Загрузка крыла

Общая масса, разделенная на площадь крыла

У Monarch Butterfly очень низкая нагрузка на крыло – 0,168 кг/м ^{2 .}

McDonnell Douglas MD-11 имеет высокую максимальную нагрузку на крыло – 837 кг/м ^{2 .}

В аэродинамике нагрузка на крыло — это общая масса самолета или летающего животного, деленная на площадь его крыла . ^{[1] [a]} Скорость сваливания , скорость взлета и скорость посадки самолета частично определяются нагрузкой на его крыло. ^[2]

Чем быстрее летит самолет, тем больше изменяется его подъемная сила при изменении угла атаки, поэтому вертикальные порывы ветра меньше влияют на крыло меньшего размера . Следовательно, более быстрые самолеты обычно имеют более высокую нагрузку на крыло, чем более медленные, чтобы избежать чрезмерной реакции на вертикальные порывы ветра.

Более высокая нагрузка на крыло также снижает маневренность. Те же ограничения применимы и к крылатым биологическим организмам.

Диапазон нагрузок на крыло

Влияние на производительность

Нагрузка на крыло является полезным показателем 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 по отношению к его массе (т. е. с низкой нагрузкой на крыло) будет иметь меньшую скорость сваливания. Следовательно, самолет с меньшей нагрузкой на крыло сможет взлетать и приземляться с меньшей скоростью (или сможет взлетать с большей нагрузкой). Он также сможет поворачиваться с большей скоростью.

Влияние на скорость взлета и посадки

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

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

где ρ — плотность воздуха, а _CL — коэффициент подъемной силы . Коэффициент подъемной силы — безразмерная величина, зависящая от профиля поперечного сечения крыла и угла атаки . ^[11] При устойчивом полете, без набора высоты и пикирования, подъемная сила и вес равны. При L/A = Mg/A = WS g , где _M — масса самолета, WS = _M / A — нагрузка на крыло (в единицах массы/площади, т. е. фунты/фут 2 ^или кг/м ² , а не сила/ площадь) и g — ускорение свободного падения, это уравнение дает скорость v через ^[12]

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

Как следствие, самолеты с одинаковым C _L при взлете в одних и тех же атмосферных условиях будут иметь взлетные скорости, пропорциональные . Таким образом, если площадь крыла самолета увеличить на 10% и больше ничего не изменить, скорость взлета упадет примерно на 5%. Аналогично, если самолет, рассчитанный на взлет со скоростью 150 миль в час, в процессе разработки увеличит вес на 40%, его скорость взлета увеличится до = 177 миль в час. ${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {W_{S}}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle 150{\sqrt {1.4}}}$

Некоторые летчики полагаются на свою мышечную силу, чтобы набрать скорость при взлете над землей или водой. Наземные гнездящиеся и водоплавающие птицы должны иметь возможность бегать или грести со своей взлетной скоростью, прежде чем они смогут взлететь. То же самое относится и к пилотам дельтапланов, хотя они могут получить помощь от спуска с горы. Для всего этого низкий показатель W _S имеет решающее значение, тогда как воробьиные и птицы, обитающие на скалах, могут подниматься в воздух с более высокой нагрузкой на крыло.

Влияние на поворачиваемость

Чтобы развернуться, самолет должен катиться в направлении разворота, увеличивая угол крена самолета . Поворот при полете снижает подъемную силу крыла против силы тяжести и, следовательно, вызывает снижение. Чтобы компенсировать это, подъемную силу необходимо увеличить за счет увеличения угла атаки за счет отклонения руля высоты вверх , что увеличивает сопротивление. Поворот можно описать как «набор высоты по кругу» (подъемная сила крыла направляется на поворот самолета), поэтому увеличение угла атаки крыла создает еще большее сопротивление. Чем меньше был радиус поворота , тем больше возникало сопротивление; для этого необходимо добавить мощность (тягу) для преодоления сопротивления. Максимальная скорость разворота, возможная для данной конструкции самолета, ограничена размером его крыла и доступной мощностью двигателя: максимальный разворот, который самолет может достичь и удержать, - это его характеристики устойчивого разворота . По мере увеличения угла крена увеличивается и перегрузка, приложенная к самолету, что приводит к увеличению нагрузки на крыло, а также скорости сваливания . Этот эффект также наблюдается во время маневров по горизонтальному тангажу . ^[13]

Коэффициент нагрузки меняется в зависимости от высоты при 50 или 100 фунтах/кв. футах.

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 коэффициенте подъемной силы 0,7 нагрузка на крыло в 50 фунтов/кв. футов (240 кг/м ² ) может достигать конструктивного предела в 7,33 г на высоте до 15 000 футов (4 600 м), а затем снижается до 2,3 г на высоте 40 000 футов ( 12 000 м). При нагрузке на крыло 100 фунтов/кв. футов (490 кг/м ² ) коэффициент нагрузки вдвое меньше и едва достигает 1 г на высоте 40 000 футов. ^[14]

Самолеты с низкой нагрузкой на крыло, как правило, имеют превосходные характеристики устойчивого разворота, поскольку они могут создавать большую подъемную силу при заданной тяге двигателя. Непосредственный угол крена, который самолет может достичь до того, как сопротивление серьезно ухудшит воздушную скорость, известен как его мгновенная характеристика разворота . Самолет с небольшим, сильно нагруженным крылом может иметь превосходные характеристики мгновенного разворота, но плохие характеристики устойчивого разворота: он быстро реагирует на команды управления, но его способность выдерживать крутой разворот ограничена. Классическим примером является истребитель F-104 Starfighter , который имеет очень маленькое крыло и высокую нагрузку 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 в 269 кг/м ² (55 фунтов/кв. фут), что позволяло ему выдерживать более крутые повороты на большой высоте, чем современные реактивные истребители. , в то время как чуть более поздний Hawker Hunter имел аналогичную нагрузку на крыло 344 кг/м ² (70 фунтов/кв. футов). Прототип авиалайнера Boeing 367-80 мог катиться на малых высотах с нагрузкой на крыло 387 кг/м ² (79 фунтов/кв. футов) при максимальной массе.

Как и любое тело, находящееся в круговом движении , летательный аппарат, который достаточно быстр и силен, чтобы поддерживать горизонтальный полет со скоростью v по кругу радиуса R , ускоряется к центру при . Это ускорение вызвано внутренней горизонтальной составляющей подъемной силы , где – угол крена. Тогда из второго закона Ньютона : ${\displaystyle \scriptstyle {\frac {v^{2}}{R}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle Lsin\theta }$ ${\displaystyle \theta }$

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

Решение для R дает

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

Чем меньше нагрузка на крыло, тем круче поворот.

Планерам, предназначенным для использования термических потоков, необходим небольшой радиус поворота, чтобы оставаться в пределах поднимающегося столба воздуха, и то же самое справедливо и для парящих птиц. Другим птицам, например тем, которые ловят насекомых на крыле, также необходима высокая маневренность. Всем нужна низкая нагрузка на крыло.

Влияние на стабильность

Нагрузка на крыло также влияет на реакцию на порывы ветра , степень воздействия на самолет турбулентности и изменений плотности воздуха. Маленькое крыло имеет меньшую площадь, на которую может действовать порыв ветра, и оба эти фактора служат для плавности полета. Для высокоскоростного полета на малой высоте (например, быстрого бомбометания на малой высоте в штурмовике ) предпочтительнее маленькое, тонкое, сильно нагруженное крыло: самолеты с низкой нагрузкой на крыло часто подвергаются грубому, карающему воздействию. ездить в таком режиме полета. F -15E Strike Eagle имеет нагрузку на крыло 650 кг на квадратный метр (130 фунтов/кв. фут) (без учета вклада фюзеляжа в эффективную площадь), тогда как большинство самолетов с треугольным крылом (таких как Dassault Mirage III , для _{которого} WS = 387 кг/м ² ), как правило, имеют большие крылья и низкую нагрузку на крыло. ^{[ нужна цитата ]}

Количественно, если порыв ветра создает восходящее давление G (скажем, в Н/м ² ) на самолет массой M , то ускорение вверх a по второму закону Ньютона будет определяться выражением

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

уменьшается с увеличением нагрузки на крыло.

Эффект развития

Еще одна сложность с загрузкой крыла состоит в том, что трудно существенно изменить площадь крыла существующей конструкции самолета (хотя скромные улучшения возможны). По мере разработки самолетов они склонны к « росту веса » — добавлению оборудования и функций, которые существенно увеличивают эксплуатационную массу самолета. Самолет, нагрузка на крыло которого в исходной конструкции была умеренной, может оказаться с очень высокой нагрузкой на крыло по мере добавления нового оборудования. Хотя двигатели можно заменить или модернизировать для получения дополнительной тяги, влияние на характеристики разворота и взлета, возникающее из-за более высокой нагрузки на крыло, не так-то легко согласовать.

Использование водяного балласта в планерах

В современных планерах часто используется водяной балласт, расположенный в крыльях, чтобы увеличить нагрузку на крыло при сильных условиях полета . Увеличивая нагрузку на крыло, можно увеличить среднюю скорость, достигаемую по стране, чтобы воспользоваться преимуществами сильных термических потоков. При более высокой нагрузке на крыло заданное аэродинамическое качество достигается при более высокой скорости полета , чем при более низкой нагрузке на крыло, и это позволяет достичь более высокой средней скорости по пересеченной местности. Балласт можно сбросить за борт при ухудшении условий или перед приземлением.

Рекомендации по проектированию

Лифт фюзеляжа

F -15E Strike Eagle имеет большое относительно легконагруженное крыло.

Смешанная конструкция крыла и фюзеляжа, такая как у General Dynamics F-16 Fighting Falcon или Микояна МиГ-29 Fulcrum, помогает снизить нагрузку на крыло; в такой конструкции фюзеляж создает аэродинамическую подъемную силу, тем самым улучшая нагрузку на крыло при сохранении высоких характеристик.

Крыло изменяемой стреловидности

Такие самолеты, как Grumman F-14 Tomcat и Panavia Tornado, используют крылья изменяемой стреловидности . Поскольку площадь крыла в полете меняется, меняется и нагрузка на крыло (хотя это не единственное преимущество). Когда крыло находится в переднем положении, взлетно-посадочные характеристики значительно улучшаются. ^[15]

закрылки

Как и все закрылки самолета, закрылки Фаулера увеличивают развал и, следовательно, максимальное значение коэффициента подъемной силы ( C _Lmax ), снижая посадочную скорость. Они также увеличивают площадь крыла, уменьшая нагрузку на крыло, что еще больше снижает посадочную скорость. ^[16]

High lift devices such as certain flaps allow the option of smaller wings to be used in a design in order to achieve similar landing speeds compared to an alternate design using a larger wing without a high lift device. Such options allow for higher wing loading in a design. This may result in beneficial features, such as higher cruise speeds or a reduction in bumpiness at high speed low altitude flight (the latter feature is very important for close air support aircraft roles). For instance, Lockheed's Starfighter uses internal Blown flaps to achieve a high wing loading design (723 kg/m²) with allows it a much smoother low altitude flight at full throttle speeds compared to low wing loading delta designs such as the Mirage 2000 or Mirage III (387 kg/m²). The F-16 which has a relatively high wing loading of 689 kg/m² uses leading-edge extensions to increase wing lift at high angles of attack.

See also

• Disk loading
• Lift coefficient

References

Notes

1. "Wing Loading Definition". Merriam Webster.
2. "Chapter 11: Aircraft Performance". Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (FAA-H-8083-25C ed.). Federal Aviation Administration. 17 July 2023. pp. 8–9.
3. Hendrik Tennekes (2009). The simple science of Flight: From Insects to Jumbo Jets. MIT Press. ISBN 978-0-262-51313-5., "Figure 2: The great flight diagram".
4. Thomas Alerstam, Mikael Rosén, Johan Bäckman, Per G. P Ericson, Olof Hellgren (17 July 2007). "Flight Speeds among Bird Species: Allometric and Phylogenetic Effects". PLOS Biology. 5 (8): e197. doi:10.1371/journal.pbio.0050197. PMC 1914071. PMID 17645390.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
5. Meunier, K. Korrelation und Umkonstruktionen in den Größenbeziehungen zwischen Vogelflügel und Vogelkörper-Biologia Generalis 1951: pp. 403-443. [Article in German]
6. Gérard Florit (23 January 2016). "Ozone Buzz Z3". P@r@2000.
7. "Sport 2 / 2C". Wills Wing.
8. "Sporting Code Section 3: Gliding". Fédération Aéronautique Internationale. 12 October 2016.
9. "Microlights". UK Civil Aviation Authority. or a stalling speed at the maximum weight authorised not exceeding 35 knots calibrated speed
10. Lloyd R. Jenkinson; Paul Simpkin; Darren Rhodes (30 July 1999). "Aircraft Data File". Civil Jet Aircraft Design. Elsevier Limited.
11. Anderson, 1999 p. 58
12. Anderson, 1999 pp. 201–3
13. Спик, 1986. с. 24.
14. Лоуренс К. Лофтин младший (1985). «Глава 11 – Маневренность самолета». В поисках производительности - эволюция современных самолетов. Отделение научно-технической информации НАСА.
15. Спик, 1986. стр. 84–87.
16. Андерсон 1999, стр. 30–1.

Библиография

• Андерсон, Джон Д. младший. (1999). Летно-технические характеристики и конструкция самолетов. Кембридж: WCB/McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8.
• Спик, Майк (1986). Реактивный истребитель Performance-Корея-Вьетнам. Оцеола, Висконсин: Motorbooks International. ISBN 0-7110-1582-1.

Примечания

1. Для самолетов сюда входит площадь элеронов . ^[2]
2. 138 видов от 10 г до 10 кг, от мелких воробьиных до лебедей и журавлей .
3. при максимальном весе
4. принятый закон
5. для двухместного наземного самолета
6. при максимальном весе

Внешние ссылки

• Лоуренс К. Лофтин младший (1985). «Глава 7: Тенденции проектирования — скорость сваливания, загрузка крыла и максимальный коэффициент подъемной силы». В поисках производительности - эволюция современных самолетов. Отделение научно-технической информации НАСА.
• Эрл Л. Пул (1938). «Вес и площадь крыльев североамериканских птиц» (PDF) . Аук .