Нагрузка на крыло - Wing loading

У Monarch Butterfly очень низкая нагрузка на крыло 0,168 кг / м 2.
Северная Америка Х-15 имеет высокую 829 кг / м 2 максимального крыло нагрузки

В аэродинамике , нагрузка на крыло представляет собой общую массу летательного аппарата или летающего животного , деленный на площадь его крыла. Скорость сваливания самолета при прямолинейном горизонтальном полете частично определяется его нагрузкой на крыло. Самолет или животное с низкой нагрузкой на крыло имеет большую площадь крыла по сравнению с его массой по сравнению с самолетом с высокой нагрузкой на крыло.

Чем быстрее летит самолет, тем большую подъемную силу может создать каждая единица площади крыла, поэтому крыло меньшего размера может нести ту же массу при горизонтальном полете. Следовательно, более быстрые самолеты обычно имеют более высокие нагрузки на крыло, чем более медленные. Эта увеличенная нагрузка на крыло также увеличивает взлетную и посадочную дистанцию. Более высокая нагрузка на крыло также снижает маневренность. Те же ограничения применяются к крылатым биологическим организмам.

Диапазон нагрузок на крыло

Примеры загрузки крыла
Самолет Тип Вступление Взлетно-посадочная полоса Площадь крыла кг / м 2 фунт / кв.фут
Бабочка монарх Животное Кайнозойский 0,168 0,034
птицы Животное Меловой 1–20 0,20–4,10
верхний критический предел полета птиц Животное 25 5.1
Озон Buzz Z3 MS Параплан 2010 г. 75–95 кг (165–209 фунтов) 25,8 м 2 (278 квадратных футов) 2,9–3,7 0,59–0,76
Уиллс Винг Спорт 2155 Дельтаплан 2004 г. 94,8–139,8 кг (209–308 фунтов) 14,4 м 2 (155 квадратных футов) 6,6–9,7 1,4–2,0
верхний предел Планер микролифт 2008 г. 220 кг (490 фунтов) макс. 12,2 м 2 (131 кв. Футов) мин. 18 3,7
Правила CAA (Великобритания) предел нагрузки сверхлегкого крыла 2008 г. 450 кг (990 фунтов) макс. 18 м 2 (190 кв. Футов) мин. 25 5.1
Schleicher ASW 22 Планер 1981 г. 850 кг (1870 фунтов) 16,7 м 2 (180 квадратных футов) 50,9 10,4
Пайпер Воин Авиация общего назначения 1960 г. 1055 кг (2326 фунтов) 15,14 м 2 (163,0 кв. Футов) 69,7 14,3
Бичкрафт Барон Двухмоторная авиация общего назначения 1960 г. 2313 кг (5099 фунтов) 18,5 м 2 (199 квадратных футов) 125 26
Супермарин Спитфайр Истребитель (ВОВ) 1938 г. 3039 кг (6700 фунтов) 22,48 м 2 (242,0 кв. Футов) 135 28 год
Бичкрафт Авиалайнер Авиалайнер (пригородный) 1968 г. 4727 кг (10421 фунт) 25,99 м 2 (279,8 кв. Футов) 182 37
Learjet 31 Бизнес-джет 1990 г. 7,031 кг (15501 фунт) 24,57 м 2 (264,5 кв. Футов) 286 59
Микоян МиГ-23 Истребитель ( изменяемая геометрия ) 1970 г. 17800 кг (39200 фунтов) 34,16–37,35 м 2 (367,7–402,0 кв. Футов) 477–521 98–107
Дженерал Дайнэмикс F-16 Боец (многоцелевой) 1978 г. 19200 кг (42300 фунтов) 27,87 м 2 (300,0 кв. Футов) 688,9 141,1
Fokker F27 Авиалайнер ( турбовинтовой ) 1958 г. 19,773 кг (43,592 фунтов) 70 м 2 (750 кв. Футов) 282 58
McDonnell Douglas F-15 Eagle Истребитель (превосходство в воздухе) 1976 г. 30,845 кг (68,002 фунтов) 56,5 м 2 (608 квадратных футов) 546 112
Стипендия Fokker F28 Авиалайнер (региональный самолет) 1969 г. 33000 кг (73000 фунтов) 78,97 м 2 (850,0 кв. Футов) 418 86
Боинг 737-300 Авиалайнер ( узкофюзеляжный ) 1984 62,820 кг (138,490 фунтов) 91,04 м 2 (979,9 кв. Футов) 690 140
Боинг 737-900 Авиалайнер (узкофюзеляжный) 2001 г. 84139 кг (185495 фунтов) 124,6 м 2 (1341 кв. Футов) 675 138
Боинг 767 Авиалайнер ( широкофюзеляжный ) 1982 г. 142,882 кг (315,001 фунтов) 283,3 м 2 (3049 квадратных футов) 504 103
Конкорд Авиалайнер (сверхзвуковой) 1976 г. 187000 кг (412000 фунтов) 358,2 м 2 (3856 квадратных футов) 522 107
Rockwell B-1B Lancer Бомбардировщик (изменяемая геометрия) 1983 г. 148000 кг (326000 фунтов) 181,2 м 2 (1950 квадратных футов) 818 168
Боинг 777 Авиалайнер (широкофюзеляжный) 1995 г. 247 200 кг (545 000 фунтов) 427,8 м 2 (4605 квадратных футов) 578 118
Боинг 747 Авиалайнер (широкофюзеляжный) 1970 г. 333000 кг (734000 фунтов) 511 м 2 (5 500 квадратных футов) 652 134
Airbus A380 Авиалайнер (широкофюзеляжный) 2007 г. 575000 кг (1268000 фунтов) 845 м 2 (9100 квадратных футов) 680 140

Влияние на производительность

Нагрузка на крыло - полезная мера скорости сваливания самолета. Крылья создают подъемную силу за счет движения воздуха вокруг крыла. Крылья большего размера перемещают больше воздуха, поэтому самолет с большой площадью крыла относительно его массы (т. Е. С низкой нагрузкой на крыло) будет иметь более низкую скорость сваливания. Таким образом, самолет с меньшей нагрузкой на крыло сможет взлетать и приземляться с меньшей скоростью (или иметь возможность взлетать с большей нагрузкой). Он также сможет поворачиваться с большей скоростью.

Влияние на взлетную и посадочную скорость

Подъемная сила L на крыле площади A , движущемся с истинной воздушной скоростью v , определяется выражением

,

где ρ - плотность воздуха, а C L - коэффициент подъемной силы . Коэффициент подъемной силы - это безразмерное число, зависящее от профиля поперечного сечения крыла и угла атаки . При взлете или в установившемся полете, ни при подъеме, ни в пикировании подъемная сила и вес равны. При L / A = Mg / A = W S g , где M - масса самолета, W S = M / A - нагрузка на крыло (в единицах массы / площади, т.е. фунт / фут 2 или кг / м 2 , а не сила / площадь) и g ускорение свободного падения, это уравнение дает скорость v через

.

Как следствие, воздушные суда с одинаковым C L при взлете в одних и тех же атмосферных условиях будут иметь взлетную скорость, пропорциональную . Таким образом, если площадь крыла самолета увеличена на 10% и больше ничего не изменится, скорость взлета упадет примерно на 5%. Аналогичным образом, если самолет, спроектированный для взлета со скоростью 150 миль в час, увеличивается в весе во время разработки на 40%, его взлетная скорость увеличивается до = 177 миль в час.

Некоторые летчики полагаются на свои мышцы, чтобы набрать скорость при взлете над сушей или водой. Наземные гнездовья и водоплавающие птицы должны уметь бегать или грести со своей взлетной скоростью, прежде чем они смогут взлететь. То же самое и с пилотом дельтаплана, хотя он может получить помощь при спуске. Для всего этого критичным является низкий W S , тогда как воробьиные и живущие на скалах птицы могут подняться в воздух с более высокими нагрузками на крылья.

Влияние на токарную способность

Для поворота самолет должен катиться в направлении поворота, увеличивая угол крена самолета . Поворотный полет снижает подъемную силу крыла против силы тяжести и, следовательно, вызывает снижение. Для компенсации подъемная сила должна быть увеличена за счет увеличения угла атаки за счет отклонения подъемника вверх, что увеличивает сопротивление. Поворот можно описать как «набор высоты по кругу» (подъемная сила крыла направлена ​​на поворот самолета), поэтому увеличение угла атаки крыла создает еще большее сопротивление. Чем меньше радиус поворота , тем сильнее сопротивление; это требует добавления мощности (тяги) для преодоления сопротивления. Максимальная скорость поворота, возможная для данной конструкции самолета, ограничена его размером крыла и доступной мощностью двигателя: максимальный поворот, который самолет может достичь и удерживать, является его устойчивыми характеристиками поворота . По мере увеличения угла крена увеличивается и сила перегрузки, прикладываемая к летательному аппарату, что приводит к увеличению нагрузки на крыло, а также к увеличению скорости сваливания . Этот эффект также наблюдается во время маневров по продвижению по горизонтали .

Коэффициент нагрузки зависит от высоты и составляет 50 или 100 фунтов / кв. Фут.

Поскольку сваливание происходит из-за нагрузки на крыло и максимального коэффициента подъемной силы на данной высоте и скорости, это ограничивает радиус поворота из-за максимального коэффициента нагрузки . При коэффициенте подъемной силы 0,85 Маха и 0,7 нагрузка на крыло в 50 фунтов / кв. Фут (240 кг / м 2 ) может достигать конструктивного предела 7,33 г на высоте до 15 000 футов (4600 м), а затем снижаться до 2,3 г на высоте 40 000 футов ( 12000 м). При нагрузке на крыло 100 фунтов / кв. Фут (490 кг / м 2 ) коэффициент нагрузки вдвое меньше и едва достигает 1 г на высоте 40 000 футов.

Самолеты с низкими нагрузками на крыло, как правило, имеют превосходные характеристики продолжительного разворота, поскольку они могут создавать большую подъемную силу при заданной величине тяги двигателя. Мгновенный угол крена, который самолет может достичь до того, как сопротивление серьезно снизится с воздушной скорости, известен как его мгновенные характеристики разворота . Самолет с небольшим высоконагруженным крылом может иметь превосходные характеристики мгновенного поворота, но плохие характеристики продолжительного поворота: он быстро реагирует на управляющие воздействия, но его способность выдерживать крутой поворот ограничена. Классическим примером является истребитель F-104 Starfighter с очень маленьким крылом и высокой нагрузкой на крыло 723 кг / м 2 (148 фунтов / кв. Фут).

На противоположном конце спектра находился большой Convair B-36 : его большие крылья обеспечивали низкую нагрузку на крыло 269 ​​кг / м 2 (55 фунтов / кв. Фут), что позволяло ему выдерживать более крутые повороты на большой высоте, чем у современных реактивных истребителей. , в то время как чуть более поздний Hawker Hunter имел аналогичную нагрузку на крыло 344 кг / м 2 (70 фунтов / кв. фут). Боинг 367-80 авиалайнера прототип может быть развернута на малых высотах с нагрузкой на крыло 387 кг / м 2 (79 фунт / кв фут) при максимальном весе.

Как и любое тело, совершающее круговое движение , самолет, который является быстрым и достаточно сильным, чтобы поддерживать горизонтальный полет со скоростью v в круге радиуса R, ускоряется к центру на . Это ускорение вызвано направленной внутрь горизонтальной составляющей подъемной силы , где - угол крена. Тогда из второго закона Ньютона ,

Решение для R дает

Чем меньше нагрузка на крыло, тем круче поворот.

Планерам, предназначенным для использования в термиках, нужен небольшой радиус поворота, чтобы оставаться в пределах поднимающегося столба воздуха, и то же самое верно и для парящих птиц. Другие птицы, например те, которые ловят насекомых на крыло, также нуждаются в высокой маневренности. Всем нужны низкие нагрузки на крыло.

Влияние на стабильность

Нагрузка на крыло также влияет на реакцию на порывы ветра , то есть на степень воздействия на самолет турбулентности и изменений плотности воздуха. Маленькое крыло имеет меньшую площадь, на которую может воздействовать порыв ветра, и оба этих фактора служат для плавности хода. Для высокоскоростного полета на малых высотах (например, для быстрого бомбометания на малых высотах в штурмовике ) предпочтительнее небольшое, тонкое, высоконагруженное крыло: самолеты с низкой нагрузкой на крыло часто подвергаются грубому и суровому испытанию. кататься в таком режиме полета. F-15E Strike Eagle имеет нагрузку на крыло 650 килограммов на квадратный метр (130 фунт / кв футов) ( за исключением фюзеляжа вклад в эффективную площадь), тогда как большинство треугольным крылом самолета (например, Dassault Mirage III , для которого W S = 387 кг / м 2 ) имеют большие крылья и низкие нагрузки на крыло.

Количественно, если порыв ветра создает восходящее давление G ( скажем, в Н / м 2 ) на летательный аппарат массы M , восходящее ускорение a будет, согласно второму закону Ньютона, выражаться следующим образом:

,

уменьшается с нагрузкой на крыло.

Эффект развития

Еще одна сложность, связанная с нагрузкой на крыло, заключается в том, что трудно существенно изменить площадь крыла существующей конструкции самолета (хотя возможны небольшие улучшения). По мере разработки самолетов они склонны к « увеличению веса » - добавлению оборудования и функций, которые существенно увеличивают эксплуатационную массу самолета. Самолет с умеренной нагрузкой на крыло при его первоначальной конструкции может получить очень высокую нагрузку на крыло по мере добавления нового оборудования. Хотя двигатели могут быть заменены или модернизированы для получения дополнительной тяги, влияние на поворотные и взлетные характеристики в результате более высокой нагрузки на крыло не так легко согласовать.

Использование водяного балласта в планерах

Современные планеров часто используют водяной балласт , перевозимый в крылах , чтобы увеличить загрузку крыла , когда растущие условия сильны. Увеличивая нагрузку на крыло, можно увеличить среднюю скорость, достигаемую по всей стране, чтобы воспользоваться преимуществами сильных термиков. При более высокой нагрузке на крыло заданное отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению достигается при более высокой скорости полета, чем при более низкой нагрузке на крыло, и это обеспечивает более высокую среднюю скорость по стране. Балласт может быть выброшен за борт при ухудшении условий или перед посадкой.

Соображения по дизайну

Подъемник фюзеляжа

У F-15E Strike Eagle большое относительно малонагруженное крыло.

Комбинированная конструкция крыла и фюзеляжа, такая как у General Dynamics F-16 Fighting Falcon или Mikoyan MiG-29 Fulcrum, помогает снизить нагрузку на крыло; в такой конструкции фюзеляж создает аэродинамическую подъемную силу, таким образом улучшая нагрузку на крыло, сохраняя при этом высокие характеристики.

Крыло изменяемой стреловидности

На таких самолетах, как Grumman F-14 Tomcat и Panavia Tornado, используются крылья изменяемой стреловидности . Поскольку их площадь крыла меняется в полете, меняется и нагрузка на крыло (хотя это не единственное преимущество). Когда крыло находится в переднем положении, взлетно-посадочные характеристики значительно улучшаются.

Закрылки Фаулера

Как и во всех авиационных закрылков, Фаулера закрылки увеличивают изгиб и , следовательно , C L , снижение посадочной скорости. Они также увеличивают площадь крыла, уменьшая нагрузку на крыло, что еще больше снижает скорость посадки.

Смотрите также

Рекомендации

Заметки

Библиография

Заметки

Внешние ссылки