Vingbelastning - Wing loading

I aerodynamikk er vingebelastning den totale massen til et fly eller flygende dyr delt på arealet av vingene. Den steilehastigheter av et fly i rett, plan flukt bestemmes delvis av sin vinge lasting. Et fly eller dyr med lav vingebelastning har et større vingeareal i forhold til massen, sammenlignet med et med høy vingebelastning.

Jo raskere et fly fly, jo mer heis kan produseres av hver enhet av vingeareal, slik at en mindre fløy kan bære samme masse i plan flyging. Følgelig har raskere fly generelt høyere vingebelastning enn tregere fly. Denne økte vingelastingen øker også start- og landingsavstander . En høyere vingebelastning reduserer også manøvreringsevnen. De samme begrensningene gjelder for bevingede biologiske organismer.

Rekkevidde av vingebelastninger

Eksempler på fløybelastning

Fly	Type	Introduksjon	MTOW	Vingeområde	kg / m 2	lb / sqft
Monark sommerfugl	Dyr	Cenozoic			0,168	0,034
fugler	Dyr	Kritt			1–20	0,20–4,10
fugleflukt øvre kritisk grense	Dyr				25	5.1
Ozone Buzz Z3 MS	Paraglider	2010	75–95 kg (165–209 lb)	25,8 m 2 (278 kvm)	2.9–3.7	0,59–0,76
Wills Wing Sport 2 155	Hangglider	2004	94,8–139,8 kg (209–308 pund)	14,4 m 2 (155 kvm)	6.6–9.7	1.4–2.0
øvre grense	Microlift seilfly	2008	220 kg (490 lb) maks.	12,2 m 2 (131 kvm) min.	18	3.7
CAA (UK) forskrifter	mikrolette vingebelastning grense	2008	450 kg (990 lb) maks.	18 m 2 (190 kvm) min.	25	5.1
Schleicher ASW 22	Glidefly	1981	850 kg (1870 pund)	16,7 m 2 (180 kvm)	50.9	10.4
Piper Warrior	Generell luftfart	1960	1055 kg (2326 lb)	15,14 m 2 (163,0 kvm)	69,7	14.3
Beechcraft Baron	Generell luftfart med to motorer	1960	2313 kg (5099 lb)	18,5 m 2 (199 kvm)	125	26
Supermarine Spitfire	Fighter (WWII)	1938	3039 kg (6700 lb)	22,48 m 2 (242,0 kvm)	135	28
Beechcraft Airliner	Passasjerfly (pendler)	1968	4727 kg (10421 lb)	25,99 m 2 (279,8 kvm)	182	37
Learjet 31	Forretningsfly	1990	7,031 kg (15,501 lb)	24,57 m 2 (264,5 kvm)	286	59
Mikoyan MiG-23	Fighter ( variabel geometri )	1970	17.800 kg (39.200 lb)	34,16–37,35 m 2 (367,7–402,0 kvm)	477–521	98–107
General Dynamics F-16	Fighter (multirolle)	1978	19.200 kg (42.300 lb)	27,87 m 2 (300,0 kvm)	688,9	141.1
Fokker F27	Passasjerfly ( turboprop )	1958	19.773 kg (43.592 lb)	70 m 2 (750 kvm)	282	58
McDonnell Douglas F-15 Eagle	Fighter (luftoverlegenhet)	1976	30.845 kg (68.002 lb)	56,5 m 2 (608 kvm)	546	112
Fokker F28 Fellowship	Passasjerfly (regionaljet)	1969	33.000 kg (73.000 lb)	78,97 m 2 (850,0 kvm)	418	86
Boeing 737-300	Passasjerfly ( smal kropp )	1984	62.820 kg (138.490 lb)	91,04 m 2 (979,9 kvm)	690	140
Boeing 737-900	Passasjerfly (smal kropp)	2001	84139 kg (185,495 lb)	124,6 m 2 (1341 kvm)	675	138
Boeing 767	Passasjerfly ( bred kropp )	1982	142,882 kg (315,001 lb)	283,3 m 2 (3049 kvm)	504	103
Concorde	Passasjerfly (supersonisk)	1976	187.000 kg (412.000 lb)	358,2 m 2 (3856 kvm)	522	107
Rockwell B-1B Lancer	Bomber (variabel geometri)	1983	148.000 kg (326.000 lb)	181,2 m 2 (1.950 kvm)	818	168
Boeing 777	Passasjerfly (bred kropp)	1995	247.200 kg (545.000 lb)	427,8 m 2 (4605 kvm)	578	118
Boeing 747	Passasjerfly (bred kropp)	1970	333.000 kg (734.000 lb)	511 m 2 (5500 kvm)	652	134
Airbus A380	Passasjerfly (bred kropp)	2007	575.000 kg (1.268.000 lb)	845 m 2 (9100 kvm)	680	140

Effekt på ytelse

Vingebelastning er et nyttig mål på steilehastigheter av et luftfartøy. Vinger genererer løft på grunn av luftens bevegelse rundt vingen. Større vinger beveger seg mer luft, så et fly med et stort vingeareal i forhold til massen (dvs. lav vingebelastning) vil ha lavere stopphastighet. Derfor vil et fly med lavere vingebelastning kunne ta av og lande med lavere hastighet (eller være i stand til å ta av med større belastning). Den vil også kunne snu i større grad.

Effekt på start- og landingshastighet

Løftekraften L på en fløy av område A , som kjører med sann flyhastighet v, er gitt av

${\ displaystyle L = {\ tfrac {1} {2}} \ rho v ^ {2} AC_ {L}}$ ,

hvor ρ er tettheten av luft og C _L er hevekoeffisienten . Heisekoeffisienten er et dimensjonsløst tall som avhenger av vingetverrsnittsprofilen og angrepsvinkelen . Ved start eller i jevn flyging er verken klatring eller dykking, løftekraften og vekten like. Med L / A = Mg / A = W _S g , hvor M er flyets masse, W _S = M / A vingelaste (i masse / område enhetene, dvs. lb / ft ² eller kg / m ² , ikke tvinge / areal) og g akselerasjonen på grunn av tyngdekraften, den ligningen gir hastigheten v gjennom

${\ displaystyle \ textstyle v ^ {2} = {\ frac {2gW_ {S}} {\ rho C_ {L}}}}$ .

Som en konsekvens, luftfartøy med det samme C- _L vil ved avgang under de samme atmosfæriske betingelser har ut- hastigheter proporsjonalt med . Så hvis et flys vingeareal økes med 10% og ingenting annet endres, vil starthastigheten falle med omtrent 5%. På samme måte, hvis et fly designet til å ta av ved 150 km / t vokser i vekt under utvikling med 40%, øker starthastigheten til = 177 km / t. ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {W_ {S}}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle 150 {\ sqrt {1.4}}}$

Noen flygeblad stoler på muskelkraften for å få fart for start over land eller vann. Jordhekk og vannfugler må kunne løpe eller padle i starthastigheten før de kan ta av. Det samme er tilfelle for en hanggliderpilot, selv om de kan få hjelp fra en utforkjøring. For alle disse er en lav W _S kritisk, mens fugler og klippefugler kan bli luftbårne med høyere vingebelastninger.

Effekt på snuytelse

For å snu må et fly rulle i retning av svingen, noe som øker flyets bankvinkel . Å dreie fly senker vingens heiskomponent mot tyngdekraften og forårsaker dermed en nedstigning. For å kompensere for dette, må den løftekraften økes ved å øke angrepsvinkel ved bruk av opp heis nedbøyning som øker luftmotstanden. Sving kan beskrives som 'klatring rundt en sirkel' (vingeliften blir omdirigert til å snu flyet), slik at økningen i angrepsvinkelen skaper enda mer motstand. Jo strammere svingradiusen ble forsøkt, jo mer motstand ble indusert; dette krever at kraft (skyvekraft) legges til for å overvinne dra. Maksimal svinghastighet mulig for et gitt flydesign er begrenset av vingestørrelsen og tilgjengelig motoreffekt: den maksimale svingen flyet kan oppnå og holde, er dens vedvarende svingytelse . Når bankvinkelen øker, øker også g-kraften som påføres flyet, noe som har den effekten at vingelastingen øker og også stopphastigheten . Denne effekten oppleves også under nivåhendingsmanøvrer .

Ettersom stalling skyldes vingebelastning og maksimal løftekoeffisient i en gitt høyde og hastighet, begrenser dette svingradiusen på grunn av maksimal belastningsfaktor . Ved løftekoeffisienten Mach 0,85 og 0,7 kan en vingebelastning på 240 kg / m ² nå en strukturell grense på 7,33 g opp til 15 000 fot (4600 m) og deretter reduseres til 2,3 g ved 40 000 fot ( 12.000 m). Med en vingebelastning på 490 kg / m ² er lastfaktoren to ganger mindre og når knapt 1 g ved 40.000 fot.

Fly med lave vingebelastninger har en overlegen vedvarende svingytelse fordi de kan generere mer løft for en gitt mengde motorkraft. Den umiddelbare bankvinkelen et fly kan oppnå før dra blødes av lufthastigheten, er kjent som dens øyeblikkelige svingytelse . Et fly med en liten, høyt belastet vinge kan ha overlegen øyeblikkelig svingytelse, men dårlig vedvarende svingytelse: det reagerer raskt på kontrollinngang, men dets evne til å opprettholde en tett sving er begrenset. Et klassisk eksempel er F-104 Starfighter , som har en veldig liten vinge og høy 723 kg / m ² (148 lb / sq ft) vingebelastning.

I den motsatte enden av spekteret var den store Convair B-36 : dens store vinger resulterte i en lav 269 kg / m ² (55 lb / sq ft) vingebelastning som kunne få den til å opprettholde strammere svinger i høy høyde enn moderne jetfighters , mens den litt senere Hawker Hunter hadde en lignende vingebelastning på 344 kg / m ² (70 lb / sq ft). The Boeing 367-80 passasjerfly prototypen kunne rulles i lav høyde med en vingebelastning på 387 kg / m ² (79 Ib / sq ft) ved maksimal vekt.

Som et hvilket som helst legeme i sirkulær bevegelse , akselererer et fly som er raskt og sterkt nok til å opprettholde nivåflyging i hastighet v i en sirkel med radius R mot sentrum kl . Denne akselerasjonen er forårsaket av heisens indre horisontale komponent , hvor er bankvinkelen. Så fra Newtons andre lov , ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ frac {v ^ {2}} {R}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle Lsin \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

${\ displaystyle \ textstyle {\ frac {Mv ^ {2}} {R}} = L \ sin \ theta = {\ frac {1} {2}} v ^ {2} \ rho C_ {L} A \ sin \ theta.}$

Å løse for R gir

${\ displaystyle \ textstyle R = {\ frac {2Ws} {\ rho C_ {L} \ sin \ theta}}.}$

Jo mindre vingebelastningen er, jo strammere blir svingen.

Seilfly designet for å utnytte termisk bruk trenger en liten snu sirkel for å holde seg innenfor den stigende luftkolonnen, og det samme gjelder for skyhøye fugler. Andre fugler, for eksempel de som fanger insekter på vingen, trenger også høy manøvrerbarhet. Alle trenger lave vingebelastninger.

Effekt på stabilitet

Vingbelastning påvirker også vindrespons , i hvilken grad flyet påvirkes av turbulens og variasjoner i lufttetthet. En liten vinge har mindre areal som et vindkast kan virke på, og begge tjener til å jevne ut turen. For høyhastighets lavtflyging (for eksempel en hurtig lavnivåbombing i et angrepsfly ), foretrekkes en liten, tynn, høyt lastet vinge: fly med lav vingelasting er ofte utsatt for en grov, straffende ri i dette flyregimet. Den F-15E Strike Eagle har en vingebelastning på 650 kg pr kvadratmeter (130 lb / sq ft) (unntatt skrog bidrag til det effektive areal), mens de fleste deltaving luftfartøy (for eksempel Dassault Mirage III , til hvilken W _S = 387 kg / m ² ) har en tendens til å ha store vinger og lave vingebelastninger.

Kvantitativt, hvis et vindkast produserer et oppadgående trykk på G (i N / m ² , si) på et fly med masse M , blir akselerasjonen oppover en vilje, av Newtons andre lov gitt av

${\ displaystyle \ textstyle a = {\ frac {GA} {M}} = {\ frac {G} {W_ {S}}}}$ ,

avtar med vingebelastning.

Effekt av utvikling

En ytterligere komplikasjon med vingebelastning er at det er vanskelig å endre vingearealet til et eksisterende flydesign vesentlig (selv om beskjedne forbedringer er mulige). Etter hvert som fly utvikles, er de utsatt for " vektvekst " - tillegg av utstyr og funksjoner som vesentlig øker flyets driftsmasse. Et fly med vingebelastning som er moderat i sin opprinnelige design, kan ende opp med veldig høy vingebelastning når nytt utstyr blir lagt til. Selv om motorene kan byttes ut eller oppgraderes for ekstra skyvekraft, blir ikke effekten på sving og startytelse som følge av høyere vingebelastning forenet så lett.

Vannballastbruk i seilfly

Moderne seilfly bruker ofte vannballast som bæres i vingene for å øke vingebelastningen når høye forhold er sterke. Ved å øke vingebelastningen kan gjennomsnittshastigheten oppnådd over hele landet økes for å dra nytte av sterk termisk temperatur. Med høyere vingebelastning oppnås et gitt løft-til-drag-forhold med høyere flyhastighet enn med lavere vingebelastning, og dette gir raskere gjennomsnittshastighet over hele landet. Ballasten kan kastes over bord når forholdene svekkes eller før landing.

Designhensyn

Skroget heis

En blandet vingekroppsdesign som den som finnes på General Dynamics F-16 Fighting Falcon eller Mikoyan MiG-29 Fulcrum, bidrar til å redusere vingebelastningen; i en slik utforming skroget genererer aerodynamisk løft, og forbedrer dermed vingebelastningen samtidig som den opprettholder høy ytelse.

Variabel feiefløy

Fly som Grumman F-14 Tomcat og Panavia Tornado benytter vinger med variabel sveip . Ettersom vingområdet deres varierer under flyging, gjør det også vingebelastningen (selv om dette ikke er den eneste fordelen). Når vingen er i fremre stilling, er start og landingsytelse forbedret.

Fowler klaffer

Som alle flyklaffer øker Fowler- klaffene camber og dermed C _L , og senker landingshastigheten. De øker også vingearealet og reduserer vingebelastningen, noe som senker landingshastigheten ytterligere.

Se også

• Diskinnlasting
• Løft koeffisient

Referanser

Merknader

Bibliografi

• Anderson, John D. Jnr. (1999). Flyytelse og design . Cambridge: WCB / McGraw-Hill. ISBN   0-07-116010-8 .
• Spick, Mike (1986). Jet Fighter Performance-Korea til Vietnam . Osceola, Wisconsin: Motorbooks International. ISBN   0-7110-1582-1 .

Merknader

Eksterne linker

• Laurence K. Loftin, Jr. (1985). "Kapittel 7: Designtrender - stallingshastighet, vingelasting og maksimal løftekoeffisient". Quest for Performance - The Evolution of Modern Aircraft . NASAs vitenskapelige og tekniske informasjonsgren.
• Earl L. Poole (1938). "Vekter og vingearealer i nordamerikanske fugler" (PDF) . Auken .