Vinge
Den fløj , også kendt som en vinge , vinge eller hydrofoil monteret under en båd skrog , er en bestanddel af et køretøj, hvis vigtigste opgave er at generere dynamisk løft . Vingens funktion er at generere en tilstrækkelig høj kraft vinkelret på strømningsretningen ved at påvirke strømmen omkring den. Denne kraft er liften, der holder et fly i luften eller løfter en hydrofoil (eller sejlbåd , surfbræt , wakeboard eller kiteboard ) op af vandet.
Flyvingerne er normalt udstyret med klapper, der kan bruges til at påvirke flypositionen, løfte eller trække. I store fly er der normalt knyttet motorer til dem, og brændstoftankene er også placeret i vingerne. Afstanden mellem venstre og højre vingespids kaldes vingespænd .
Arbejdsprincip
Genererer dynamisk opdrift
Bevægelse i en passende væske (såsom luft eller vand), der har egenskaberne masse , viskositet og i det mindste til en vis grad komprimeringsevne , er en forudsætning for frembringelse af løft ved hjælp af bæreflader .
Airfoils med en passende profil og angrebsvinkel afbøjer det indstrømmende væske ( downwash ) dette skaber en kraft, der virker vinkelret på strømningen. Bøjningen overfører en impuls til væsken. Ifølge Newtons første lov kræver denne ændring i strømningsretningen nedad en kontinuerligt virkende kraft. Ifølge Newtons tredje lov ( actio og reactio ) virker en lige og modsat kraft, liften, på vingen.
Løftekraftens parametre
Massen af afbøjet luft pr. Tidsenhed afhænger af dens densitet, vingernes størrelse (areal) og flyvehastighed: jo hurtigere flyet flyver, desto mere luft afbøjes på samme tid. Accelerationen af den afbøjede luftmasse afhænger af flyvehastigheden og vinkelens angrebsvinkel.
Med konstant lufttæthed, vingestørrelse og konstant angrebsvinkel er løftekraften proportional med firkantet af flyvehastigheden: Både den afbøjede luftmasse pr. Tidsenhed og dens lodrette acceleration stiger proportionalt med flyvehastigheden. Hvis lufthastigheden fordobles, og luftstrømmen ellers er den samme, accelereres både luftmængden nedad og hastigheden dobbelt. Dette betyder, at elevatoren er firedoblet.
Da afbøjningshastigheden er inkluderet i kvadratet af den drivkraft, der kræves til dette, er den krævede effekt til generering af lift imidlertid omvendt proportional med flyvehastigheden og vingenes størrelse. Dette betyder, at jo højere lufthastighed eller jo større vinger, jo lavere er fremdrivningskraften, der kræves til løft. (Dette er dog mindre end den samlede krævede drivkraft til flyvningen, se nedenfor).
Strømningsmodstand
Handlingsmekanismen beskrevet ovenfor er en del af den inducerede luftmodstand : den ekstraherer den nødvendige energi til dette i form af strømningsmodstand fra strømningssystemet, der giver løft . I princippet kan denne del af den inducerede luftmodstand ikke elimineres, fordi den fysisk tager højde for loven om bevarelse af energi og momentum.
En anden form for induceret træk er forårsaget af spidshvirvler ved vingespidserne: Dette skaber en trykbalance mellem overtryk under vingen og undertryk over vingen. Dette skaber en spidshvirvel rundt om flyets længdeakse ved hver vingespids, hvis kinetiske energi trækkes ud af strømningssystemet, der genererer løft og således mistes ubrugt. Spidshvirvlerne kan reduceres med et højt sideforhold (= forholdet mellem vingespændet og den gennemsnitlige vingedybde), men kan i princippet ikke fjernes fuldstændigt med endelige vinger. De winglets på vingespidserne af moderne fly tjener også til at reducere denne form for resistens ved delvist at forhindre trykudligning tværs flyveretningen (og dermed dannelsen af strømhvirvler). Det skal bemærkes, at den samlede hvirvelstyrke af spidshvirvlerne ikke kan påvirkes af winglets på grund af Helmholz's hvirvellov . Ifølge Kutta-Joukowskis sætning ville en reduktion i vortexstyrken også betyde en reduktion i flyets samlede løft. Imidlertid kan winglets have en positiv indflydelse på liftfordelingen ved dygtigt at skifte hvirvler og dermed reducere den inducerede luftmodstand. Det er også muligt at bruge winglets til at påvirke flyveegenskaberne positivt i det lavere hastighedsområde positivt.
Ud over induceret træk øger andre former for træk strømbehovet for et fly:
Den friktionsmodstand på overfladen af vingen bremser flyets ved omdannelse af kinetisk energi til termisk energi i grænselaget . Friktionsmodstanden (eller modstandsdygtighed over for forskydningsspænding) afhænger af, om strømningen er laminær eller turbulent . Det kan reduceres med en høj overfladekvalitet (glathed), hvorved strømningen holdes så laminær som muligt, men friktionsmodstanden kan ikke elimineres fuldstændigt. Ribletter kan også reducere friktionsmodstand.
Den formular eller trykbestandighed kommer omkring fordi trykket på forsiden og bagsiden af en krop er anderledes. Hvor strømmen bliver til turbulens - generelt ved den bageste kant af vingen, men f.eks. B. også på kanterne af landingsklapper og kranier osv. - der opstår en bremsesugning, der svarer til båsens tværsnit. Formtræk kan minimeres ved et fornuftigt valg og omhyggelig udformning af vingeprofilen.
Den bølge modstand endelig kommer i spil i supersonisk flyvning : Her den supersoniske virkning af de luftpartikler på forsiden af flyet inducerer et kegleformet formerings chokbølge ( Machscher kegle ), som kan blive opfattet på jorden, som en sonisk boom.
Strømningsmodstanden (og dermed den krævede kraft til at overvinde den) øges med lufthastighedens firkant. Sammen med effektbehovet til generering af lift, som er omvendt proportionalt med flyvehastigheden, resulterer dette i en bestemt hastighed for hvert fly afhængigt af designet, hvor energibehovet for niveau - i forhold til flyvetiden - flyvningen er lavest. I forhold til den flyvning rute , dog minimum energiforbrug er på et betydeligt højere hastighed, da flyet har derefter skal holdes i luften for den samme afstand mindre lang. Hastigheden med det laveste energiforbrug pr. Rute kaldes kørehastighed .
Gå i stå
Angrebsvinklen, der kræves for at generere løft, stiger ved lave hastigheder: Da mere luftmasse afbøjes i samme tidsperiode ved højere hastigheder, og mængden af lodret acceleration også øges, er en mindre afbøjningsvinkel tilstrækkelig til at generere den samme lift. Omvendt, jo langsommere flyet flyder, jo mere skal angrebsvinklen øges.
Den Coandă effekt på oversiden af vingen kan kun sikre, at strømningen er til stede op til en vis angrebsvinkel, som er afhængig af den form, som overfladekvalitet og Reynolds tal , hvilket er normalt omkring 15-20 °. Ud over denne angrebsvinkel bryder strømmen væk fra overfladen. Dette medfører en drastisk stigning i formmodstanden, samtidig med at størstedelen af liften kollapser, da profilen i denne strømningstilstand ikke længere effektivt kan afbøje luftstrømmen på oversiden af vingen, men i det væsentlige kun hvirvler den . Den flyvehastighed ved hvilken flow brækker på grund af den øgede angrebsvinkel kaldes stall hastighed eller stallhastighed ; den deraf følgende flytilstand, hvor flyet vælter og kun kan styres i meget begrænset omfang, er (engelsk) bås . Stallhastigheden er derfor den laveste hastighed, hvormed et fly næppe kan forblive i luften; det afhænger af designet og varierer i praksis fra ca. 20 km / t ( paraglider ) til ca. 300 km / t ( hurtigflyfly uden aktiverede landingshjælpemidler).
Stallhastigheden i et fly afhænger af vægten og belastningsfaktoren , dvs. H. fra den ekstra acceleration, der f.eks. opstår ved drejning. Derudover øges standhastigheden ( ægte lufthastighed ) med lavere lufttæthed. Den angivne lufthastighed er imidlertid den samme, da de mekaniske instrumenter også påvirkes i samme grad af lufttætheden.
profil
Den profil er tværsnittet af vingen i strømningsretningen. Profilens form tjener på den ene side så meget som muligt ved løft så lidt strømningsmodstand at opnå og på den anden side den størst mulige angrebsvinkel uden stall at tillade. Forskellige profiler anvendes til dette afhængigt af konstruktionen (formål, hastighedsområde, overfladebelastning ) .
Vinge layout
I de tidlige dage af luftfarten var formen på vingeformatet baseret på formen af en fugls vinge, da den buede profil oprindeligt var vigtig. Otto Lilienthal (krumning) og Hugo Junkers (profiltykkelse) gav afgørende bidrag til vingeprofilen . Dagens vinger har en række forskellige former. Som regel er de aflange og tilspidsede i det ydre område (tilspidsning) for at opnå en bedre liftfordeling og dermed en lavere induceret luftmodstand .
I mere moderne kommercielle fly skifter de til såkaldte winglets . På grund af det lavere lufttryk på toppen af vingerne strømmer luften fra bunden til toppen ved spidserne. Dette skaber luft hvirvler, der fortsætter, blandt andet i den frygtede wake hvirvler. Vingerne forbedrer fordelingen af spidshvirvlerne og reducerer dermed energitabet forårsaget af vågevirvlerne og gør flyet mere økonomisk i forbrug. I modsætning til hvad der ofte antages, kan vortexens styrke ikke ændres ved konstant hastighed, da den er direkte forbundet med skabelsen af lift. Vingerne kan kun forbedre liftfordelingen og dermed virvlernes geometri.
Supersoniske fly har ofte deltavinger , hvis forkanter normalt er lige, men i ekstreme tilfælde kan de også bues flere gange, f.eks. B. " Ogival " -fløjen i Concorde . Delta-vinger er bedre tilpasset virkningerne af supersonisk flyvning end den ellers almindeligt anvendte trapezformede vinge. Når du flyver med supersonisk hastighed, opstår kompressionsstød . Dette er områder, hvor trykket fra den omgivende væske, dvs. luften, stiger med spring. Nogle af disse stød spredes rundt om flyet i en form, der svarer til vingens fejning. (Jo højere det ønskede lufthastighed er, desto mere skal vingen fejes.) Når man flyver med supersonisk hastighed, opstår der en (skrå) indvirkning på forkanten. Når man flyver med transsonisk hastighed, opstår der en (lodret) indvirkning på oversiden af vingen, bag hvilken luftstrømens hastighed pludselig falder i subsonisk hastighed, hvilket resulterer i en vending af nogle væskemekaniske effekter. Hvis du kombinerer disse forskellige effekter på den ene fløj på grund af en forkert vingekonfiguration, kan de eliminere hinanden. En homogen strømningshastighed på vingens forkant opnås, hvis denne er tilpasset selve strømmen. Den feje reducerer denne hastighed med cosinus af pilen vinkel og fører til et tab af lift. En anden ulempe er, at der ud over denne normale hastighed også er en tangential komponent, der stiger tilsvarende. Dette får grænselaget til at flyde mod det ydre vingeareal. Som et resultat tykkes grænselaget, og strømmen kan løsnes ved vingespidserne. Dette reducerer effektiviteten af aileron.
Derudover er en række andre former mulige, for eksempel ringformede vinger ( ringvinger ), men disse er indtil videre kun implementeret i model- og eksperimentelle fly .
Især i fly med jetfremdrivning ("jetfly") er vingerne ofte vinklet bagud i form af en pil for at muliggøre supersonisk flyvning. Et antal militærfly, der blev konstrueret i 1960'erne og 1970'erne, kan bruge en variabel geometri til at justere fejningen af deres vinger under flyvning ( drejelige vinger ) for optimalt at tilpasse dem til den respektive hastighed.
I 2008 testede et team af forskere (Fish / Howle / Murray) en vingeform i vindtunnelen baseret på modellen af pukkelhvalens forreste finner med en bølget forkant. Dette gjorde det muligt at øge løft med op til 8 procent sammenlignet med en ellers identisk vinge med en lige forkant, samtidig med at luftmodstanden blev reduceret med op til 32 procent. Angrebsvinklen, hvor stallen opstod, var 40 procent højere. Årsagen til disse gode præstationsdata ligger i introduktionen af energi i strømmen gennem den bølgede forkant (svarende til hvirvelgeneratorer ).
arrangement
.jpg)
Afhængigt af den højde, hvori vingerne er fæstnet, er fly opdelt i lav- fløj (vingerne flugter med den nedre kant af skroget), mellem- vinge (medium højde), skulder - vinge (flugter med overkanten af skroget) og høj vinge (vinger over skroget). Fly, hvor den vandrette stabilisator er anbragt foran vingen, kaldes and- eller canardfly , fly, hvor den vandrette stabilisator er arrangeret bag vingen, kaldes hanggliders. Moderne wide-body-fly er designet som lavvinge-fly, hvor de to vinger er forbundet til skroget via en centervingeboks .
De fleste moderne fly har en vingehalvdel på hver side af skroget. I de første årtier af luftfart var dobbeltdækkere med to vinger oven på hinanden almindelige, og i isolerede tilfælde blev der endog bygget treplan . I dag er biplaner kun bygget til aerobatics . Der er også fly med kun en vinge uden haleenhed . Disse kaldes flyvende vinger eller halefri. Fly med to eller flere vinger anbragt bag hinanden forblev en sjældenhed. Som en yderligere variant er der den lukkede fløj -Tragfläche, der indtil videre kun anvendes i modelfly og ultralights Sunny .
Den fløj position er groft karakteriseret ved formen af dens forfra. Det kan være lige , have en mere eller mindre udtalt V-position eller præsentere sig som en mågevinge .
Bærende skrog
Med støtte skroget ( engelsk løftelegeme ) er en plan konstruktion, der er omhandlet, i hvilken opdriften frembragt ikke eller ikke udelukkende ved lejeflader, men i det væsentlige ved en specielt udformet skroget.
køre
I modsætning til dyrenes vinger, der genererer fremdrift og løft, giver vingerne kun løft. Den fremdrift skal genereres af separate motorer . I begyndelsen af luftfartseksperimenter blev der udført vinger, der efterligner flagrende af fuglenes vinger og derved frembringer fremdrift. Imidlertid viste disse konstruktioner (svingplaner eller ornitoptere ) sig at være uegnede til menneskeskabte flyvninger og er indtil videre kun med succes implementeret i modelflyvning .
Den eneste praktiske løsning på en kombination af fremdrift og løft i vingen er at lade vingerne rotere omkring en lodret akse. I dette tilfælde taler man om et rotorblad (se helikopter ).
Flere funktioner
Vingerne på moderne fly opfylder en række andre funktioner:
- De indeholder store brændstoftanke , f.eks. T. selvforsegling
- De bærer en række forskellige klapper til kontrol, f.eks. B. aileroner , spoilere , trimfaner
- De har opdriftshjælpemidler
- Takket være deres elastiske konstruktion er vingerne også flyets "ophængning" og absorberer lodrette kræfter som luftvirvler
- På mange store fly danner de suspensionen til motorerne (for det meste i nacellerne nedenunder)
- På nogle fly med udtrækkeligt landingsudstyr bruges de til at holde landingsudstyret .
- I 1920'erne, de tyske flyproducent Junkers brugte vingespidserne ( fløj rødder ) af flypassagerer
Se også
litteratur
- D. Anderson, S. Eberhardt: Hvordan fly flyver. Sport Aviation, februar 1999.
- David Anderson, Scott Eberhardt: Forståelse af flyvning . 2. udgave. McGraw-Hill, New York et al. 2009, ISBN 978-0-07-162696-5 .
- GK Batchelor: En introduktion til fluidmekanik. Cambridge University Press.
- H. Goldstein: Klassisk mekanik. Akademiske Videnskaber, Wiesbaden.
- Ernst Götsch: Flyteknologi . Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8 .
- J. Hoffren: Søgen efter en forbedret forklaring på lift. AIAA 2001-0872.
- Henk Tennekes: Hummingbirds and Jumbo Jets - The Simple Art of Flying . Birkhäuser Verlag, Basel / Boston / Berlin 1997, ISBN 3-7643-5462-3 .
- K. Weltner: flyfysik . Aulis Verlag Deubner, Köln 2001, ISBN 3-7614-2364-0 .
- R. Wodzinski: Hvordan forklarer du at flyve i skolen? Forsøg på at analysere forskellige forklarende modeller. Plus Lucis fagdidaktik, 1999.
Weblinks
- D. Anderson og S. Eberhardt: En fysisk beskrivelse af flyvningen
- Holger Babinsky: Flyd over aerofolie. University of Cambridge, Department of Engineering, 2003, adgang til 7. april 2018 .
- Peter Junglas: Generelt forståelig forklaring
- NASA: Begyndervejledning til aerodynamik Her kan du finde en. en computert vindtunnel, hvor man kan ændre de vigtigste parametre for en profil og observere virkningerne på strømningsfeltet og kræfterne.
- Klaus Weltner: To artikler om opdrift og Bernoulli
- Rita Wodzinski: Hvordan forklarer du at flyve i skolen? Forsøg på at analysere forskellige forklarende modeller (Acrobat PDF; 288 kB)
- Repræsentation af strømningsadfærd på en fløj
Individuelle beviser
- ↑ Babinsky (2003): Flow over aerofoils , YouTube: "Flow over aerofoils"
- ↑ a b A Fysisk beskrivelse af flyvningen
- ↑ Detaljeret beskrivelse af Concorde fløjkonstruktion
- ↑ Hydrodynamisk strømningskontrol hos havpattedyr ( Memento fra 16. oktober 2015 i internetarkivet )
- ^ Hvordan fly flyver. ( Memento fra 30. maj 2018 i internetarkivet )
- ^ En fysisk beskrivelse af flyvningen. ( Memento fra 23. februar 2018 i internetarkivet )
- ↑ Hvordan forklarer du at flyve i skolen? (PDF; 295 kB)
