Overview
מקור: דייוויד גואו, המכללה להנדסה, טכנולוגיה ואווירונאוטיקה (CETA), אוניברסיטת דרום ניו המפשייר (SNHU), מנצ'סטר, ניו המפשייר
כנף היא המנגנון העיקרי ליצירת מעלית במטוס. ניתן לשפר עוד יותר את ביצועי הכנף על-ידי פריסת התקנים בעלי הרמה גבוהה, כגון מדפים (בקצה הנגרר) ולוחות (בקצה המוביל) במהלך ההמראה או הנחיתה.
בניסוי זה, מנהרת רוח משמשת ליצירת במהירות אווירית מסוימת, וכנף קלארק Y-14 עם דש ולוח משמשת לאיסוף וחישוב נתונים, כגון מקדם רגע המעלית, הגרירה וההגשה. מטח אוויר קלארק Y-14 מוצג באיור 1 ועוביו 14% והוא שטוח על המשטח התחתון מ-30% מהאקורד לגב. כאן, בדיקות מנהרת רוח משמש כדי להדגים כיצד הביצועים האווירודינמיים של אגף קלארק Y-14 מושפעים ממכשירים בעלי הרמה גבוהה, כגון מדפים ולוחות.
איור 1. פרופיל נייר אלומיניום אווירי קלארק Y-14.
Principles
מהירות המטוס נמוכה יחסית במהלך ההמראה והנחיתה. כדי ליצור מעלית מספקת, יש צורך להגדיל את שטח הכנף ו / או לשנות את צורת חיל האוויר בקצוות המובילים והנגררים של הכנף. כדי לעשות זאת, לוחות משמשים בקצה המוביל, מדפים משמשים על הקצה נגרר. המדפים והפלטות יכולים לנוע לתוך הכנפיים או מהן. פריסת המדפים ואת לוחות יש שתי השפעות; זה מגדיל את שטח הכנף ואת camber יעיל של חיל האוויר, אשר מגביר את המעלית. בנוסף, פריסת מדפים ולוחות גם מגבירה את גרירת המטוס. איור 2 מציג תצורות שיוט, המראה ונחיתה של כנף עם דש וליט.
איור 2. דש כנף ותצורות שונות.
במהלך הטיסה, כנף המטוס נתונה ללא הרף לכוח אווירודינמי ולרגע כתוצאה מכך, כפי שמוצג באיור 3(א). הכוח המתקבל, R, יכול להיות מפורק לשני רכיבים. בדרך כלל, רכיב אחד הוא לאורך הכיוון של מהירות הזרם הרחוק, V∞, אשר נקרא גרור, D, והרכיב השני הוא מאונך לכיוון, אשר נקרא להרים, L.
הרגע, M, מזיז את האף של המטוס למעלה או למטה, ולכן, זה נקרא רגע ההגשה. בבדיקות מנהרות רוח, הכוחות הרגילים והסקסיים נמדדים בדרך כלל ישירות. הכוחות הנורמליים, Nוהקסיאליים, A,קשורים למעלית וגרירה דרך זווית ההתקפה, α, כפי שמוצג באיור 3(ב). זווית ההתקפה, מוגדרת כזווית בין כיוון מהירות הזרם הרחוק לבין אקורד חיל האוויר של הכנף.
איור 3(א). כוח אווירודינמי ורגע.
איור 3(ב). הפירוק של הכוח שנוצר, ר.
שני זוגות הכוח יכולים להתבטא גם כדלקמן:
איפה α הוא זווית ההתקפה.
מקדם המעלית הלא ממדי, CL, עבור כנף מוגדר כ:
כאשר L הוא המעלית, 
הוא הלחץ הדינמי המבוסס על צפיפות הזרם החופשי, ρ∞, ואת airspeed, V∞, ו S הוא אזור הייחוס של הכנף.
באופן דומה, מקדם הגרירה הלא ממדי עבור כנף מוגדר כ:
הכוח האווירודינמי הנובע מהמעלית והגרירה ממוקם בנקודה על הכנף (או חיל האוויר) הנקרא מרכז הלחץ. עם זאת, המיקום של מרכז הלחץ אינו מיקום קבוע, אלא, הוא נע על סמך זווית ההתקפה. לכן, נוח להעביר את כל הכוחות ואת הרגעים לנקודת הרבע אקורד (מרחק 1/4 של אורך האקורד מהקצה המוביל). זה נקרא רגע ההגשה על אקורד רבע, Mc /4.
איור 4. רגע התנדנדות על אקורד רבע.
מקדם רגע ההגשה, CM, c/4, כרבע אקורד מוגדר כ:
כאשר Mc/4 הוא רגע ההגשה על רבע אקורד, ו- c הוא אורך האקורד של הכנף.
ביצועי כנף מסתמכים על מספר ריינולדס, Re, המוגדר כ:
כאשר הפרמטר μ הוא הצמיגות הדינמית של הנוזל.
בהדגמה זו, הביצועים של אגף קלארק Y-14 עם דש פשוט ולוח פשוט מוערך במנהרת רוח, כפי שמוצג באיור 4. הכנף מותקנת במכשיר הנקרא איזון עוקץ, המוצג באיור 5 ומודד את הכוח הרגיל, Nואת הכוח צירי, A.
איור 5. אגף קלארק Y-14 עם דש ולייט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
- עבור הליך זה, השתמש במנהרת רוח אווירודינמית עם קטע בדיקה של 1 רגל x 1 רגל ומעלה אווירי הפעלה מקסימלי של 140 קמ"ש. מנהרת הרוח חייבת להיות מצוידת במערכת רכישת נתונים (מסוגל למדוד זווית התקפה, כוח רגיל, כוח צירי ורגע התנדנדות) ואיזון עוקץ.
- פתח את מקטע הבדיקה, והתקן את הכנף על מאזן העוקץ. התחל עם תצורת כנף נקייה.
- הנח מד נטייה כף יד על מאזן העוקץ, ולהתאים את ידית התאמת זווית המגרש כדי להגדיר את גובה איזון העוקץ לאופקי.
- עם איזון העוקץ אופקי, tare זווית ההתקפה (זה נקרא זווית המגרש בלוח התצוגה של נתוני מחשב מנהרת הרוח).
- כל קריאות הכוח, הרגע והמהירה האווירית בזווית אפס של התקפה.
- התאם את זווית ההתקפה למינוס 8°, ואל תאסוף מדידות רוח על-ידי הקלטת כל קריאות הכוח, הכוח צירי ורגע ההגשה הרגילות.
- חזור על מדידות ללא רוח עבור זוויות גובה הנעות בין -8° ל- 18°, עם תוספת קבועה של 2°.
- החזר את זווית ההתקפה ל-8 מעלות, והפעל את מנהרת הרוח במהירות של 100 קמ"ש. לאסוף קריאות של הכוח הרגיל, כוח צירי ורגע התנדנדות מ -8° עד 18° עם 2° תוספת קבועה.
- התאם את הכנף לתצורה השנייה כאשר הפלט מותאם לחריץ של כ-3/8. חזור על שלבים 3 - 8.
- כוונן את הכנף לתצורה השלישית, כאשר הדש מוגדר ל- 45° ביחס לקו האקורד, והפלטה לא נפרסה. חזור על שלבים 3 - 8.
- כוונן את הכנף לתצורה הרביעית כאשר הן הפלט והן הדש פרוסים (איור 5). חזור על שלבים 3 - 8.
הכנף היא המנגנון העיקרי ליצירת מעלית במטוס, והגיאומטריה שלו היא המפתח לביצועים שלו. ראשית, זכור כי להרים הוא כוח אווירודינמי שנוצר על ידי הפרש לחץ בין המשטח העליון והתחתון. המעלית הכוללת פרופורציונלית לשטח הפנים של הכנף. לכן, שטח פנים גבוה יותר גורם להגברת המעלית.
המעלית מושפעת גם מהגאומטריה של חתך הכנף, הנקראת מנוול אוויר. זכור כי קו האקורד של חיל האוויר מחבר את הקצוות המובילים והנגררים. מאפיין נוסף הנקרא קמבר מתאר את הא-סימטריה בין שני המשטחים. לרוב הכנפיים יש קמבר חיובי, כלומר הם קמורות. כמו בשטח הפנים, גבר גבר גורם להגברת המעלית.
מכיוון שמהירות הרוח איטית יחסית במהלך ההמראה והנחיתה, שטח הפנים וקמבר גדלים על ידי פריסת מכשירים בקצוות המובילים והנגררים של הכנף על מנת לייצר מעלית מספקת. ההתקן בקצה המוביל של חיל האוויר נקרא סלאט, בעוד המכשיר בקצה הנגרר נקרא דש. לוחות ומדפים יכולים לנוע לתוך או מחוץ לכנפיים לפי הצורך.
בעוד פריסת לוחות מדפים מגבירה את המעלית, היא גם מגבירה את כוח הגרירה על המטוס, הפועל בניגוד להרים. אנו יכולים לכמת את שני הכוחות הללו על-ידי חישוב מקדם המעלית וגרירת מקדם המעלית כפי שמוצג, כאשר L ו- D מרימים וגוררים, בהתאמה. אינסוף רו ואינסוף V הם צפיפות ומהירות הזרם החופשי, בעוד S הוא אזור הייחוס של הכנף.
הרמה, ככוח חלוקה בטבע, ניתן להשוות או לפשט לכוח מרוכז יחיד הממוקם במרכז הלחץ. עם זאת, כאשר זווית ההתקפה משתנה, מיקום זה נע קדימה או למעלה. אז במקום זאת, אנו מתייחסים למרכז האווירודינמי של הכנף כאשר דנים בכוחות.
המרכז האווירודינמי של הכנף הוא המיקום שבו מקדם רגע ההגשה אינו משתנה ביעילות על ידי זווית התקפה מגוונת. דרך טיפוסית נוספת לבטא רגע התנדנדות היא להשתמש במקדם רגע ההגשה. מקדם חסר ממדים זה מחושב כפי שמוצג, כאשר M C/4 הוא רגע ההגשה על נקודת האקורד של 1/4.
בהדגמה שלנו, אנו מודדים את רגע ההגשה באקורד 1/4, הקרוב למרכז האווירודינמי של הכנף. בניסוי זה, נלמד את חיל האוויר קלארק Y-14 עם שטוח פשוט ו slat בזוויות שונות של התקפה. לאחר מכן ננתח את רגע ההנפה, הגרירה וההגשה כדי לקבוע את מאפייני הביצועים בכל תצורה.
לניסוי זה, השתמש במנהרת רוח אווירודינמית עם קטע בדיקה של 1 רגל על 1 רגל ובמהיר אוויר מרבי של 140 קמ"ש. מנהרת הרוח חייבת להיות מצוידת במערכת רכישת נתונים ומאזן עוקץ, המודד כוחות רגילים וצמתיים כאחד.
עכשיו, להשיג מודל כנף קלארק Y-14 עם דש מחובר ולוח. התחל את הבדיקה בתצורת הכנף הנקייה, כלומר לא הדש ולא הדש נפרסים. עכשיו לפתוח את סעיף הבדיקה, ולהתקין את הכנף על מאזן העוקץ.
הפעל את ידית הכוונון של זווית המגרש מתחת למקטע הבדיקה של מנהרת הרוח כדי להתאים את גובה יתרת העוקץ לאופקי. השתמש במד נטייה כף יד כדי למדוד את זווית המגרש ולהתאים את המגרש כדי להגיע לקריאה של אפס. סגור את מקטע הבדיקה ותציג את זווית המגרש בתצוגת מנהרת הרוח. לאחר מכן, כל קריאות כוח, רגע, וטיסה על מערכת רכישת הנתונים.
כעת, כוונו את זווית ההגשה, הנקראת גם זווית ההתקפה, למינוס 8 מעלות, ובצעו מדידה ללא רוח על-ידי הקלטת כל הכוח האקסי, הכוח הנורמלי וקריאות רגעי ההגשה. חזור על מדידות ללא רוח לזוויות גובה הנעות בין מינוס 8 ל- 18° עם תוספת קבועה של 2°. כאשר כל המדידות ללא רוח נעשו, החזר את זווית המגרש למינוס 8°.
עכשיו, להפעיל את מנהרת הרוח ולהגדיל את במהירות האוויר ל 60 קמ"ש. קח קריאות של הכוח צירי, כוח רגיל, ורגע התנדנדות לזוויות המגרש הנעות בין מינוס 8° ל - 18°, עם תוספת קבועה של 2°. לאחר שתסיים את כל המדידות עם הכנף הנקייה, כבה את מנהרת הרוח ופתח את קטע הבדיקה.
התאם את הכנף לתצורה חדשה, כאשר הפלטה מותאמת ל- 3/8 אינץ' של חריץ. הפעל מחדש את הניסוי בדיוק באותו אופן כמו עבור הכנף הנקייה, על ידי ביצוע תחילה מדידות ללא רוח במינוס 8 - 18° זוויות המגרש עם תוספת של 2°. ואז לאסוף את אותן מדידות ב 60 קמ"ש.
לאחר השלמת מדידות אלה, שנה את הכנף לתצורה שלישית כאשר המדפים מוגדרים ל- 45° ביחס לקו האקורד ולפלטה לא נפרסו. לאחר מכן הפעל מחדש את המדידות כבעבר. לבסוף, להתאים את הכנף לתצורה הרביעית, שם הן את slat ודש פרוסים, ולחזור על הניסוי.
עכשיו בואו נפרש את התוצאות. כדי לנתח את הנתונים, אנו מחשבים תחילה את מקדם ההנפה הלא ממדי בכל זווית גובה, המוגדרת כפי שמוצג. Rho אינסוף הוא צפיפות הזרם החופשי, V אינסוף הוא מהירות הזרם החופשי, ו S הוא אזור הייחוס של הכנף. כל הערכים האלה ידועים.
Lift, L, מחושב כיחס של שני זוגות כוח, כאשר N הוא הכוח הרגיל ו- A הוא הכוח האקסיאלי. שניהם נמדדו על ידי מאזן העוקץ. אלפא הוא זווית ההתקפה, הנקראת גם זווית המגרש, בניסוי זה. עכשיו, בואו נסתכל על חלקה של מקדם המעלית לעומת זווית המגרש עבור כל אחת מארבע התצורות.
בהשוואה בין הכנף הנקייה לבין עקומות התצורה של הסאט, אנו רואים ששתי העקומות כמעט חופפות בזוויות התקפה נמוכות. עם זאת, עקומת הרמת הכנף הנקייה מגיעה לשיאה בכ-12 מעלות, אך עקומת הפלט ממשיכה לגדול. זה מציין כי צפחה יכול לשמש כדי להגדיל את המעלית. אם נשווה את הכנף הנקייה ואת עקומות הרמת הדש, אנו רואים כי הדש מגביר להרים מעל כל זווית ההתקפה. אם הן הפלט והן הדש פרוסים בו-זמנית, היתרון של שני המכשירים משולב וההרמה המרבית גבוהה עוד יותר.
לאחר מכן, חשב את מקדם הגרירה עבור כל זווית, המוגדרת כפי שמוצג. גרור, D, מוגדר גם כקשר של זוגות הכוח הרגילים והצירים. בהשוואת מקדם הגרירה עבור כל תצורה, אנו רואים שהגרירה גדלה באופן דרמטי עם הדש והפלטה שנפרסו. הכוח האווירודינמי שנוצר, R, מגרירה והרמה ממוקם על נקודה באגף הנקראת מרכז הלחץ.
מרכז הלחץ אינו מיקום קבוע, אלא נע עם זווית התקפה משתנה. לכן, זה יותר נוח לחשב את כל הכוחות ואת הרגעים על נקודת אקורד 1/4. לאחר מכן, באמצעות רגע ההגשה באקורד 1/4, הנמדד על ידי מאזן העוקץ, אנו יכולים לחשב את מקדם רגע ההגשה כפי שמוצג.
לבסוף, כשמסתכלים על מקדם רגע ההגשה לכל תצורה וזווית גובה, אנו רואים שמקדם רגע ההגשה נכנס למשטר השלילי עם הדש פרוס. משמעות הדבר היא כי מרכז הלחץ נע לכיוון הקצה נגרר עם הדש פרוס.
לסיכום, למדנו כיצד מנגנון יצירת הרמה משמש לשיפור ביצועי המטוסים. לאחר מכן הערכנו כנף קלארק Y-14 במנהרת רוח כדי לראות כיצד דש ולוח משפיעים על רגע המעלית, הגרירה וההגשה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
התוצאות של תצורת הכנף הנקייה מוצגות בטבלה 1. איורים 6 - 8 מראים את כל שלושת מקדמי התקיפה לעומת זווית ההתקפה, α, עבור כל ארבע התצורות. מאיור 6, גם הדש וגם הדש שיפרו את מקדם המעלית, אך בדרכים שונות. השוואת הכנף הנקייה ועקומת הרמת הסאט, שתי העקומות כמעט חופפות בזוויות התקפה נמוכות. עקומת הרמת הכנף הנקייה מגיעה לשיאה לכ-0.9 מעלות ב-12 מעלות, אך עקומת הסאט ממשיכה לעלות ל-1. 4 ב-18 מעלות. זה מציין כי לוחות ניתן להשתמש כדי להגדיל את המעלית. כאשר משווים את כנף נקייה עקומות הרמת דש, הדש מגביר להרים מעל כל זווית ההתקפה. ואם גם את הדש וגם את הדש פרוסים בו זמנית, ההשפעה מצטברת והמעלית המקסימלית אפילו גבוהה יותר.
בהשוואת מקדם הגרירה עבור כל תצורה באיור 7, מקדם הגרירה גדל באופן דרמטי כאשר הדש והפלטה נפרסים. לבסוף, כפי שמוצג באיור 8, מקדם רגע ההגשה נכנס למשטר השלילי בעת פריסת הדש. משמעות הדבר היא כי מרכז הלחץ נע לכיוון הקצה נגרר עם הדש פרוס.
טבלה 1. תוצאות ניסוי לתצורת הכנף הנקייה.
| זווית התקפה (°) | מקדם הרמה, CL | גרור מקדם, CD | מקדם רגע התנדנדות, 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 |
איור 6. הרם מקדם לעומת זווית התקפה, α.
איור 7. גרור מקדם לעומת זווית התקפה, α.
איור 8. מקדם רגע התנדנדות לעומת זווית התקפה, α.
טבלה 2. פרמטרים המשמשים לחישובים.
| פרמטרים | ערכים |
| צפיפות אוויר, ρ | 0.00230 שבלול/רגל3 |
| צפיפות מים, ρL | 1.935 שבלול/רגל3 |
| תאוצת כבידה, ז | 32.17 רגל/שניה2 |
| צמיגות, m | 3.79 x 10-7 ליברות s/ft2 |
| מסלול אווירי בזרם חופשי, V∞ | 100 קמ"ש |
| מספר ריינולדס, רי | 1.56 x 105 |
| אורך אקורד, c | 3.5 ב |
| אזור כנף, S | 35ב-2 |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ניתן לשפר את ייצור המעלית על-ידי פריסה של התקנים בעלי הרמה גבוהה, כגון מדפים ולוחות. רוב המטוסים מצוידים במדפים, ולכל מטוסי התובלה המסחריים יש גם מדפים וגם לוחות. זה קריטי לאפיין את הביצועים של כנף עם מדפים ולוחות במהלך פיתוח מטוסים.
בהדגמה זו, אגף קלארק Y-14 עם דש ולוח הוערך במנהרת רוח. הכוחות ומדידות הרגע נאספו כדי לקבוע את מקדמי רגעי המעלית, הגרירה וההגשה של הכנף עם ובלי דש ופריסת סלאט. התוצאות מראות כי מקדם המעלית גדל כאשר הדש והפלטה פרוסים. עם זאת, זה גם הביא לעלייה דרמטית ברגע הגרירה וההגשה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- John D. Anderson (2017), Fundamentals of Aerodynamics, 6th Edition, ISBN: 978-1-259-12991-9, McGraw-Hill
