)の展開

Aeronautical Engineering

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Concepts

出典:デビッド・グオ、工学・技術・航空学部(CETA)、南ニューハンプシャー大学(SNHU)、マンチェスター、ニューハンプシャー州

翼は、飛行機の主要な揚力発生装置です。翼の性能は、離陸または着陸時にフラップ(後縁)やスラット(リーディングエッジ)などの高リフトデバイスを展開することで、さらに向上させることができます。

この実験では、風洞を利用して特定の対気速度を生成し、フラップとスラットを備えたクラークY-14翼を使用して、リフト、ドラッグ、ピッチングモーメント係数などのデータを収集および計算します。図 1 に示すクラーク Y-14 翼は、厚さが 14% で、弦の 30% から背面まで下面で平坦です。ここでは、風洞試験を使用して、クラークY-14翼の空力性能がフラップやスラットなどの高リフト装置の影響を受ける方法を示します。

図 1.クラークY-14翼のプロフィール。

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JoVE Science Education Database. 航空工学. クラークY-14ウィング性能:ハイリフトデバイス(フラップとスラット)の展開. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

離着陸時の航空機の速度は比較的低くなります。十分な揚力を生成するには、翼面積を大きくしたり、翼の先頭と後縁の翼の形状を変更したりする必要があります。これを行うには、スラットが先頭のエッジで使用され、フラップが後縁に使用されます。フラップとスラットは、翼の中または外に移動できます。フラップとスラットの展開には、2 つの効果があります。それは翼の区域および上昇を増加させる翼の有効なキャンバーを増加させる。また、フラップやスラットの展開も航空機のドラッグを増加させます。図 2 は、フラップとスラットを備えた翼の巡航、離陸、着陸の構成を示しています。

図 2.様々な翼フラップとスラット構成。

飛行中、航空機の翼は、図 3 (a) に示すように、結果として生じる空力力と瞬間に絶えずさらされます。得られる力Rは、2つの成分に分解することができる。通常、1つの成分は、遠流速度の方向に沿って、V∞はドラッグ、Dと呼ばれ、他の成分はリフト、Lと呼ばれる方向に垂直である。

その瞬間、Mは飛行機の機首を上下に動かすので、ピッチングモーメントと呼ばれる。風洞試験では、通常、通常、通常、通常、軸力が直接測定されます。通常、N、および軸力Aは、図3(b)に示すように、攻撃角度αを持ち上げてドラッグすることに関連している。攻撃角度は、遠流速度方向と翼翼の弦との間の角度として定義される。

図 3(a)。結果として生じる空力力と瞬間。

図 3(b)。得た力Rの分解。

2 つの力のペアは、次のように表現することもできます。

ここでαは攻撃の角度です。

翼の非次元リフト係数CLは、次のように定義されます。

ここでLは揚力であり、自由流密度に基づく動的圧力であり、ε∞、対気速度、V∞、およびSは翼の基準領域である。

同様に、翼の非次元ドラッグ係数は次のように定義されます。

揚力とドラッグからの結果として生じる空力力は、圧力の中心と呼ばれる翼(または翼)上の点に位置しています。しかし、圧力の中心の位置は固定された位置ではなく、むしろ攻撃の角度に基づいて移動する。したがって、すべての力とモーメントを四分の一のコードポイント(先端からコード長の距離1/4)に移動すると便利です。これは、クォーターコード、Mc/4についてのピッチングモーメントと呼ばれています。

図 4.クォーターコードについてのピッチングモーメント。

ピッチングモーメント係数、CM、c/4、約四半期和音は次のように定義されます。

M c/4はクォーターコードに関するピッチングモーメントで、cは翼の弦の長さです。

翼の性能は、レイノルズ番号Reに依存します。

パラメータμは流体の動的粘度です。

このデモでは、図4に示すように、単純なフラップとシンプルなスラットを備えたクラークY-14翼の性能を風洞で評価します。翼は、図5に示されているスティングバランスと呼ばれる装置に取り付けられ、通常の力、N、および軸力Aを測定する。

図 5.フラップとスラットを持つクラークY-14翼。

Procedure

  1. この手順では、1 フィート x 1 フィートのテスト セクションと 140 mph の最大動作対気速度を持つ空力風洞を使用します。風洞には、データ取得システム(攻撃角度、通常の力、軸力、ピッチングモーメントを測定できる)とスティングバランスを備えている必要があります。
  2. テストセクションを開き、スティングバランスに翼を取り付けます。クリーンウィング構成から始めます。
  3. スティングバランスにハンドヘルド傾斜計を配置し、ピッチ角度調整ノブを調整して、スティングバランスピッチを水平に設定します。
  4. スティングバランスを水平にすると、攻撃角度を引き出します(風洞コンピュータデータ表示パネルのピッチ角度と呼ばれています)。
  5. 攻撃のゼロ角度ですべての力、瞬間と対気速度の読み取り値をタレ。
  6. -8°に攻撃の角度を調整し、すべての通常の力、軸力とピッチングモーメントの測定値を記録することにより、風の測定値を収集しません。
  7. -8°から18°までのピッチ角度の無風測定を2°刻みで繰り返します。
  8. 攻撃角度を-8°に戻し、風洞を時速60マイルで走らせる通常の力、軸力、ピッチングモーメントを-8°から18°まで2°刻みで収集します。
  9. スラットを調整して、スロットに約3/8を持たるように調整して、翼を2番目の構成に調整します。手順 3 ~ 8 を繰り返します。
  10. 翼を 3 番目の構成に調整し、フラップを弦線に対して 45° に設定し、スラットを展開しません。手順 3 ~ 8 を繰り返します。
  11. スラットとフラップの両方を展開して、翼を 4 番目のコンフィギュレーションに調整します(図 5)。手順 3 ~ 8 を繰り返します。

翼は飛行機の主要な揚力発生装置であり、その幾何学は性能の鍵である。まず、リフトは、上面と下部サーフェス間の圧力差によって発生する空気力力であることを思い出してください。総上昇率は、翼の表面積に比例します。したがって、表面積が高いほど揚力が増加します。

リフトは、翼と呼ばれる翼断面の形状の影響も受けます。翼の弦線が先頭と末尾のエッジを接続していることを思い出してください。キャンバーと呼ばれる別のプロパティは、2 つのサーフェス間の非対称性を表します。翼の大部分は、彼らが凸性であることを意味し、正のキャンバーを持っています。表面積と同様に、キャンバーを増やすと揚力が増加します。

離着陸時の風速は比較的遅いため、十分な揚力を生み出すために、翼の先頭と後縁にデバイスを配置することで、表面積とキャンバーが増加します。翼の前縁にあるデバイスはスラットと呼ばれ、後縁のデバイスはフラップと呼ばれています。スラットとフラップは、必要に応じて翼に出入りできます。

スラットとフラップの展開は、揚力を増加させる一方で、それはまた、揚力に反対して作用する航空機のドラッグ力を増加させます。L と D がそれぞれリフトとドラッグであるリフト係数とドラッグ係数をそれぞれ計算することで、これらの力の両方を定量化できます。ローインフィニティとVインフィニティは自由な流れ密度と速度で、Sは翼の基準領域です。

リフトは、自然界における分配力として、圧力の中心に位置する単一の集中力に等化または簡素化することができる。ただし、攻撃角度が変化するにつれて、この位置は前方または後方に移動します。そこで代わりに、力について話し合う際に、翼の空力中心を指します。

翼の空力中心は、変化する攻撃角度によってピッチングモーメント係数が効果的に変化しない場所です。ピッチングモーメントを表現するもう一つの典型的な方法は、ピッチングモーメント係数を使用することです。この非次元係数は、M C/4 が 1/4 コードポイントに関するピッチング モーメントである、図のように計算されます。

デモンストレーションでは、翼の空力中心に近い1/4弦でピッチングモーメントを測定します。今回の実験では、クラークY-14翼を、様々な攻撃の角度から簡単なフラットとスラットで研究します。次に、リフト、ドラッグ、ピッチングモーメントを分析し、各コンフィギュレーションのパフォーマンス特性を決定します。

この実験では、1 フィート x 1 フィートのテスト セクションと最大動作対気速度 140 mph の空力風洞を使用します。風洞には、データ取得システムと、正常な力と軸力の両方を測定するスティングバランスを備えている必要があります。

さて、付属のフラップとスラットを持つクラークY-14ウィングモデルを入手してください。フラップもスラットも展開されていないクリーンウィング構成でテストを開始します。次に、テストセクションを開き、スティングバランスに翼を取り付けます。

風洞のテストセクションの下にあるピッチ角度調整ノブを操作し、スティングバランスピッチを水平に調整します。ハンドヘルド傾斜計を使用してピッチ角度を測定し、ピッチを調整してゼロの読み取り値に到達します。テストセクションを閉じ、風洞表示のピッチ角度を引き出します。次に、データ集録システム上のすべての力、瞬間、対気速度の読み取り値を引き出します。

さて、攻撃角度とも呼ばれるピッチ角度をマイナス8°に調整し、すべての軸力、通常の力、ピッチングモーメントの読み取り値を記録して、風のない測定を行います。マイナス 8 ~ 18° までのピッチ角度の無風測定を 2° 増分で繰り返します。すべての無風測定が行われたら、ピッチ角度をマイナス8°に戻します。

次に、風洞をオンにし、対気速度を 60 mph に上げます。マイナス8°から18°までのピッチ角度の軸力、通常の力、ピッチングモーメントを2°刻みで読み取ります。クリーンウィングですべての測定が完了したら、風洞をオフにしてテストセクションを開きます。

翼を新しい構成に調整し、スラットを調整して、スロットの約 3/8 を持たるように調整します。最初にマイナス8~18°ピッチの角度を2°刻みで無風測定を行うことで、クリーンウィングとまったく同じ方法で実験を再実行します。その後、60 mph で同じ測定値を収集します。

これらの測定が完了したら、弦線とスラットが展開されていない場合に対してフラップを 45° に設定した 3 番目のコンフィギュレーションに翼を変更します。その後、前と同様に測定値を再実行します。最後に、スラットとフラップの両方が展開されている 4 番目の構成に翼を調整し、実験を繰り返します。

それでは、結果を解釈してみましょう。データを分析するには、まず、図に示すように定義されている各ピッチ角度で非次元リフト係数を計算します。ローインフィニティはフリーストリーム密度、V無限大は自由流速、Sは翼の基準領域です。これらの値はすべて既知です。

リフト L は、2 つの力ペアの関係として計算され、N は通常の力であり、A は軸力です。いずれも刺し傷バランスで測定した。アルファは、この実験では、ピッチ角度とも呼ばれる攻撃の角度です。次に、4 つのコンフィギュレーションのそれぞれに対するリフト係数とピッチ角度のプロットを見てみましょう。

クリーンウィングとスラット構成曲線を比較すると、2つのカーブが攻撃の低い角度でほぼ重なっていることがわかります。しかし、クリーンウィングリフトカーブは約12°でピークしますが、スラットカーブは増加し続けます。これは、スラットを使用して揚力を増やすことができることを示します。クリーンウィングとフラップリフトカーブを比較すると、フラップが攻撃範囲全体の角度にわたって揚力を増加させることがわかります。スラットとフラップの両方を同時に展開すると、両方のデバイスの利点が組み合わされ、最大リフトがさらに高くなります。

次に、図に示すように定義されている各角度のドラッグ係数を計算します。ドラッグ D は、法線力ペアと軸力ペアの関係としても定義されます。各コンフィギュレーションのドラッグ係数を比較すると、フラップとスラットを展開するとドラッグが劇的に増加することがわかります。結果として生じる空気力力Rは、ドラッグアンドリフトから、圧力の中心と呼ばれる翼上の点に位置しています。

圧力の中心は固定された位置ではなく、攻撃の角度を変え、移動します。したがって、1/4 コードポイントに関するすべての力とモーメントを計算する方が便利です。次に、スティングバランスで測定される1/4弦の投球モーメントを用いて、図のように投球モーメント係数を計算することができる。

最後に、各構成とピッチ角度のピッチングモーメント係数を見ると、フラップを展開したピッチングモーメント係数が負の政権に入ることがわかります。つまり、圧力の中心はフラップを展開した後縁に向かってシフトします。

要約すると、航空機の性能を向上させるためにリフト生成装置がどのように使用されるかを学びました。次に、風洞内のクラークY-14翼を評価し、フラップとスラットがリフト、ドラッグ、ピッチングモーメントにどのように影響するかを確認しました。

Results

クリーンウィング構成の結果を表1に示す。図 6 - 8 は、4 つの構成すべてについて、3 つの係数と攻撃角度の対 α を示しています。図 6 から、フラップとスラットの両方がリフト係数を強化しましたが、方法は異なります。クリーンウィングとスラットリフトカーブを比較すると、2つのカーブは攻撃の低い角度でほぼ重なっています。クリーンウィングリフトカーブは12°で約0.9にピークしますが、スラットカーブは1に上昇し続けます。4 18°で。これは、スラットを使用して揚力を増やすことができることを示します。クリーンウィングとフラップリフトカーブを比較すると、フラップは攻撃範囲全体の角度にわたって揚力を増加させます。また、スラットとフラップの両方が同時に展開されている場合、効果は累積され、最大リフトはさらに高くなります。

図 7 の各コンフィギュレーションのドラッグ係数を比較すると、フラップとスラットの両方を展開すると、ドラッグ係数が大幅に増加します。最後に、図 8 に示すように、フラップが展開されると、ピッチング モーメント係数が負の政権に入ります。つまり、圧力の中心はフラップを展開した後縁に向かってシフトします。

表 1.クリーンウィング構成の実験結果。

攻撃角度 (°) 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、CM、c/4
-8 -0.022 0.015 -0.129
-6 -0.029 0.014 -0.059
-4 0.096 0.016 -0.059
-2 0.208 0.011 -0.054
0 0.353 0.006 -0.065
2 0.460 0.004 -0.053
4 0.548 0.032 -0.051
6 0.708 0.015 -0.062
8 0.789 0.025 -0.061
10 0.849 0.031 -0.061
12 0.873 0.045 -0.056
14 0.856 0.058 -0.089
16 0.803 0.080 -0.125
18 0.803 0.092 -0.128

図 6.リフト係数対攻撃角、α。

図 7.ドラッグ係数対攻撃角、α。

図 8.ピッチングモーメント係数対攻撃角、α。

表 2.計算に使用されるパラメータ。

パラメーター
空気密度、ε 0.00230 スラッグ/フィート3
密度,εL 1.935 スラッグ/フィート3
重力加速度,g 32.17 フィート/s2
度、m 3.79 x 10-7ポンドフィート2
フリーストリーム対気速度、V∞ 60 マイル/時
レイノルズ番号、Re 1.56×105
弦の長さ、c 3.5 で
ウィングエリア、S 35 in2

Applications and Summary

リフトの生成は、フラップやスラットなどの高リフトデバイスの展開によって強化することができます。ほとんどの航空機にはフラップが装備されており、すべての商用輸送機にはフラップとスラットの両方があります。航空機開発中にフラップとスラットを備えた翼の性能を特徴付けるのが重要です。

このデモンストレーションでは、フラップとスラットを持つクラークY-14翼を風洞で評価しました。力および瞬間の測定はフラップおよびスラットの配置の有無にかかわらず翼の上昇、ドラッグおよび投げの瞬間係数を決定するために集められた。結果は、フラップとスラットを展開するとリフト係数が増加することを示しています。しかし、これはまた、ドラッグとピッチングの瞬間の劇的な増加をもたらした。

References

  1. John D. Anderson (2017), Fundamentals of Aerodynamics, 6th Edition, ISBN: 978-1-259-12991-9, McGraw-Hill
  1. この手順では、1 フィート x 1 フィートのテスト セクションと 140 mph の最大動作対気速度を持つ空力風洞を使用します。風洞には、データ取得システム(攻撃角度、通常の力、軸力、ピッチングモーメントを測定できる)とスティングバランスを備えている必要があります。
  2. テストセクションを開き、スティングバランスに翼を取り付けます。クリーンウィング構成から始めます。
  3. スティングバランスにハンドヘルド傾斜計を配置し、ピッチ角度調整ノブを調整して、スティングバランスピッチを水平に設定します。
  4. スティングバランスを水平にすると、攻撃角度を引き出します(風洞コンピュータデータ表示パネルのピッチ角度と呼ばれています)。
  5. 攻撃のゼロ角度ですべての力、瞬間と対気速度の読み取り値をタレ。
  6. -8°に攻撃の角度を調整し、すべての通常の力、軸力とピッチングモーメントの測定値を記録することにより、風の測定値を収集しません。
  7. -8°から18°までのピッチ角度の無風測定を2°刻みで繰り返します。
  8. 攻撃角度を-8°に戻し、風洞を時速60マイルで走らせる通常の力、軸力、ピッチングモーメントを-8°から18°まで2°刻みで収集します。
  9. スラットを調整して、スロットに約3/8を持たるように調整して、翼を2番目の構成に調整します。手順 3 ~ 8 を繰り返します。
  10. 翼を 3 番目の構成に調整し、フラップを弦線に対して 45° に設定し、スラットを展開しません。手順 3 ~ 8 を繰り返します。
  11. スラットとフラップの両方を展開して、翼を 4 番目のコンフィギュレーションに調整します(図 5)。手順 3 ~ 8 を繰り返します。

翼は飛行機の主要な揚力発生装置であり、その幾何学は性能の鍵である。まず、リフトは、上面と下部サーフェス間の圧力差によって発生する空気力力であることを思い出してください。総上昇率は、翼の表面積に比例します。したがって、表面積が高いほど揚力が増加します。

リフトは、翼と呼ばれる翼断面の形状の影響も受けます。翼の弦線が先頭と末尾のエッジを接続していることを思い出してください。キャンバーと呼ばれる別のプロパティは、2 つのサーフェス間の非対称性を表します。翼の大部分は、彼らが凸性であることを意味し、正のキャンバーを持っています。表面積と同様に、キャンバーを増やすと揚力が増加します。

離着陸時の風速は比較的遅いため、十分な揚力を生み出すために、翼の先頭と後縁にデバイスを配置することで、表面積とキャンバーが増加します。翼の前縁にあるデバイスはスラットと呼ばれ、後縁のデバイスはフラップと呼ばれています。スラットとフラップは、必要に応じて翼に出入りできます。

スラットとフラップの展開は、揚力を増加させる一方で、それはまた、揚力に反対して作用する航空機のドラッグ力を増加させます。L と D がそれぞれリフトとドラッグであるリフト係数とドラッグ係数をそれぞれ計算することで、これらの力の両方を定量化できます。ローインフィニティとVインフィニティは自由な流れ密度と速度で、Sは翼の基準領域です。

リフトは、自然界における分配力として、圧力の中心に位置する単一の集中力に等化または簡素化することができる。ただし、攻撃角度が変化するにつれて、この位置は前方または後方に移動します。そこで代わりに、力について話し合う際に、翼の空力中心を指します。

翼の空力中心は、変化する攻撃角度によってピッチングモーメント係数が効果的に変化しない場所です。ピッチングモーメントを表現するもう一つの典型的な方法は、ピッチングモーメント係数を使用することです。この非次元係数は、M C/4 が 1/4 コードポイントに関するピッチング モーメントである、図のように計算されます。

デモンストレーションでは、翼の空力中心に近い1/4弦でピッチングモーメントを測定します。今回の実験では、クラークY-14翼を、様々な攻撃の角度から簡単なフラットとスラットで研究します。次に、リフト、ドラッグ、ピッチングモーメントを分析し、各コンフィギュレーションのパフォーマンス特性を決定します。

この実験では、1 フィート x 1 フィートのテスト セクションと最大動作対気速度 140 mph の空力風洞を使用します。風洞には、データ取得システムと、正常な力と軸力の両方を測定するスティングバランスを備えている必要があります。

さて、付属のフラップとスラットを持つクラークY-14ウィングモデルを入手してください。フラップもスラットも展開されていないクリーンウィング構成でテストを開始します。次に、テストセクションを開き、スティングバランスに翼を取り付けます。

風洞のテストセクションの下にあるピッチ角度調整ノブを操作し、スティングバランスピッチを水平に調整します。ハンドヘルド傾斜計を使用してピッチ角度を測定し、ピッチを調整してゼロの読み取り値に到達します。テストセクションを閉じ、風洞表示のピッチ角度を引き出します。次に、データ集録システム上のすべての力、瞬間、対気速度の読み取り値を引き出します。

さて、攻撃角度とも呼ばれるピッチ角度をマイナス8°に調整し、すべての軸力、通常の力、ピッチングモーメントの読み取り値を記録して、風のない測定を行います。マイナス 8 ~ 18° までのピッチ角度の無風測定を 2° 増分で繰り返します。すべての無風測定が行われたら、ピッチ角度をマイナス8°に戻します。

次に、風洞をオンにし、対気速度を 60 mph に上げます。マイナス8°から18°までのピッチ角度の軸力、通常の力、ピッチングモーメントを2°刻みで読み取ります。クリーンウィングですべての測定が完了したら、風洞をオフにしてテストセクションを開きます。

翼を新しい構成に調整し、スラットを調整して、スロットの約 3/8 を持たるように調整します。最初にマイナス8~18°ピッチの角度を2°刻みで無風測定を行うことで、クリーンウィングとまったく同じ方法で実験を再実行します。その後、60 mph で同じ測定値を収集します。

これらの測定が完了したら、弦線とスラットが展開されていない場合に対してフラップを 45° に設定した 3 番目のコンフィギュレーションに翼を変更します。その後、前と同様に測定値を再実行します。最後に、スラットとフラップの両方が展開されている 4 番目の構成に翼を調整し、実験を繰り返します。

それでは、結果を解釈してみましょう。データを分析するには、まず、図に示すように定義されている各ピッチ角度で非次元リフト係数を計算します。ローインフィニティはフリーストリーム密度、V無限大は自由流速、Sは翼の基準領域です。これらの値はすべて既知です。

リフト L は、2 つの力ペアの関係として計算され、N は通常の力であり、A は軸力です。いずれも刺し傷バランスで測定した。アルファは、この実験では、ピッチ角度とも呼ばれる攻撃の角度です。次に、4 つのコンフィギュレーションのそれぞれに対するリフト係数とピッチ角度のプロットを見てみましょう。

クリーンウィングとスラット構成曲線を比較すると、2つのカーブが攻撃の低い角度でほぼ重なっていることがわかります。しかし、クリーンウィングリフトカーブは約12°でピークしますが、スラットカーブは増加し続けます。これは、スラットを使用して揚力を増やすことができることを示します。クリーンウィングとフラップリフトカーブを比較すると、フラップが攻撃範囲全体の角度にわたって揚力を増加させることがわかります。スラットとフラップの両方を同時に展開すると、両方のデバイスの利点が組み合わされ、最大リフトがさらに高くなります。

次に、図に示すように定義されている各角度のドラッグ係数を計算します。ドラッグ D は、法線力ペアと軸力ペアの関係としても定義されます。各コンフィギュレーションのドラッグ係数を比較すると、フラップとスラットを展開するとドラッグが劇的に増加することがわかります。結果として生じる空気力力Rは、ドラッグアンドリフトから、圧力の中心と呼ばれる翼上の点に位置しています。

圧力の中心は固定された位置ではなく、攻撃の角度を変え、移動します。したがって、1/4 コードポイントに関するすべての力とモーメントを計算する方が便利です。次に、スティングバランスで測定される1/4弦の投球モーメントを用いて、図のように投球モーメント係数を計算することができる。

最後に、各構成とピッチ角度のピッチングモーメント係数を見ると、フラップを展開したピッチングモーメント係数が負の政権に入ることがわかります。つまり、圧力の中心はフラップを展開した後縁に向かってシフトします。

要約すると、航空機の性能を向上させるためにリフト生成装置がどのように使用されるかを学びました。次に、風洞内のクラークY-14翼を評価し、フラップとスラットがリフト、ドラッグ、ピッチングモーメントにどのように影響するかを確認しました。

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