WSTĘPNE STUDiUM WPŁYWU WiNGLETÓW i HAMULCA AERODYNAMiCZNEGO NA ZMiANY CHARAKTERYSTYK AERODYNAMiCZNYCH MODELU SAMOLOTU KLUBOWEGO AS-2

Transkrypt

1 PRACE instytutu LOTNiCTWA 215, s , Warszawa 2011 WSTĘPNE STUDiUM WPŁYWU WiNGLETÓW i HAMULCA AERODYNAMiCZNEGO NA ZMiANY CHARAKTERYSTYK AERODYNAMiCZNYCH MODELU SAMOLOTU KLUBOWEGO AS-2 ZygmuNt WySockI Instytut Lotnictwa maximilian NIemcZyckI student, Embry Riddle Aeronautical University, Daytona Beach, USA Streszczenie Prezentowane w niniejszym artykule badania podjęto w celu pokazania wpływu prostych wingletów na zmiany niektórych charakterystyk aerodynamicznych modelu lekkiego samolotu aeroklubowego AS-2. Charakterystyki badanych konfiguracji modelu uzyskano w trakcie badań wagowych przeprowadzonych w tunelu aerodynamicznym T-1 Instytutu Lotnictwa o średnicy przestrzeni pomiarowej f 1,5m. 1. WSTĘP Idea korzystnego wpływu dodatkowych elementów na końcach skrzydeł określona została w początkach 20 wieku, kiedy w wyniku teoretycznych rozważań określono iż płyty brzegowe dodane do końcówek skrzydeł mogą doprowadzić do redukcji oporów indukowanych. Zastosowanie jednak takich prostych rozwiązań nie doprowadziło do uzyskania spodziewanych efektów (Rys. 1). Rys. 1. PZl 101 gawron góraszka 2008 (źródło: konflikty.pl)

2 30 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI Według dostępnej literatury [1] dopiero prace Whitcomba doprowadziły do ustalenia pewnych zasad projektowania i stosowania wingletów. Winglety to małe powierzchnie, na których wytwarza się siła nośna, mające, ogólnie biorąc kształt małych skrzydełek. Stosowane są przede wszystkim w celu zmniejszenie oporów indukowanych, związanych z tworzeniem się ścieżki wirowej (Rys. 2) schodzącej z końcówki skrzydła, co wpływa na poprawę doskonałości aerodynamicznej skrzydła, a co za tym idzie na zwiększenie zasięgu oraz zmniejszenie zużycie paliwa. Winglety mają również duży wpływ na wydłużenie efektywne skrzydła. Poprawiają też osiągi samolotów podczas startu umożliwiając skrócenie rozbiegu. W pewnym stopniu przyczyniają się także do zmniejszenia hałasu podczas startu i podejścia do lądowania. Szkic pokazujący działanie wingletów i zmianę charakteru ścieżki wirowej pokazano na rys.3. Jak różne mogą być formy i kształty wingletów pokazują fotografie różnych samolotów, począwszy od małych, lekkich samolotów skończywszy na dużych samolotach pasażerskich. Są na nich przedstawione rozwiązania z klasyczną konstrukcją wingletów (Rys.4, 5 i 8), poprzez winglety zespolone (Blended Winglet) (rys. 6) czy też pewną modyfikację wingletów zespolonych ostatnich do fantazyjnego kształtu wingletów pętlicowych (Rys. 7). Na kolejnej fotografii (rys.9) przedstawiono samolot I-23, konstrukcji Instytutu lotnictwa, ze skrzydłem z wingletami, które w tym przypadku miały na celu głównie poprawę stateczności poprzecznej samolotu. Jak widać, spektrum zarówno zastosowań wingletów jak też ich kształtów i rozmiarów jest szerokie. [3, 4] Rys. 2. układ ścieżki wirowej powstającej za skrzydłem. (wg. V Formation Flight of Birds - [2])

3 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 31 Rys. 3. Szkice ukazujące wpływ wingletów tutaj - wingletów zespolonych (Blended Winglet) na zmiany struktury w ścieżce wirowej (rysunek dzięki uprzejmości firmy aviationpartners) Rys. 4. Vans RV5 (foto dzięki uprzejmości hunteraeronatical.com)

4 32 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI Rys.5. diamond da-42 twin Star SP-NBa (Foto a. dziubiński góraszka 2008) Rys.6. aero at-4 SP-yIa (Foto a. dziubiński góraszka 2009)

5 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 33 Rys.7. dassault Falcon 50 N789Jc (Foto via aviationpartners) Rys. 8. airbus a 380 (Foto adam dziubiński Ila 2008)

6 34 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI Rys. 9. I-23 manager, rejestracja SP-gIl (Foto Z. Wysocki) Opis badanych w tunelu konfiguracji modelu, badania i ich wyniki. opis modelu samolotu i elementów dodatkowych winglety, hamulec aerodynamiczny podstawowa geometria. Badane konfiguracji modelu. Prezentowane w niniejszym artykule badania podjęto w celu pokazania wpływu prostych wingletów na zmiany niektórych charakterystyk aerodynamicznych modelu lekkiego samolotu aeroklubowego. Wytypowano istniejący już model samolotu as-2, którego studium konstrukcyjne i badawcze przeprowadzono parę lat wcześniej w Instytucie lotnictwa. Znane były zatem charakterystyki aerodynamiczne wersji bazowej. należało jedynie powtórzyć serię badań wersji bazowej dla celów porównawczych, a dalej przeprowadzić badania zmierzające do określenia wpływu tychże wingletów na charakterystyki aerodynamiczne badanego modelu. Przyjęto iż zostaną dobrane dwie wielkości wingletów o mniejszej powierzchni, winglety W1 i W2 oraz o większej powierzchni - winglet W3. Przy doborze wymiarów wingletów, zwłaszcza w wersji o większej powierzchni, kierowano się pewnymi zasadami klasycznej konstrukcji wingletów, i tak (Rys.10): krawędź natarcia wingletu powinna być usytuowana w okolicach maksymalnej grubości profilu końcówki skrzydła maksymalna grubość profilu wingleta nie powinna przekraczać 8% maksymalnej grubości profilu końcówki skrzydła, zaś strzałka profilu wingleta winna być nieco większa niż strzałka profilu końcówki skrzydła w badaniach prezentowanych w niniejszym artykule zdecydowano się jednak na zastosowanie płaskich wingletów Stosunek cięciwy górnej wingletu cwg do cięciwy dolnej cwd powinien być zbliżony do wartości 0.3, zaś wysokość wingletu winna zawierać się w przedziale 0,1 0,2 połowy rozpiętości skrzydła.

7 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 35 Rys. 10. Szkic klasycznej konstrukcji wingletów (opracowano na podstawie understanding Winglet technology - Rys. 11. model samolotu as-2 w tunelu f 1,5 m Instytutu lotnictwa (Foto Z. Wysocki)

8 36 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI Na rysunku 11 przedstawione są fotografie badanego modelu w wersji bazowej, zawieszonego w tunelu f 1,5m Instytutu lotnictwa na trójskładowej, mechanicznej wadze aerodynamicznej. Podstawowe dane geometryczne modelu samolotu w skali 1:10 były następujące : Rozpiętość modelu b = 1,035 m Średnia cięciwa aerodynamiczna skrzydła l sca = 0,1365 m Powierzchnia odniesienia modelu S = 0,1413 m 2 Na kolejnych rysunkach (Rys. 12 i 13) przedstawiono szkice geometrii wingletów W1 i W2 (zespół dwu identycznych wingletów) o trapezowym kształcie oraz wingletu większego W3 o kształcie trapezu z łukową krawędzią natarcia. Warto zwrócić uwagę iż wzajemne proporcje cięciw wingletu W3 jak też jego wysokość są zgodne z proporcjami, o których wspomniano uprzednio. Winglety W1 i W2 mają, w przybliżeniu, liniowe wymiary o połowę mniejsze od wingletu W3. Na kolejnym rysunku (Rys.14) przedstawiono szkic geometrii hamulca aerodynamicznego, który mógłby stanowić część pokrywy ewentualnego spadochronu ratunkowego samolotu. koncepcja ta związana była z geometrią samolotu. Projekt samolotu przewidywał bowiem skrzydło dwudzielne górna część kabiny samolotu miała znajdować się poniżej górnej powierzchni skrzydeł. ewentualne wypełnienie tej przestrzeni pokrywą spadochronu ratunkowego, tak by stanowiła ona powierzchnię ciągłą z górną powierzchnią skrzydeł, mogłoby poprawić aerodynamikę samolotu w konfiguracji przelotowej. Równocześnie część przednia pokrywy spadochronu, o kształcie zbliżonym do pokazanego na rys.14, mogłaby być zastosowana jako hamulec aerodynamiczny. Rys. 12. Szkic geometrii wingletu W3 (wysokość wingletu /połowa rozpiętości = 0,106; cięciwa górna wingletu /cięciwa dolna wingletu = 0,31) wymiary w centymetrach

9 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 37 Rys. 13. Szkic geometria wingletów W1 i W2- wymiary w centymetrach Rys. 14. Szkic ogólnej geometrii hamulca aerodynamicznego B1- wymiary w centymetrach ustalono dalej, na etapie planowania eksperymentu, że zostaną przebadane następujące konfiguracje modelu: model w wersji bazowej (rys.11) model z pokrywą spadochronu (rys.15) model z hamulcem aerodynamicznym (rys.16) model z wingletami W1 i W2 zamontowanymi w tylnej części płatów, na górnej i dolnej powierzchni (rys.17) wraz z pokrywą spadochronu

10 38 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI model z wingletem W3 na górnej powierzchni płatów, zaś winglet W2 na dolnej powierzchni oraz pokrywa spadochronu (rys.18) model z wingletem W3 na górnej powierzchni skrzydła oraz pokrywa spadochronu (rys.19) Rys. 15. model samolotu as-2 z zamodelowaną pokrywą spadochronu ratunkowego (Foto Z. Wysocki) Rys. 16. model samolotu as-2, przednia część pokrywy spadochronu w roli hamulca aerodynamicznego B1 (Foto Z. Wysocki)

11 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 39 Rys.17 model samolotu as-2 z wingletami W1, W2 i pokrywą spadochronu (Foto Z. Wysocki) Rys.18 model samolotu as-2 z wingletami W3 i W2 i pokrywą spadochronu (Foto Z.Wysocki)

12 40 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI Rys. 19. model samolotu as-2 z wingletem W3 i pokrywą spadochronu (Foto Z.Wysocki) Wyniki badań Badania wagowe wytypowanych konfiguracji modelu przeprowadzono, jak już wcześniej wspomniano, w tunelu t-1 Instytutu lotnictwa o średnicy przestrzeni pomiarowej f1,5m. model zawieszono na trójskładowej, mechanicznej, odgórnej wadze aerodynamicznej, umożliwiającej pomiary siły oporu Px, siły nośnej Pz oraz momentu pochylającego my w zakresie zmian kąta natarcia modelu od α = -6 do α = 23. W badaniach tych prędkość strumienia powietrza w przestrzeni pomiarowej wynosiła v = 30m/s, zaś efektywna liczba Reynoldsa odniesiona do średniej cięciwy aerodynamicznej skrzydła wnosiła nieco powyżej Re ef = 3.86*10 5 (współczynnik turbulencji strumienia powietrza w przestrzeni pomiarowej tunelu jest równy Wt=1.425). Na kolejnych rysunkach, od Rys. 20 przedstawiono wyniki badań modelu samolotu as-2 dla kolejnych, badanych konfiguracji. Pokazują one zależności cz = f(α), cx = f (α) oraz cm= f (α). Przedstawiono na nich także biegunowe cz = f (cx) badanych konfiguracji modelu. dla wybranych konfiguracji dokonano także porównania doskonałości cz/cx jak i długotrwałości lotu cz 3/2 /cx w funkcji współczynnika siły nośnej cz.

13 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 41 Rys. 20. Porównanie zależności cz = f (α),cx = f (α) i cm = f (α) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z pokrywą spadochronu oraz wingletami W1 i W2

14 42 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI Rys. 21. Porównanie przebiegu biegunowych cz = f (cx) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z pokrywą spadochronu oraz wingletami W1 i W2 Rys. 22. Porównanie zależności cz = f (α), cx = f (α) i cm = f (α) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z pokrywą spadochronu oraz wingletami W3 i W2

15 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 43 Rys. 23. Porównanie przebiegu biegunowych cz = f (cx) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z pokrywą spadochronu oraz wingletami W3 i W2 Rys. 24. Porównanie zależności cz = f (α), cx = f (α) i cm = f (α) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z pokrywą spadochronu oraz wingletem W3

16 44 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI Rys. 25. Porównanie przebiegu biegunowych cz = f (cx) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z pokrywą spadochronu oraz wingletem W3 Rys. 26. Porównanie zależności cz = f (α),cx = f (α) i cm = f (α) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z pokrywą spadochronu

17 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 45 Rys. 27. Porównanie przebiegu biegunowych cz = f (cx) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z pokrywą spadochronu Rys. 28. Porównanie zależności cz = f (α),cx = f (α) i cm = f (α) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z hamulcem aerodynamicznym i z pokrywą spadochronu

18 46 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI Rys. 29. Porównanie przebiegu biegunowych cz = f (cx) dla wersji bazowej modelu samolotu as-2 oraz modelu z hamulcem aerodynamicznym i z pokrywą spadochronu Rys. 30. Porównanie doskonałości cz/cx oraz współczynnika długotrwałości lotu cz 3/2 /cx w funkcji współczynnika siły nośnej cz dla wybranych, badanych konfiguracji modelu samolotu as-2

19 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 47 analizując przedstawione na powyższych rysunkach charakterystyki aerodynamiczne można zauważyć, że mimo zastosowania prostych, płaskich wingletów uwidocznił się ich wpływ na zmiany charakterystyk aerodynamicznych badanego modelu i tak: Zanotowano przesunięcie zależności cz = f (α) dla konfiguracji z wingletami na nieco większy, ujemny kąt natarcia kąta odpowiadający zerowej sile nośnej w stosunku do charakterystyki cz = f (α) dla modelu w wersji bazowej przesunięcie to dla konfiguracji z wingletami W3 i W2 i wingletem W3 wynosi ok. α=-1 W obszarze użytkowych wartości współczynnika siły nośnej, od cz = 0,3 do cz = 1, widoczny jest, w praktycznie wszystkich badanych konfiguracjach modelu z wingletami W1+W2, W3+W2, W3 (model z wypełnieniem powierzchni między płatami, nad kabiną, w formie pokrywy spadochronu ratunkowego) przyrost współczynnika siły nośnej w funkcji zmienności kąta natarcia α, w porównaniu z charakterystyką cz = f (α) dla wersji bazowej modelu, przyjmujący formę zbliżoną do siodła. Widoczne jest podwójne przegięcie charakterystyk cz = f (α). Pochodna współczynnika siły nośnej dcz/dα wobszarze użytkowych kątów natarcia jest, praktycznie rzecz biorąc, dla wszystkich badanych konfiguracji modelu z wingletami, zbliżona do pochodnej dla modelu w wersji bazowej. Zastosowanie wingletów nieznacznie wpływa na wzrost wartości minimalnego współczynnika oporu cxmin w porównaniu do wersji bazowej. Jednak wraz ze wzrostem kąta natarcia uwidacznia się nieco silniejszy przyrost współczynnika oporu wersji z wingletami w porównaniu z wersją bazową. może być to wynikiem zastosowania uproszczonych modeli wingletów w postaci płaskich płytki. Niemniej jednak w obszarze użytkowych wartości współczynnika siły nośnej przebieg biegunowych dla wersji modelu z wingletami W1+W2 oraz wingletami W3+W2 jest praktycznie taki sam jak dla wersji bazowej modelu. Należy zauważyć także, że dla modelu z wingletem W3 (oczywiście parą tych wingletów na lewym i prawym skrzydle) - w obszarze użytkowych wartości współczynnika siły nośnej od cz = 0,4 do cz = 1,1 biegunowa tej wersji ma nieco korzystniejszy przebieg niż biegunowa wersji bazowej niższe współczynniki oporu dla współczynników siły nośnej z tego zakresu. Pozwala to na wyciągnięcie wniosku, że konfiguracja modelu z wingletem W3 była najkorzystniejszą z badanych konfiguracji. Powyższy wniosek znajduje potwierdzenie w przebiegach zmian tak doskonałości cz/cx jak i współczynnika długotrwałości lotu cz 3/2 /cx w funkcji zmian współczynnika siły nośnej cz w obszarach maksymalnych wartości obu tych wielkości, konfiguracja modelu z zastosowaniem wingletu W3 jest nieco korzystniejsza od modelu w wersji bazowej. Zastosowanie wingletów (w badanych konfiguracjach modelu samolotu) praktycznie nie wpłynęło na przebieg zależności współczynnika momentu pochylającego w porównaniu do wersji bazowej. Warto także zauważyć, iż zastosowanie zaproponowanego pokrycia przestrzeni nad kabiną, między płytkami, dedykowanego jako pokrywy spadochronu ratunkowego dla całego samolotu, nie wpłynęło w istotny sposób na charakterystyki aerodyna-

20 48 ZygmuNt WySockI, maximilian NIemcZyckI miczne modelu. Nieznaczne różnice mogą być wynikiem niedokładności wykonania tego elementu z plasteliny rzeźbiarskiej jak i istotną różnicą w chropowatości tego elementu w porównaniu z chropowatością modelu bazowego. Przy poprawnym wykonaniu tego elementu można oczekiwać pewnej poprawy charakterystyk aerodynamicznych modelu samolotu o czym świadczyły wyniki obliczeń numerycznych przeprowadzonych uprzednio w Instytucie lotnictwa.[5] Zastosowanie wychylonego do góry hamulca, będącego fragmentem przedniej części pokrywy spadochronu ratunkowego, wpłynęło zdecydowanie na zmiany charakterystyk aerodynamicznych badanego modelu. W porównaniu do wersji bazowej widoczne są znaczne zwiększenie kąta natarcia dla zerowej siły nośnej jak też zdecydowane, oczekiwane przyrosty współczynnika oporu w całym, badanym zakresie kątów natarcia. W szerokim zakresie podkrytycznych kątów natarcia widoczny jest wpływ wychylonego hamulca na wzrost wartości momentu pochylającego (samolot jest bardziej pochylany na łeb ). Niemniej jednak pochodna dcmy/dα dla modelu z wychylonym hamulcem jest nieco mniejsza od modelu w wersji bazowej. Wydaje się, że zastosowanie takiego hamulca byłoby wskazane raczej do fazy szybkiego skracania dobiegu. Krótkie podsumowanie. Przeprowadzone badania pokazały, że nawet zastosowanie tak uproszczonych modeli wingletów może przynieść pozytywny wpływ na zmiany charakterystyk aerodynamicznych badanego modelu lekkiego samolotu. Świadczy to o poprawnym kierunku działania i pozwala stwierdzić, że dalsze prace nad dopracowaniem geometrii wingletów kształt, dobór profilu itp. może wpłynąć na istotną poprawę charakterystyk aerodynamicznych badanego modelu. Wydaje się być sensownym opracowanie geometrii i konstrukcji pokryw spadochronu ratunkowego i wykorzystanie przedniej części takiej pokrywy jako hamulca aerodynamicznego, umożliwiającego znaczne skrócenie dobiegu samolotu. Podziękowanie autorzy pragną tą drogą podziękować kolegom maciejowi kaiserowi, Robertowi Plackowi i andrzej milczarkowi za udział w pracach przy montażu modelu oraz w badaniach. Literatura. 1. doug mclean-wingtip devices: What they do and how they do it,boeing Performance and Flight operations engineering conference, 2005; 2. V-Formation Flight of Birds, 3. From the original idea of Fred george (B/ca)-uNdeRStaNdINg WINgletS tech- Nology; 4. esdu aerodynamic PRINcIPleS of WINgletS 5. W. Stalewski-obliczeniowa analiza własności aerodynamicznych samolotu as-2, Spr. I.lot. 152/Ba/98/d

21 WStęPNe StudIum WPłyWu WINgletóW I hamulca aerodynamicznego Na ZmIaNy charakterystyk 49 ZygmuNt WySockI, Institute of Aviation maximilian NIemcZyckI, student of Embry-Riddle Aeronautical University PRelImINaRy Study of WINgletS and aerodynamic BRake INFlueNce on changes IN the aerodynamic characteristics of the as-2 club airplane WINd tunnel model Summary A summary of the investigations presented in paper, which were performed to demonstrate the influence of simple winglets and aerodynamic brake to change certain aerodynamic characteristics of the wind tunnel model of lightweight club aircraft AS-2. The characteristics of the tested configuration model were obtained during the force measurements carried out in the Aviation Institute T-1 wind tunnel. This tunnel is a closed cirquit design with open circular 1,5 m diameter test section.