WPŁYW BLISKOŚCI ZIEMI NA CHARAKTERYSTYKI AERODYNAMICZNE SAMOLOTU - Łukasz WNUK - PRz.pdf - Inżynieria Lotnicza - pilot1216

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa

im. Ignacego Łukasiewicza

Katedra Awioniki i Sterowania

WPŁYW BLISKOŚCI ZIEMI NA CHARAKTERYSTYKI

AERODYNAMICZNE SAMOLOTU

Łukasz WNUK

Seminarium Dyplomowe 2001/2002

LOTNICTWO - PILOTAŻ

Streszczenie

Niniejsze praca opisuje metody rozwiązywania problemu wpływu bliskości ziemi na charakterystyki

aerodynamiczne samolotu. Zawiera opis stosowanych metod badania zjawiska i przykładowe wyniki badań

wpływu bliskości ziemi na charakterystyki aerodynamiczne samolotu. Ponadto przedstawia wpływ efektu ziemi

na start, lądowanie oraz technikę użycia klap podczas tych etapów lotu.

1. Wstęp

Znane są przypadki lotu szybowcem z odległości i wysokości, która nie pozwalałaby na dolot do

lotniska z prędkością optymalneą, podczas gdy rozpędzenie szybowca i lot na niewielkiej wysokości nad ziemią

zapewnił osiągnięcie celu. Dlaczego tak się dzieje? Dlaczego samolot podchodzący do lądowania potrafi „nieść”

się nad ziemią pomimo braku dostatecznej mocy zespołu napędowego? Pytanie to postawiono już sobie bardzo

dawno, niemalże równo z początkiem lotnictwa.

Jak się okazuje pytania te mają swoje uzasadnienie w aerodynamice. Badania nad zjawiskiem wpływu

bliskości ziemi ( ang. Ground proximity effect ) zaczęto już we wczesnych latach 20-tych XX wieku. Znajomość

zagadnień aerodynamiki w tamtych czasach, jak się okazuje, była wystarczająca do opracowania metod

analitycznego wyznaczania wpływu bliskości ziemi, które wykorzystywane są do dziś.

2. Podstawy aerodynamiczne zjawiska

Istotą całego zjawiska jest inny niż na większych wysokościach opływ płata. Na samolot lecący na

niedużej wysokości działa tarcie powietrza znajdującdego się pod skrzydłem, tarcie to powoduje zwolnienie

przepływu na górnej powierzchni skrzydła. Spowolnienie to przyczynia się do wzrostu cyrkulacji.

Obliczenia zmian w charakterystykach aerodynamicznych spowodowanych oddziaływaniem ziemi

należałoby rozpocząć od obliczeń skrzydła o nieskończonym wydłużeniu, gdyż obliczenia dotyczące skrzydła o

skończonym wydłużeniu są dużo bardziej skomplikowane przez nakładanie się dwóch efektów:

• efektu bliskości ziemi;

• efektu skrzydła o skończonym wydłużeniu.

Jednakże moje rozważania skoncentrowane są na generalnym znaczeniu lotu w bezpośredniej bliskości ziemi, w

związku z tym sprawa dotycząca efektu skrzydła o skończonym wydłużeniu zostanie pominięta.

Podstawą obliczeń teoretycznych wpływu bliskości ziemi są zależności opisujące spadek kąta natarcia

oraz spadek oporu indukowanego.

Kąt natarcia z wpływem ziemi dla stałej wartości Cz zmienia się według wzoru [3]:

(1)

∆

−

⋅

Ł.Wnuk

Wpływ bliskości ziemi na ...

ŁW - 1

Zmiana oporu indukowanego wyrażona jest zależnością:

(2)

∆

−

⋅

Natomiast wydłużenie efektywne ulegnie modyfikacji do postaci:

(3)

1 σ

−

Współczynnik oporu podczas startu określa wyrażenie:

(4)

(

)

⋅

(

−

)

⋅

Współczynnik σ odczytuje się z poniższego wykresu dla odpowiedniej wartości stosunku wysokości skrzydła

u nasady w ¼ jego cięciwy aerodynamicznej do rozpiętości skrzydeł b.

Rys. 2.1 . Charakterystyczne wymiary

Characteristic dimensions

Rys.2.2 . Zależność współczynnika

σ od wymiarów geometrycznych [3]

Coefficient

σ versus geometric dimensions

Ł.Wnuk

Wpływ bliskości ziemi na ...

ŁW - 2

3. Metody badania wpływu ziemi

3.1.Metoda odbicia ( ang. Reflection method)

Metoda ta polega na badaniu charakterystyk aerodynamicznych na skrzydle umieszczonym w tunelu

aerodynamicznym, pod którym umieszczony jest drugi taki sam płat (odbicie lustrzane). Wpływ oddziaływania

odbicia płata na skrzydło oblicza się metodą Prandtl’a (2), która umożliwia obliczenie zmiany oporu

indukowanego w związku z wirowością końcówki oraz ze zmianą prędkości wywołaną granicą wiru odbicia

płata. Zgodnie z tą metodą zmianę kąta natarcia z wpływem ziemi oblicza się według wzoru (1).

3.2.Metoda płaskiej powierzchni ( ang.Flat plate method )

Ten sposób badania wpływu bliskości ziemi opiera się na umieszczeniu pod badanym skrzydłem

płaskiej płyty, której wpływ na opływ ma podobny charakter na płat co bliskość ziemi podczas lotu na niedużej

wysokości. Analiza wyników otrzymanych tą drogą opiera się na przekształceniach konforemnych.

3.3.Próby w locie

Próby w locie mają na celu zweryfikowanie wyników uzyskanych drogą analityczną oraz badań

tunelowych na modelach. Badania wykonywane są na różnych wysokościach nad ziemią w lotach ślizgowych

oraz silnikowych z różnymi ustawieniami przpustnicy.

4. Wpływ efektu bliskości ziemi – wyniki badań przeprowadzonych różnymi metodami

(metodą odbicia, płaskiej powierzchni i prób w locie).

Charakterystyki aerodynamiczne samolotu otrzymane z wykorzystaniem wyżej wymienionych metod

przedstawiają się następująco:

L – doskonałość

i – kąt natarcia

+ metoda odbicia

x bez wpływu ziemi

o metoda płaskiej powierzchni

Rys.4.1. Podstawowe charakterystyki aerodynamiczne samolotu w zależności od kąta natarcia otrzymane

różnymi metodami badań [1]

Basic aerodynamic characteristics of an aeroplane versus angle of attack received by various

testing methods

Ł.Wnuk

Wpływ bliskości ziemi na ...

ŁW - 3

i – kąt natarcia

+ metoda odbicia

x bez wpływu ziemi

o metoda płaskiej powierzchni

Rys.4.2. Wpływ bliskości ziemi na zmianę współczynników siły nośnej i oporu [1]

Ground proximity effect on lift and drag coefficient change

Rys.4.3. Biegunowa samolotu [1]

Polar of an airplane

Ł.Wnuk

Wpływ bliskości ziemi na ...

ŁW - 4

Jak widać z wykresu 4.1 doskonałość samolotu otrzymana za zarówno za pomocą metody odbicia jak i

płaskiej powierzchni wzrasta w porównaniu z charakterystykami otrzymanymi bez uwzględnienia wpływu

ziemi. Potwierdzenie wzrostu doskonałości widać we wzroście współczynnika sły nośnej i jedoczesnym spadku

współczynnika oporu.

Rys.4.3. Zapotrzebowanie na moc ze zmianą wysokości lotu w zależności od prędkości lotu [2]

Power requirement with height change versus an air speed

Doświadczenie, którego wyniki prezentuje rysunek 4.3., zostały wykonane najpierw na wysokości 500

ft, gdzie sprawdzono moc potrzebną do lotu poziomego, a następnie wykonano serię testów na wysokościach od

5-9 ft. Jak się okazało spadek wysokości spowodował również spadek mocy niezbędnej do utrzymania lotu

poziomego. W związku z wystąpieniem efektu bliskości ziemi spadek ilości obrotów wyniósł około 10%, co w

przybliżeniu oznacza również 10% spadek zapotrzebowania na moc.

5. Praktyczne przypadki wykorzystania wpływu bliskości ziemi

5.1.Start samolotu

Obliczenia długości startu wymagają znajomości charakterystyk aerodynamicznych z uwzględnieniem

wpływu ziemi, ponieważ w tej fazie nie może być on pominięty. Szczególnie w przypadku samolotów o dużym

wdłużeniu skrzydła.

W fazie projektowania samolotu ważnym jest, aby znać spadek krytycznego kąta natarcia na rozbiegu

spowodowany efektem bliskości ziemi, tak aby rozbieg nie odbywał się na zakrytycznych kątach natarcia.

Nie uwzględninenie tego efektu spowodowałoby błąd obliczeń rzędu 20% teoretycznej długości startu.

A co za tym idzie np.: przekroczenie ograniczeń wynikających z przepisów budowy samolotów.

5.2.Lądowanie

Podchodząc do lądowania samolotem ze zbyt dużą prędkością można się liczyć z wykonaniem przelotu

i w najgorszym przypadku przelecenie pasa lub skończenie dobiegu poza nim. Stać się tak może dlatego, że

samolot w konfiguracji do ladowania nie będzie w stanie dać takiej siły oporu aby wyhamować samolot co w

połączeniu z efektem wpływu ziemi – zmniejszenie C x i wzrost C z – spowoduje przelot ponad pasem. Między

innymi dlatego klapy do lądowania wychylają się o tak duże kąty.

5.3.Użycie klap

Wykorzystanie klap nie ma bezpośredniego wpływu na zmianę wartości efektu wpływu zbliskości

ziemi. Ustawienie klap do startu w pozycji małe, jest ściśle powiązane z wpływem ziemi. Samo wysklepienie

profilu powoduje spadek minimalnej predkości i wzrost C zmax , co po zsumowaniu z wpływem ziemi skraca

długość rozbiegu. Próba startu na klapach dużych wiąże się z tak dużym wzrostem C x , że pomimo istnienia

wpływu ziemi start się wydłuży. Z kolei lądowanie powinno odbywać się na klapach dużych, jak już

wspomniano wyżej, ponieważ potrzebny jest wzrost oporu, który potrzebny jest do wyhamowania samolotu

Ł.Wnuk

Wpływ bliskości ziemi na ...

ŁW - 5

WPŁYW BLISKOŚCI ZIEMI NA CHARAKTERYSTYKI AERODYNAMICZNE SAMOLOTU - Łukasz WNUK - PRz.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: