O stateczności bezogonowców słów kilka

[Patryk Sokol]

Hej

 

W poprzednim wątku obiecałem powiedzieć kilka słów na temat tego jak zachowują się bezogonowce.

Najpierw mały background.

 

Koło 2002 roku (o matko, to już 14 lat  ) walczyłem z ulotnieniem cudownego połączenia akumulatora 7,2V Ni-CD, MIG280 z przekładnią, serw standard i dwukanałowego nadajnika (tak to połączenie nie ma sensu, ale nic innego nie miałem). Z racji wagi nie bardzo cokolwiek chciało mi latać, aż trafiłem na stronę Tomka Gębali, gdzie opisane było zacne latające skrzydło o nazwie TeoZagi (ktoś pamięta?). Szybko wykonałem podobny model i okazało się, że potrafi toto latać (ha latać, teraz to byście wszyscy zrzędzili, że dłużej się wznosi na silniku niż opada lotem szybowym) na posiadanym przeze mnie zestawie RC, powód był prosty przez brak ogona było to znacznie lżejsze niż poprzednie moje próby.

Eksplorując internet w poszukiwaniu informacji o mojej nowej modelarskiej miłości trafiłem na informacje o tym, że ludzie stosują do Zagiego inne profile niż słynny Tsagi12%, np SD7037. Ówcześnie nie byłem szczególnie obeznany w aerodynamice (tyle co książki z białej serii), ale to co wiedziałem to to że profil samostateczny jest konieczny, aby latające skrzydło było stateczne. A tymczasem skrzydełka na SD7037 czy RG-15 latały (sam wsadziłem do swojego TeoZagiego na zbocze, byłem dumny bo usłyszałem, że to świetny profil na zbocze ). Wtedy nawet mój instruktor nie wiedział jak to działa (a poniekąd jestem przekonany, że do dziś nie wierzy że toto w ogóle latało). Później okazało się, że nawet płaska decha może latać bez ogona (Pibros <3 <3 <3)

 

Po latach okazało się, że profil samostateczny jest niejedynym sposobem ustatecznienia układu bezogonowego,a sam temat jest bardziej złożony.

 

Tyle historii, bo zaczynam się czuć stary, przejdźmy do konkretów.

 

To jest profil aerodynamiczny:

 

Kształt z grubsza każdemu znany, górna powierzchnia jest dłuższa niż dolna, więc aby rozdzielona struga powietrza mogła się spotkać za spływem to przepływ na górnej powierzchni jest szybszy, co zgodnie z prawem Bernoulliego powoduje, że powstaje siła nośna.

A teraz jak ktoś się zgodził z tym co napisałem to wydaje mu się, że wie o co chodzi, zapraszam do poczytania  czegokolwiek uczciwego z dziedziny - siła nośna tak NIE powstaje!

 

Niemniej nie wdając się w szczegóły - kształt ten służy głównie do minimalizowania oporu profilowego skrzydła i dbania o charakterystykę przeciągnięcia - resztę załatwi nawet płaska płytka.

 

Niemniej kiedy wymusimy opływ powietrza pod pewnym kątem na skrzydle pojawią się siły wynikające z oddziaływania powietrza z powierzchnią segmentu profilu.

 

Rozkład tej siły pokazują zielone strzałki, a czerwone to kształt strugi powietrza opływającej skrzydło.

Mimo dominacji wielkości strzałek na nosku widzimy, że przez całą długość mamy również strzałki skierowane ku górze. Mimo, że nie są one szczególnie duże, to jednak dzięki długiemu ramieniu działania powoduje one powstanie momentu pochylającego (Cm). Dla typowego profilu jest on ujemny dla całego zakresu kątów natarcia, oznacza to, że taki profil zawsze chce pochylić nosek do dołu.

 

To skutkuje tym, że samoloty generalnie mają ogony.

Nie będziemy się wdawać w pochodne i inne takie bzdury, które ładnie wyglądają, a liczyć z tego można ręcznie prostokątne płaty, to można sobie wyobrazić to w bardzo prosty sposób. W typowym samolocie mamy środek ciężkości przed punktem neutralnym (czyli ciągnie on nos w dół) i statecznik poziomy. Gdy kąt natarcia układu względem powietrza ulega zwiększeniu statecznik poziomy zaczyna generować niewielką dodatnią siłę nośną, a gdy kąt spada mamy do czynienia z powstawaniem ujemnej siły nośnej na stateczniku. W efekcie siły te działają odwrotnie niż doszło do odchylenia i układ jest stateczny.

 

Tylko, że my ogonów nie lubimy - w końcu sami ich nie mamy, prawda?

 

Stąd możemy przejść do rozważań na temat profili bardziej samostatecznych.

Typowy profil samostateczny wygląda jakoś tak:

 

To co widać od razu - ma podgięty do góry spływ.

Skutkuje to nieco innym rozkładem siły na jego długości

 

To co można od razu zauważyć to to, że na ogonie mamy strzałki skierowane do dołu. Im kąt natarcia będzie niższy tym większy będzie stosunek tych skierowanych do dołu do tych skierowanych do góry. Czyli jak uważnie czytacie, to już widzicie, że mechanizm bardzo podobny jest jak w układzie ze statecznikiem, tylko zrealizowany na samym skrzydle.

Oczywiście nic za darmo, taki profil z automatu ma mniejszą doskonałość aerodynamiczną - efekt tego, że część skrzydła ciągnie w dół.

 

Teraz przejdźmy do profilu mniej typowego:

To co tu widzicie to nic innego jak pierwszy rozważany profil, jednak z dorzuconą klapą ugiętą w górę.

I tak, ten profil dzięki temu stał się samostateczny!

Różnica będzie jednak znaczna w osiągach. Pomijając już kwestię optymalizacji przodu profilu pod takie zastosowanie, to co widzi każdy miłośnik obłych kształtów to to, że tutaj jest kanciato. Niestety aerodynamika w większości przypadków kantów nie lubi (separacja laminarna i takie tam), stąd tak spreparowany profil będzie miał gorsze osiągi niż dobrze zoptymalizowany profil z płynnym ugięciem, zredukowaną różnicą ciśnień za podgięciem części lotkowej i inne takie.

Da się tak ustatecznić znaczną większość profili (a na pewno wszystkie stosowane w modelach szybowców).

 

Powstałe tak profile stosujemy w modelach typu plank, które posiadają całkowicie proste skrzydło beż żadnego skosu.

Trzy badane przez nas profile mają taką zależność współczynnika momentu pochylającego od kąta natarcia:

Niebieska linia pokazuje typowy profil samostateczny, pomarańczowa pokazuje profil z klapą wychyloną do góry, a różowy typowy profil do lekkiego szybowca.

 

Jak widać zarówno profil typowo samostateczny jak i profil z podgiętą klapą mają dodatni współczynnik momentu pochylającego (ale z grubsza niezależny od kąta natarcia - do tego będziemy musieli wrócić), zaś klasyczny ma stale ujemny współczynnik momentu pochylającego (więc zawsze będzie ciągnął nos do dołu).

 

Co to zmieni w stateczności typowego Planka rozpatrzymy już na przykładzie typowego skrzydła. Bez rysunku, bo samo skrzydło bez finezji - 2m rozpiętości 200mm cięciwy.

 

 

I to co widać, to że dla zerowego momentu pochylającego konstrukcje samostateczne mają dodatni współczynnik siły nośnej, więc skrzydło w stanie równowagi produkuje siłę nośną, zaś dla skrzydła z typowym profilem nie ma mowy o wystąpieniu w ogóle stanu równowagi.

To o czym jeszcze nam mówi ten wykres to o gwałtowności reakcji skrzydła na wytrącenie ze stanu równowagi - im linia jest bardziej stroma tym reakcja gwałtowniejsza.

Jak wiedzieć, że będzie to reagować tak jak byśmy chcieli?
Wystarczy wymodelować w XFLR5 inny model który nam się dobrze lata i próbować osiągnąć odpowiednie nachylenie krzywej (niestety- charakterystyka pilotażowa to nie osiągi, tutaj nie ma jasnych danych liczbowych, trzeba mieć trochę oblatanych modeli).

 

I teraz główny haczyk - niestety wartość momentu pochylającego jest zależna od konstrukcji profilu (a więc od wychylenia lotki do góry). Stąd jeśli chcemy uzyskać model o większym zapasie stateczności statycznej (mówiąc po ludzku bardziej stabilny), to potrzebujemy bardziej przedniego środka ciężkości. Żeby osiągnąć wtedy stabilny lot dla tej samej prędkości lotki muszą iść bardziej do góry, a im one są bardziej do góry tym bardziej degradują własności profilu.

Wniosek - im mniej statecznie tym lepiej lata, ale gorzej się prowadzi. Stąd profile samostateczne mają automatycznie narzucone ograniczenia osiągów.

 

A jak to w praktyce wygląda?
Plank jest układem o najmniejszych oporach dla niskich współczynników siły nośnej, rozpędza się to po oddaniu drąga tak, że można za pierwszym razem doznać szoku.

W dodatku skrzydło bez skosu bardzo łatwo zrobić sztywno i lekko.

Niestety, zaciągając drąga psujemy osiągi profilu w stanie lotu w który go tym wprawiamy, w efekcie osiągamy spadek osiągów w locie na wysokim Cz. Stąd planki z termiką się nie lubią.

 

Tyle na dziś

 

Tymczasem pytanie do publiczności:

Dlaczego skrzydło NASA do lotów wysokościowych zostało wykonane w układzie planka gdzie mamy do czynienia z rzadkim powietrzem, a więc potrzebujemy wysokiego współczynnika siły nośnej, aby utrzymać wysokość?

 

 

A w kolejnych odcinkach

1,5. Czym się różni profil do planka od profilu do klasycznego latającego skrzydła.
2. Ustatecznienie skosem skrzydła i skręceniem

3. Dobór środka ciężkości, skosu i skręcenia

4. Krótka za i przeciw samostatecznym profilom aerodynamicznym w układach bezogonowych

5. Czemu czasem możemy latać bez wingletów, a czasem nie

6. Krótki kurs przerabiania profili na samostateczne (mały teaser - tak będzie Invers Design)

7. Coś pewnie jeszcze wymyślę.

 

 

W razie niejasności pytajcie, śmiało

[Marcin K.]

Mógłbyś dodać kilka słów nt mieszania profili w jednym skrzydle, niekoniecznie bezogonowiec. Wady, zalety, dlaczego tak a nie inaczej itp. Bardzo mi się podoba artykuł

[Patryk Sokol]

Ogólnie byłeś Krzysztof blisko, generalnie chodzi o to, że w przypadku planka mamy do czynienia z bardzo małymi momentami skręcającymi skrzydło, więc konstrukcja mogła być lekka.

 

 

O profilach mógłbym napisać oczywiście, problem polega na tym, że nie mam pojęcia kiedy, coby nie mówić czasu jest mało. Póki co mogę obiecać kolejny odcinek o bezogonowcach jutro*

 

 

 

 

 

*Jutro zawiera bardzo wczesny dzień pojutrzejszy.

[Patryk Sokol]

Odcinek 1,5 - Czym się różni profil do planka od profilu do klasycznego latającego skrzydła.

 

Jak wspominałem wcześniej - od tego układu rozpoczęła się nie tylko moja przygoda z nieposiadaniem ogona, ale również zainteresowanie zagadnieniem stateczności bezogonowców. W porównaniu do planków skrzydła w tym układzie potrafią być niesamowicie stateczne, opisywane w pierwszym poście Teo Zagi należało wręcz do modeli z gatunku "nie wiesz co robić - nie rób nic".

 

Zacznijmy może od klasyki, niżej profil TSagi12%:

 

To co widzimy to to, że może i spływ podgięty ma, ale bliżej temu do profilu symetrycznego niż do pokazywanych wcześniej profili samostatecznych.

 

Efekt możemy zobaczyć od razu:

Tym razem wykres współczynnika momentu pochylającego od współczynnika siły nośnej.

 

Omawiany przez nas profil posiada ujemny współczynnik momentu pochylające dla każdego użytecznego współczynnika siły nośnej. Gdybyśmy na tym profilu wykonali model planka, to możemy zapomnieć o jakiejkolwiek stateczności.

I teraz największy paradoks którego nie mogłem pojąć - większość profili określanych jako samostateczne, posiada niewielki ujemny współczynnik momentu pochylającego.

 

Okazuje się, że profile, pod kątem momentu pochylającego, możemy podzielić na trzy grupy.

Przynależność, do każdej z grup, określamy przez wartość współczynnika momentu pochylającego dla zerowego współczynnika siły nośnej (Zero-lift pitching moment), a sam podział wygląda tak:

 

1. Profile klasyczne - Cm ujemny dla Cz=0, staramy się unikać ich stosowania do latających skrzydeł.

2. Profile przeznaczone do latających skrzydeł - Cm dla Cz=0 krąży w okolicach zera. Wykonać planka nie da się na tych profilach (znaczy da się, ale będziemy mieli mocno podniesione lotki). Ile to jest około zera? Nie ma jasnej granicy, jak pokażę później można mieć do tematu wiele podejść

3. Profile plankowe - Cm dodatni dla Cz=0 - omówiłem te profile w poprzednim odcinku.

 

Jaki stąd wniosek? Jak słyszycie od kogoś "Ten profil jest samostateczny" - nie wierzcie, w 90% przypadków będzie to profil o stateczności neutralnej, bez trymowania lotek w góre w planku nie poleci.

 

A w gratisie polecam tą listę:
http://www.aerodesign.de/english/profile/profile_s.htm

 

Jedna tylko uwaga - spora część tych profili jest dosyć stara, wiele można w nich często poprawić (a jeśli szukacie czegoś na niskie Re to już całkiem)