Загрузка крыла - Wing loading

В Бабочка монарх имеет очень низкую 0,168 кг / м² нагрузка на крыло

В Североамериканский X-15 имеет высокую 829 кг / м² максимальная нагрузка на крыло

В аэродинамика, нагрузка на крыло - общая масса самолета, деленная на площадь его крыла.^[1] В скорость сваливания Прямолинейный горизонтальный полет самолета частично определяется нагрузкой на крыло. Самолет с низкой нагрузкой на крыло имеет большую площадь крыла по сравнению с его массой по сравнению с самолетом с высокой нагрузкой на крыло.

Чем быстрее летит самолет, тем больше поднимать может производиться каждой единицей площади крыла, поэтому крыло меньшего размера может нести такую же массу в горизонтальном полете. Следовательно, более быстрые самолеты обычно имеют более высокие нагрузки на крыло, чем более медленные. Эта повышенная нагрузка на крыло также увеличивает взлететь и посадка расстояния. Более высокая нагрузка на крыло также снижает маневренность. Те же ограничения применяются к крылатым биологическим организмам.

Диапазон нагрузок на крыло

Примеры загрузки крыла^[2]
Самолет	Тип	Вступление	MTOW	Площадь крыла	кг / м²	фунт / кв.фут
Бабочка монарх	Животное	Кайнозойский			0.168	0.034
птицы^[а]	Животное	Меловой			1–20	0.20–4.10^[3]
верхний критический предел полета птицы	Животное				25	5.1^[4]
Озон Buzz Z3 MS	Параплан	2010	75–95 кг (165–209 фунтов)	25,8 м² (278 кв. Футов)	2.9–3.7	0.59–0.76^[5]
Wills Wing Спорт 2155	Дельтаплан	2004	94,8–139,8 кг (209–308 фунтов)	14,4 м² (155 кв. Футов)	6.6–9.7	1.4–2.0^[6]
верхний предел	Планер микролифт	2008	220 кг (490 фунтов) макс.	12,2 м² (131 кв.фут) мин.^[b]	18	3.7^[7]
CAA (Великобритания) правила	сверхлегкий предел нагрузки крыла	2008 ^[c]	450 кг (990 фунтов) макс. ^[d]	18 м² (190 кв. Футов) мин.^[e]	25	5.1^[8]
Schleicher ASW 22	Планер	1981	850 кг (1870 фунтов)	16,7 м² (180 кв. Футов)	50.9	10.4
Пайпер Воин	Авиация общего назначения	1960	1055 кг (2326 фунтов)	15,14 м² (163,0 кв. Футов)	69.7	14.3
Бичкрафт Барон	Двухмоторная авиация общего назначения	1960	2313 кг (5099 фунтов)	18,5 м² (199 кв. Футов)	125	26
Супермарин Спитфайр	Истребитель (ВОВ)	1938	3039 кг (6700 фунтов)	22,48 м² (242,0 кв. Футов)	135	28
Бичкрафт Авиалайнер	Авиалайнер (пригородный)	1968	4727 кг (10421 фунт)	25,99 м² (279,8 кв. Футов)	182	37
Learjet 31	Бизнес-джет	1990	7,031 кг (15501 фунт)	24,57 м² (264,5 кв. Футов)	286	59
Микоян МиГ-23	Истребитель (переменная геометрия )	1970	17800 кг (39200 фунтов)	34,16–37,35 м² (367,7–402,0 кв. Футов)	477–521	98–107
General Dynamics F-16	Боец (многоцелевой)	1978	19200 кг (42300 фунтов)	27,87 м² (300,0 кв. Футов)	688.9	141.1
Fokker F27	Авиалайнер (турбовинтовой )	1958	19,773 кг (43,592 фунтов)	70 кв.м.² (750 кв. Футов)	282	58
McDonnell Douglas F-15 Eagle	Истребитель (превосходство в воздухе)	1976	30,845 кг (68,002 фунтов)	56,5 м² (608 кв. Футов)	546	112
Стипендия Fokker F28	Авиалайнер (региональный самолет)	1969	33000 кг (73000 фунтов)	78,97 м² (850,0 кв. Футов)	418	86
Боинг 737-300	Авиалайнер (Узкое тело )	1984	62,820 кг (138,490 фунтов)	91,04 м² (979,9 кв. Футов)	690	140
Боинг 737-900	Авиалайнер (Узкое тело)	2001	84139 кг (185495 фунтов)	124,6 м² (1341 кв. Футов)	675	138
Боинг 767	Авиалайнер (Широкое тело )	1982	142,882 кг (315,001 фунтов)	283,3 м² (3049 квадратных футов)	504	103
Конкорд	Авиалайнер (сверхзвуковой)	1976	187000 кг (412000 фунтов)	358,2 м² (3,856 кв. Футов)	522	107
Rockwell B-1B Lancer	Бомбардировщик (переменная геометрия)	1983	148000 кг (326000 фунтов)	181,2 м² (1,950 кв. Футов)	818	168
Боинг 777	Авиалайнер (широкофюзеляжный)	1995	247 200 кг (545 000 фунтов)	427,8 м² (4,605 кв. Футов)	578	118
Боинг 747	Авиалайнер (широкофюзеляжный)	1970	333000 кг (734000 фунтов)	511 кв.м.² (5,500 кв. Футов)	652	134
Airbus A380	Авиалайнер (широкофюзеляжный)	2007	575000 кг (1268000 фунтов)	845 кв.м.² (9100 квадратных футов)	680	140

Влияние на производительность

Нагрузка на крыло - полезная мера скорость сваливания самолета. Крылья создают подъемную силу за счет движения воздуха вокруг крыла. Крылья большего размера перемещают больше воздуха, поэтому самолет с большой площадью крыла относительно его массы (т. Е. С низкой нагрузкой на крыло) будет иметь более низкую 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 взлетную и посадочную скорость

Подъемная сила L на крыле площади А, путешествуя по истинная воздушная скорость v дан кем-то

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

где ρ - плотность воздуха, а C_L это коэффициент подъема. Коэффициент подъемной силы - это безразмерное число, которое зависит от профиля поперечного сечения крыла и угол атаки.^[9] При взлете или в устойчивом полете, ни при подъеме, ни в пикировании подъемная сила и вес равны. С L / A = Мг / А =W_Sграмм, куда M масса самолета, W_S = M/А нагрузка на крыло (в единицах массы / площади, т.е. фунт / фут² или кг / м², а не сила / площадь) и грамм ускорение свободного падения, это уравнение дает скорость v через^[10]

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

.

Как следствие, самолеты с таким же C_L при взлете в тех же атмосферных условиях будет иметь взлетную скорость, пропорциональную ${ displaystyle scriptstyle { sqrt {W_ {S}}}}$ . Таким образом, если площадь крыла самолета увеличена на 10% и больше ничего не изменится, скорость взлета упадет примерно на 5%. Аналогичным образом, если самолет, предназначенный для взлета со скоростью 150 миль в час, увеличивается в весе во время разработки на 40%, его скорость взлета увеличивается до ${ displaystyle scriptstyle 150 { sqrt {1.4}}}$ = 177 миль / ч.

Некоторые летчики полагаются на свои мышцы, чтобы набрать скорость при взлете над сушей или водой. Наземные гнездовья и водоплавающие птицы должны уметь бегать или грести со своей взлетной скоростью, прежде чем они смогут взлететь. То же самое и с пилотом-дельтапланом, хотя он может получить помощь при спуске. При этом низкая W_S имеет решающее значение, в то время как воробьиные и живущие на утесах птицы могут взлетать с большей нагрузкой на крылья.

Влияние на токарную способность

Для поворота самолет должен рулон в направлении разворота, увеличивая угол крена. Поворотный полет снижает подъемную силу крыла против силы тяжести и, следовательно, вызывает снижение. Для компенсации подъемная сила должна быть увеличена за счет увеличения угла атаки за счет увеличения лифт отклонение, которое увеличивает сопротивление. Поворот можно охарактеризовать как «набор высоты по кругу» (подъемная сила крыла направлена на поворот самолета), поэтому увеличение крыла угол атаки создает еще большее сопротивление. Чем круче поворот радиус попытка, вызванная большим сопротивлением; это требует добавления мощности (тяги) для преодоления сопротивления. Максимальная скорость поворота, возможная для данной конструкции самолета, ограничена размером его крыла и доступной мощностью двигателя: максимальный поворот, который самолет может выполнить и удерживать, является его размером. стабильная производительность при повороте. По мере увеличения угла крена увеличивается перегрузка применительно к самолету, это привело к увеличению нагрузки на крыло, а также скорость сваливания. Этот эффект также ощущается во время уровня качка маневры.^[11]

Коэффициент нагрузки зависит от высоты и составляет 50 или 100 фунтов / кв. Фут.

Поскольку сваливание происходит из-за нагрузки на крыло и максимального коэффициента подъемной силы на заданной высоте и скорости, это ограничивает радиус поворота из-за максимума коэффициент нагрузки При коэффициенте подъемной силы 0,85 Маха и 0,7 нагрузка на крыло составляет 240 кг / м (50 фунтов / кв. Фут).²) может достигать конструктивного предела 7,33 г на высоте до 15 000 футов (4600 м), а затем снижается до 2,3 г на высоте 40 000 футов (12 000 м). При нагрузке на крыло 100 фунтов / кв. Фут (490 кг / м²) коэффициент нагрузки вдвое меньше и едва достигает 1g на высоте 40000 футов.^[12]

Самолеты с низкими нагрузками на крыло, как правило, обладают лучшими характеристиками продолжительного разворота, поскольку они могут создавать большую подъемную силу для заданной величины тяги двигателя. Непосредственный угол крена, которого может достичь самолет до того, как сопротивление серьезно снизится с воздушной скорости, известен как его мгновенное выполнение поворота. Самолет с небольшим высоконагруженным крылом может иметь превосходные характеристики мгновенного разворота, но плохие характеристики продолжительного разворота: он быстро реагирует на управляющие воздействия, но его способность выдерживать крутой поворот ограничена. Классический пример - Истребитель F-104, который имеет очень маленькое крыло и высоту 723 кг / м² (148 фунтов / кв.фут) нагрузка на крыло.

На противоположном конце спектра находился большой Convair B-36: его большие крылья привели к низкому показателю 269 кг / м² (55 фунтов / кв. Фут) нагрузка на крыло, которая могла бы заставить его выдерживать более крутые повороты на большой высоте, чем у современных реактивных истребителей, тогда как немного позже Хоукер Хантер имела аналогичную нагрузку на крыло 344 кг / м² (70 фунтов / кв. Фут). В Боинг 367-80 Опытный образец авиалайнера мог катиться на малых высотах с нагрузкой на крыло 387 кг / м² (79 фунтов / кв. Фут) при максимальном весе.

Как и любое тело в круговое движение, самолет, который является быстрым и достаточно сильным, чтобы поддерживать горизонтальный полет на скорости v в круге радиуса р ускоряется к центру в ${ displaystyle scriptstyle { frac {v ^ {2}} {R}}}$ . Это ускорение вызвано направленной внутрь горизонтальной составляющей лифта, ${ displaystyle scriptstyle Lsin theta}$ , куда ${ displaystyle theta}$ угол крена. Тогда из Второй закон Ньютона,

{ 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 в термиках, нужен небольшой радиус поворота, чтобы оставаться в пределах поднимающегося столба воздуха, и то же самое верно и для парящих птиц. Другие птицы, например те, которые ловят насекомых на крыло, также нуждаются в высокой маневренности. Всем нужны низкие нагрузки на крыло.

Влияние на стабильность

Нагрузка на крыло также влияет порыв ветра, степень воздействия на самолет турбулентности и изменений плотности воздуха. Маленькое крыло имеет меньшую площадь, на которую может воздействовать порыв ветра, и оба этих фактора служат для плавности хода. Для высокоскоростного полета на малых высотах (например, для быстрого бомбометания на малых высотах в штурмовик ) предпочтительнее небольшое, тонкое, сильно нагруженное крыло: самолеты с низкой нагрузкой на крыло часто подвергаются жесткой, тяжелой поездке в этом режиме полета. В F-15E Strike Eagle имеет нагрузку на крыло 650 килограммов на квадратный метр (130 фунтов / квадратный фут) (без учета вкладов фюзеляжа в эффективную площадь), тогда как большинство треугольное крыло самолет (например, Dassault Mirage III, для которого W_S = 387 кг / м²) имеют большие крылья и низкие нагрузки на крыло.^{[нужна цитата ]}

Количественно, если порыв ветра создает восходящее давление грамм (в Н / м²скажем) на самолете с массой M, восходящее ускорение а будет, по Второй закон Ньютона быть предоставленным

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

,

уменьшается с нагрузкой на крыло.

Эффект развития

Еще одна сложность, связанная с нагрузкой на крыло, состоит в том, что трудно существенно изменить площадь крыла существующей конструкции самолета (хотя возможны небольшие улучшения). По мере развития самолетов они склонны к "рост веса"- добавление оборудования и функций, которые существенно увеличивают эксплуатационную массу самолета. Самолет с умеренной нагрузкой на крыло при его первоначальной конструкции может получить очень высокую нагрузку на крыло при добавлении нового оборудования. Хотя двигатели могут быть заменены или модернизированы для дополнительной тяги влияние на разворотные и взлетные характеристики в результате более высокой нагрузки на крыло не так легко согласовать.

Использование водяного балласта в планерах

Современное планеры часто используют водяной балласт в крыльях для увеличения нагрузки на крыло, когда парящий условия сильные. Увеличивая нагрузка на крыло средняя скорость, достигаемая по стране, может быть увеличена, чтобы воспользоваться сильным термиком. При более высокой нагрузке на крыло заданная подъемная сила и лобовое сопротивление достигается на более высоком скорость полета чем с меньшей нагрузкой на крыло, и это обеспечивает более высокую среднюю скорость по стране. При ухудшении условий балласт может быть выброшен за борт, чтобы максимизировать скорость полета планера по пересеченной местности. соревнования по планерному спорту.

Соображения по дизайну

Подъемник фюзеляжа

У F-15E Strike Eagle большое крыло с относительно небольшой нагрузкой.

Комбинированная конструкция крыла и фюзеляжа, такая как на General Dynamics F-16 Fighting Falcon или же Микоян МиГ-29 Fulcrum помогает снизить нагрузку на крыло; в такой конструкции фюзеляж создает аэродинамическую подъемную силу, таким образом улучшая нагрузку на крыло при сохранении высоких характеристик.

Крыло изменяемой стреловидности

Самолет как Грумман F-14 Tomcat и Панавиа Торнадо нанять крыло переменной стреловидности. Поскольку их площадь крыла меняется в полете, меняется и нагрузка на крыло (хотя это не единственное преимущество). Когда крыло находится в переднем положении, взлетно-посадочные характеристики значительно улучшаются.^[13]

Закрылки Фаулера

Как и все закрылки самолетов, Фаулер закрылки увеличить выпуклость и поэтому C_L, снижая посадочную скорость. Они также увеличивают площадь крыла, уменьшая нагрузку на крыло, что еще больше снижает скорость посадки.^[14]

Смотрите также

внешняя ссылка

Лоуренс К. Лофтин-младший (1985). «Глава 7: Тенденции проектирования - скорость сваливания, нагрузка на крыло и максимальный подъемный коэффициент». Стремление к производительности - эволюция современных самолетов. Отделение научно-технической информации НАСА.
Эрл Л. Пул (1938). «Вес и площадь крыльев у птиц Северной Америки» (PDF). Аук.

[1] "Определение нагрузки на крыло". Мерриам Вебстер.

[2] Хенк Теннекес (2009). Простая наука о полете: от насекомых до гигантских самолетов. MIT Press. ISBN 9780262513135., «Рисунок 2: Большая диаграмма полета».

[4] Томас Алерстам, Микаэль Розен, Йохан Бекман, Пер Г. П. Эриксон, Олоф Хеллгрен (17 июля 2007 г.). «Скорость полета среди видов птиц: аллометрические и филогенетические эффекты». PLOS Биология. 5 (8): e197. Дои:10.1371 / journal.pbio.0050197. ЧВК 1914071. PMID 17645390.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

[5] Менье, К. Korrelation und Umkonstruktionen in den Größenbeziehungen zwischen Vogelflügel und Vogelkörper-Biologia Generalis 1951: с. 403-443. [Статья на немецком языке]

[6] Жерар Флори (23 января 2016 г.). "Озон Buzz Z3". P @ r @ 2000.

[7] «Спорт 2 / 2С». Wills Wing.

[9] «Спортивный кодекс, раздел 3: Планирование». Fédération Aéronautique Internationale. 12 октября 2016 г.

[13] «Микролайтс». Управление гражданской авиации Великобритании. или скорость сваливания при разрешенной максимальной массе, не превышающей калиброванную скорость 35 узлов

[14] Андерсон, 1999, стр. 58

[15] Андерсон, 1999, стр. 201–3.

[16] Spick, 1986. стр. 24.

[NASA-Maneuverability-17] Лоуренс К. Лофтин-младший (1985). «Глава 11 - Маневренность самолета». Стремление к производительности - эволюция современных самолетов. Отделение научно-технической информации НАСА.

[18] Spick, 1986. С. 84–87.

[19] Андерсон 1999, стр. 30–1.

[3] 138 видов от 10 г до 10 кг, от мелких воробьиные к лебеди и краны

[8] при максимальном весе

[10] принятый закон

[11] для двухместного наземного самолета

[12] при максимальном весе

[1]

[2]

[а]

[3]

[4]

[5]

[6]

[b]

[7]

[c]

[d]

[e]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]