WPŁYW BLISKOŚCI ZIEMI NA CHARAKTERYSTYKI AERODYNAMICZNE SAMOLOTU

Transkrypt

1 POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewica Wydiał Budowy Masyn i Lotnictwa Katedra Awioniki i Sterowania WPŁYW BLISKOŚCI ZIEMI NA CHARAKTERYSTYKI AERODYNAMICZNE SAMOLOTU Łukas WNUK Seminarium Dyplomowe 2001/2002 LOTNICTWO - PILOTAŻ Strescenie Niniejse praca opisuje metody rowiąywania problemu wpływu bliskości iemi na charakterystyki aerodynamicne samolotu. Zawiera opis stosowanych metod badania jawiska i prykładowe wyniki badań wpływu bliskości iemi na charakterystyki aerodynamicne samolotu. Ponadto predstawia wpływ efektu iemi na start, lądowanie ora technikę użycia klap podcas tych etapów lotu. 1. Wstęp Znane są prypadki lotu sybowcem odległości i wysokości, która nie powalałaby na dolot do lotniska prędkością optymalneą, podcas gdy ropędenie sybowca i lot na niewielkiej wysokości nad iemią apewnił osiągnięcie celu. Dlacego tak się dieje? Dlacego samolot podchodący do lądowania potrafi nieść się nad iemią pomimo braku dostatecnej mocy espołu napędowego? Pytanie to postawiono już sobie bardo dawno, niemalże równo pocątkiem lotnictwa. Jak się okauje pytania te mają swoje uasadnienie w aerodynamice. Badania nad jawiskiem wpływu bliskości iemi (ang. Ground proximity effect) acęto już we wcesnych latach 20-tych XX wieku. Znajomość agadnień aerodynamiki w tamtych casach, jak się okauje, była wystarcająca do opracowania metod analitycnego wynacania wpływu bliskości iemi, które wykorystywane są do diś. 2. Podstawy aerodynamicne jawiska Istotą całego jawiska jest inny niż na więksych wysokościach opływ płata. Na samolot lecący na niedużej wysokości diała tarcie powietra najdującdego się pod skrydłem, tarcie to powoduje wolnienie prepływu na górnej powierchni skrydła. Spowolnienie to prycynia się do wrostu cyrkulacji. Oblicenia mian w charakterystykach aerodynamicnych spowodowanych oddiaływaniem iemi należałoby ropocąć od obliceń skrydła o nieskońconym wydłużeniu, gdyż oblicenia dotycące skrydła o skońconym wydłużeniu są dużo bardiej skomplikowane pre nakładanie się dwóch efektów: efektu bliskości iemi; efektu skrydła o skońconym wydłużeniu. Jednakże moje roważania skoncentrowane są na generalnym naceniu lotu w bepośredniej bliskości iemi, w wiąku tym sprawa dotycąca efektu skrydła o skońconym wydłużeniu ostanie pominięta. Podstawą obliceń teoretycnych wpływu bliskości iemi są ależności opisujące spadek kąta natarcia ora spadek oporu indukowanego. Kąt natarcia wpływem iemi dla stałej wartości C mienia się według woru [3]: (1) C α = σ. π Λ Ł.Wnuk Wpływ bliskości iemi na... ŁW - 1

2 Zmiana oporu indukowanego wyrażona jest ależnością: (2) C Cxi = σ. π Λ 2 Natomiast wydłużenie efektywne ulegnie modyfikacji do postaci: (3) Λ Λ e =. 1 σ Współcynnik oporu podcas startu określa wyrażenie: C (4) ( Cx ) = Cx0 + (1 σ ). π Λ 2 Współcynnik σ odcytuje się poniżsego wykresu dla odpowiedniej wartości stosunku wysokości skrydła u nasady w ¼ jego cięciwy aerodynamicnej do ropiętości skrydeł b. Rys Charakterystycne wymiary Characteristic dimensions Rys.2.2. Zależność współcynnika σ od wymiarów geometrycnych [3] Coefficient σ versus geometric dimensions Ł.Wnuk Wpływ bliskości iemi na... ŁW - 2

3 3. Metody badania wpływu iemi 3.1.Metoda odbicia (ang. Reflection method) Metoda ta polega na badaniu charakterystyk aerodynamicnych na skrydle umiesconym w tunelu aerodynamicnym, pod którym umiescony jest drugi taki sam płat (odbicie lustrane). Wpływ oddiaływania odbicia płata na skrydło oblica się metodą Prandtl a (2), która umożliwia oblicenie miany oporu indukowanego w wiąku wirowością końcówki ora e mianą prędkości wywołaną granicą wiru odbicia płata. Zgodnie tą metodą mianę kąta natarcia wpływem iemi oblica się według woru (1). 3.2.Metoda płaskiej powierchni (ang.flat plate method) Ten sposób badania wpływu bliskości iemi opiera się na umiesceniu pod badanym skrydłem płaskiej płyty, której wpływ na opływ ma podobny charakter na płat co bliskość iemi podcas lotu na niedużej wysokości. Analia wyników otrymanych tą drogą opiera się na prekstałceniach konforemnych. 3.3.Próby w locie Próby w locie mają na celu weryfikowanie wyników uyskanych drogą analitycną ora badań tunelowych na modelach. Badania wykonywane są na różnych wysokościach nad iemią w lotach śligowych ora silnikowych różnymi ustawieniami prpustnicy. 4. Wpływ efektu bliskości iemi wyniki badań preprowadonych różnymi metodami (metodą odbicia, płaskiej powierchni i prób w locie). Charakterystyki aerodynamicne samolotu otrymane wykorystaniem wyżej wymienionych metod predstawiają się następująco: L doskonałość D i kąt natarcia + metoda odbicia x be wpływu iemi o metoda płaskiej powierchni Rys.4.1. Podstawowe charakterystyki aerodynamicne samolotu w ależności od kąta natarcia otrymane różnymi metodami badań [1] Basic aerodynamic characteristics of an aeroplane versus angle of attack received by various testing methods Ł.Wnuk Wpływ bliskości iemi na... ŁW - 3

4 i kąt natarcia + metoda odbicia x be wpływu iemi o metoda płaskiej powierchni Rys.4.2. Wpływ bliskości iemi na mianę współcynników siły nośnej i oporu [1] Ground proximity effect on lift and drag coefficient change Rys.4.3. Biegunowa samolotu [1] Polar of an airplane Ł.Wnuk Wpływ bliskości iemi na... ŁW - 4

5 Jak widać wykresu 4.1 doskonałość samolotu otrymana a arówno a pomocą metody odbicia jak i płaskiej powierchni wrasta w porównaniu charakterystykami otrymanymi be uwględnienia wpływu iemi. Potwierdenie wrostu doskonałości widać we wroście współcynnika sły nośnej i jedocesnym spadku współcynnika oporu. Rys.4.3. Zapotrebowanie na moc e mianą wysokości lotu w ależności od prędkości lotu [2] Power requirement with height change versus an air speed Doświadcenie, którego wyniki preentuje rysunek 4.3., ostały wykonane najpierw na wysokości 500 ft, gdie sprawdono moc potrebną do lotu poiomego, a następnie wykonano serię testów na wysokościach od 5-9 ft. Jak się okaało spadek wysokości spowodował również spadek mocy niebędnej do utrymania lotu poiomego. W wiąku wystąpieniem efektu bliskości iemi spadek ilości obrotów wyniósł około 10%, co w prybliżeniu onaca również 10% spadek apotrebowania na moc. 5. Praktycne prypadki wykorystania wpływu bliskości iemi 5.1.Start samolotu Oblicenia długości startu wymagają najomości charakterystyk aerodynamicnych uwględnieniem wpływu iemi, ponieważ w tej faie nie może być on pominięty. Scególnie w prypadku samolotów o dużym wdłużeniu skrydła. W faie projektowania samolotu ważnym jest, aby nać spadek krytycnego kąta natarcia na robiegu spowodowany efektem bliskości iemi, tak aby robieg nie odbywał się na akrytycnych kątach natarcia. Nie uwględninenie tego efektu spowodowałoby błąd obliceń rędu 20% teoretycnej długości startu. A co a tym idie np.: prekrocenie ograniceń wynikających prepisów budowy samolotów. 5.2.Lądowanie Podchodąc do lądowania samolotem e byt dużą prędkością można się licyć wykonaniem prelotu i w najgorsym prypadku prelecenie pasa lub skońcenie dobiegu poa nim. Stać się tak może dlatego, że samolot w konfiguracji do ladowania nie będie w stanie dać takiej siły oporu aby wyhamować samolot co w połąceniu efektem wpływu iemi mniejsenie C x i wrost C spowoduje prelot ponad pasem. Międy innymi dlatego klapy do lądowania wychylają się o tak duże kąty. 5.3.Użycie klap Wykorystanie klap nie ma bepośredniego wpływu na mianę wartości efektu wpływu bliskości iemi. Ustawienie klap do startu w poycji małe, jest ściśle powiąane wpływem iemi. Samo wysklepienie profilu powoduje spadek minimalnej predkości i wrost C max, co po sumowaniu wpływem iemi skraca długość robiegu. Próba startu na klapach dużych wiąże się tak dużym wrostem C x, że pomimo istnienia wpływu iemi start się wydłuży. Z kolei lądowanie powinno odbywać się na klapach dużych, jak już wspomniano wyżej, ponieważ potrebny jest wrost oporu, który potrebny jest do wyhamowania samolotu Ł.Wnuk Wpływ bliskości iemi na... ŁW - 5

6 pred jego etknięciem się iemią, podcas gdy małe klapy w powiąaniu efektem iemi mogą spowodować prelot samolotu. 6. Wnioski Opisane jawisko ma istotny wpływ na dwie najważniejse a a raem najniebepiecniejse fay lotu start i lądowanie. Ponanie go jest bardo ważne e wględu na silny jego wpływ na charakterystyki aerodynamicne samolotu a co a tym idie i osiągi. Efekt bliskości iemi należy uwglednić w faie projektowania samolotu. Spadek współcynnika siły oporu C x, wrost współcynnika siły nośnej C prekłada się bepośrednio na wrost doskonałości aerodynamicnej, co wskauje na poytywny aspekt tego jawiska. Literatura 1. National Advisory Committee for Aeronautics, Technical Memorandum no Washington Elliot G. Reid.: A full- scale investigation of ground effect. Report no Washington Władysław Fisdon.: Mechanika lotu cęść 1. Wydanie drugie Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warsawa 1961 GROUND PROXIMITY INFLUENCE ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF THE AEROPLANE Łukas Wnuk This report describes methods of solving the problem of ground proximity on airplane aerodynamic characteristics. It includes description of testing methods and example tests results of ground proximity influence on aerodynamic characteristics of the aeroplane. Also it shows ground proximity influence during take off, landing and flaps usage technique during these flight stages. Ł.Wnuk Wpływ bliskości iemi na... ŁW - 6