1

1MTM175 – Allmän flygteknik

Grundläggande aerodynamik, del 2

Mer om vingprofilerKort om flygplanets anatomiLyftkraft/lyftkraftskoefficienten, CL

Alternativa metoder för lyftkraftsalstringVingar

2MTM175 – Allmän flygteknik

Vingprofiler

Välvd/tjock profil

Ex: Cessna 172, Piper PA-28

Fördelar:Goda stallegenskaper

Nackdelar:Ger stort motstånd

2

3MTM175 – Allmän flygteknik

Vingprofiler, forts.

Symmetrisk profilMer manöverdugligStabilisator/rotorblad

Tunn profilHög fartDåliga stallegenskaper

4MTM175 – Allmän flygteknik

Vingprofiler, forts.

Nomenklatur – vingprofil

Vinkeln mellan korda och relativa luftströmmen kallas för anfallsvinkel Angle of Attack, och brukar anges med α (alfa)

Vinkeln mellan korda och flygplanets längdaxel kallas angle of incidence (inställningsvinkel)

3

5MTM175 – Allmän flygteknik

Flygplanets anatomi

Konventionellt flygplanVingarna genererar lyftkraft, motorerna genererar dragkraftFlygkroppen ger utrymme för last (pax, gods, vapen mm.)Stjärtsektionen utgörs av stabilisator och fena; sörjer för stabilitet och styrning (styrning även från skevrodren på vingarna)Stabilisatorn balanserar ut momentet mellan L och W

6MTM175 – Allmän flygteknik

Flygplanets anatomi, forts.

Alternativa konfigurationer:Nosvinge/canard

Nosvingen ger lyftkraft + styrningSämre stallegenskaper

Ex: JAS, Viggen, Wright Flyer etc.

4

7MTM175 – Allmän flygteknik

Flygplanets anatomi, forts.

Alternativa konfigurationer:Deltavinge

Använder ”elevons” för styrningHögfartsflygningEx: Draken, Concorde etc.

8MTM175 – Allmän flygteknik

Lyftkraft/lyftkraftskoefficienten, CL

Det vanligaste sättet att uttrycka lyftkraft på är:

Som säger: Lyftkraften styrs av luftens densitet, flyghastighet,vingarean (S) och en faktor som kallas för CL

Säger även: Lyftkraften är direkt proportionell mot det dynamiska trycket, och därmed även hastigheten

Faktorn CL kan ses som ett mått på hur effektiv en vinge är på att generera lyftkraft

LSCVL 221 ρ= (ekv. 5.17)

5

9MTM175 – Allmän flygteknik

Lyftkraft/CL, forts.

CL är en funktion av anfallsvinkel, Mach-talet och Reynolds tal, dvs.

Påverkas huvudsakligen av vingens geometri – vingprofil och utformning

Hela den komplicerade strömningen kring vingen är inbakad i koefficienten (fås fram genom tester, beräkningar)

Teoretiskt sett kan CL användas för att testa modell i vindtunnel och sedan tillämpa resultaten mot en fullskalig modell – dock problem med kompressibilitet och viskositet mellan modell och fullskala

Re),,( ∞= MfCL α

10MTM175 – Allmän flygteknik

Lyftkraft/CL, forts.

En vingprofils lyftkraftsegenskaper brukar illustreras grafiskt med en CL-kurva Kurvan anger hur lyftkraften varierar mot ändrad anfallsvinkel

Enl. fig: CL proportionell mot αVisar även skillnaden mellan envälvd och en symmetrisk profilNot: Lutningen är densamma

CL ökar linjärt upp till ett visstvärde där det händer någotVingen stallar

6

11MTM175 – Allmän flygteknik

Lyftkraft/CL, forts.

Ekv. för lyftkraft visar hur CL varierar med olika flygtillstånd

Vid planflykt (jämvikt) är L = W

Flyger jag med hög hastighet behövs ett mindre värde på CL

Vid hög hastighet är det dynamiska trycket högt och står för denstörsta lyftkraftenCL är direkt kopplat mot anfallsvinkelnGer att vid hög fart krävs en mindre anfallsvinkel och vice versa

12MTM175 – Allmän flygteknik

Lyftkraft/CL, forts.

För små flygplan är hastighetsintervallet litet – ingen större ändring av anfallsvinkelStörre flygplan kan ha marschhastighet som är 3-4 ggr större än landningshastighetDe har även mindre välvda vingar – optimerade för ”cruise”Vid landning skulle dessa flygplan behöva en väldigt stor anfallsvinkel alt. väldigt hög landningshastighetLösning: Förse flygplanet med höglyftsanordningar!

Välvd vinge behöver mindre anfallsvinkelÖka lyftkraften genom ökad vingarea

7

13MTM175 – Allmän flygteknik

Stall

Enl. CL-kurvan ökar lyftkraftskoefficienten proportionellt mot anfallsvinkeln upp till en viss punkt, kallad CL,max

Vidare ökning leder till stallHär klarar strömningen inte längre av att följa vingen utan avlöserStrömningen blir mycket turbulent – lyftkraften minskar och motståndet ökarEtt flygplans stallkaraktäristik styrs dess geometri

Hela vingen behöver dock inte stalla vid samma punkt

14MTM175 – Allmän flygteknik

Stall, forts.

På flygplan med tjocka/välvda profiler sker stall oftast utan dramatikPå flygplan med tunnare vingar (även pilform) kan stall komma mycket plötsligt, utan förvarning. Ex. J29 Flygande tunnan

Vid stall:Nosen nedåt för att få upp hastighetenoch få tillbaka strömningen övervingen

8

15MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft

Normalt är stall ett tillstånd man vill undvikaUndantag finns; man kan flyga med stor α och avlöst strömning – kräver dock speciell utformning på vingarna (pilform, delta)Främst militära flygplan som är intresserade av att kunna flyga med ”hög alfa” – skarpa svängar, vid landning etc.

Ett annat exempel är ConcordeMarschfarten var M 2, men flygplanet skulle kunna landa i måttliga 350 km/hAvsaknad av klaffar betyder stor α

Hur görs det då?

16MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft, forts.

Lyftkraften genereras genom en virvelbildning över vingens framkant, kallas ”controlled separation”Undertryck inuti virvlarna ger ett tillskott av lyftkraft

Den ”normala” strömningenhålls på plats av de storavirvlarna

Normal stall utvecklas egentligenaldrig, kan dock leda till ”superstall”

9

17MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft, forts.

18MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft, forts.

MotorlyftkraftLyftkraft genom att använda motorernas dragkraftFinns några exempel; BAe Harrier, JSFEn mycket ineffektiv/energikrävande metod

10

19MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft, forts.

RotorlyftkraftHelikopterns rotorblad i princip långa roterande vingar –lyftkraften åstadkoms på samma sättHelikopterns fördelar: Kan hovra, flyga långsamt, bakåt, i sidled

Är normalt försedd medstjärtrotor – motverka motornsvridmoment till rotoraxelnAndra konstruktioner ärtvå kontra-roterande huvud-rotorer

20MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft, forts.

Komplikationer med helikopterVid flygning framåt har det framåtgående bladet en högre relativhastighet än det bakåtgåendeAsymmetrisk lyftkraft som följdLösning: ”Flapping”

Bladet tillåts röra sig upp ochner – α varierarVilket motverkar skillnadi lyftkraft

11

21MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft, forts.

Fler problem med helikopternFör att kunna generera lyftkraftmåste det bakåtgående bladetröra sig fortare än hkp:nsfart framåtVid höga hastigheter innebär detföljande:Det framåtgående bladet riskerar attkoma upp i ljudhastighetenDet bakåtgående bladet riskerar attdrabbas av omvänd strömning

Detta är faktorer som radikalt begränsarhelikopterns maxhastighet

22MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft, forts.

Kontroll & styrningVertikalled: Stigspak (”collective”)Swashplate ändrar α på allabladenFramåt/bakåt/höger/vänster:styrspak/(”cyclic”)Ändrad α på vissa blad

Svänga runt vertikalaxeln:pedaler, som ändrar αpå stjärtrotorns blad

12

23MTM175 – Allmän flygteknik

Alternativa metoder för lyftkraft, forts.

Idag förses de flesta helikoptrar med sk ”fast rotor”

Nödlandning med helikoptergörs genom autorotation

Andra varianter på rotor-lyftkraft

24MTM175 – Allmän flygteknik

Vingar

Vår betraktelse hittills av 2D-naturDock är vingar ändliga, varför ett 3D synsätt blir nödvändigtNågot mer komplicerat, där vingens planform spelar stor roll

13

25MTM175 – Allmän flygteknik

Vingar, forts.

Begrepp:

Spännvidd – avstånd mellan ving-spetsarnaSidoförhållande

eller

vingareaspännvidd

medelkordaspännvidd 2

==AR

Sb2

=AR