Begrepet vinge i aerodynamikk betyr en overflate generisk anordnet i henhold til en viss holdning, med hensyn til væskestrømmen som investerer den (og ikke nødvendigvis i en horisontal posisjon) og som er i stand til å generere en rekke fluiddynamiske handlinger (som følge av krefter og momenter) ) forårsaket av komplekse fysiske mekanismer knyttet til lokale variasjoner i hastighet, trykk og viskøse handlinger, som virker på overflaten.
Vanligvis er resultanten av de aerodynamiske kreftene "delt" i tre av dens komponenter, delt inn som følger:
I det spesifikke tilfellet med et fly i generell bevegelse, genereres løftet av de aerodynamiske kreftene som hovedsakelig virker på vingen og på kontrollhalen.
Hvis vingen ikke er laget i et enkelt element, men er delt inn i to deler koblet separat til flykroppen, vil vi mer korrekt snakke om "halvvinge " henholdsvis venstre og høyre: generelt brukes begrepet halvvinge også for å referere til vilkårlig til høyre halvdel eller venstre av samme.
De fleste moderne fly er utstyrt med en enkelt stiv vinge (dvs. utstyrt med spesielle bevegelige kontrollflater), men det finnes eksempler på fly med flere vinger: vi snakker da om biplan (to overlappende vinger, muligens forskjøvet) eller om triplan (tre overlappende og litt forskjøvede vinger). Hvis vingene til et biplan har vesentlig forskjellige dimensjoner, kalles det et halvannen-vinget fly, eller sesquiplane .
Hangglideren er en spesiell aerodina utstyrt med en selvstabil og ikke-stiv vinge, dvs. dens geometri kan variere i henhold til vekten ved start og forholdene/manøvrene under flyging; den kalles ofte også Rogallo-fløyen .
Selv paraglideren har en vinge som holdes i form av lufttrykket som genereres av dens bevegelse, og som også er fleksibel (ikke stiv) under flukt.
Det er også fly med stubbe vinger og store halefly som flyr, vanligvis over vann, noen meter fra overflaten ved hjelp av bakkeeffekten .
Disse flyene, kalt ekranoplans , har praktisk talt gått ut av bruk.
Representasjonen ovenfor i henhold til ortogonale projeksjoner er en typisk og praktisk måte å identifisere en vinge med endelig åpning (også kalt ekte vinge ), symmetrisk med hensyn til det langsgående (vertikale) XZ-planet; det er også svært nyttig for å forstå definisjonen av alle de grunnleggende komponentene og navnene som brukes til å definere dem.
For rektangulære vinger uten dihedral, lage en seksjon av den med et vertikalplan XZ parallelt med planet som inneholder den langsgående symmetriaksen, oppnås seksjonen av aerofoil .
Teoretisk sett, selv om de mulige todimensjonale formene til vingeseksjonene er uendelige, er i praksis de mest studerte og brukte en liten delmengde og er preget av unike akronymer som i detalj definerer de geometriske og ytelsesegenskaper, og generelt sett er de gruppert i spesifikasjonsserier og/eller familier.
En vinge kan ha en konstant profil når denne er den samme i hver seksjon i retning av halvåpningen fra symmetriaksen ( Center Line, CL ) mot enden ( Tip ), eller med variabel profil når du er på stasjoner ved forskjellige avstander fra lengdeaksen brukes forskjellige, tilordnede profiler, som følger spesielle variasjonslover mellom referansestasjonene i seg selv.
Generelt har profilen en tendens til å "forkortes" i synet på XY-planet (avsmalnende i plan) og også å redusere dens maksimale tykkelse (oppmerksomhet: maksimal tykkelse, ikke maksimal relativ tykkelse, som også kan øke hvis fordelingen av profiltypene i åpning varierer!) i henhold til lineære eller mer komplekse trender, når du beveger deg bort fra vingen Center Line : årsakene er mange og av både væskedynamikk / kontrollerbarhet under flukt, og vekt / optimalisering av strukturell motstand.
En plausibel første klassifisering av profilfamiliene kan oppnås, historisk, basert på formen på krumningen antatt av magen og ryggen, eller ved å observere den generelle trenden til selve konturen:
Andre viktige klassifiseringer er laget basert på noen spesifikke væskedynamiske egenskaper, for eksempel utvidelse av laminaritet over en stor del av konturen (såkalte 'laminære' familier), eller egnet for å forsinke og/eller redusere så mye som mulig de skadelige effekter knyttet til kompressibilitet for å tillate å fly med høye Mach -tall (0,60 ~ 0,85) mens du cruiser (såkalte 'superkritiske' eller RT Whitcomb-familier [1] ) og også øke det indre volumet / strukturell stivhet av vingen.
Uansett hvor de bare er iboende til formen antatt av omrisset, kan disse i prinsippet betraktes som smarte forbedringer av de tidligere rapporterte klassifiseringene.
I teoriene om bæreblader faller det faste geometriske punktet sammen med den fremre ytterkanten (vanligvis avrundet, men ikke alltid) av skjelettet (eller midtlinjen) av profilen; dette punktet ved konstruksjon tilhører derfor også den fremre konturen av kroppen og varierer ikke med forekomsten (eller holdningen) av den samme.
Det kan også være Leading Edge Extensions som, ved å modifisere konturen til profilen, har som formål å forsinke eller kansellere den sannsynlige separasjonen av strømmen (laminær eller turbulent), noe som resulterer i en forbedring av den langsgående kontrollen ved lave hastigheter og høye angrepsvinkel og til slutt også å prøve å redusere muligheten for en brå stopp .
Av samme grunn er det også utvidelser som samsvarer med vingeroten kalt LERX eller LEX ( Leading Edge Root Extension ): disse enhetene brukes imidlertid vanligvis på bestemte fly (typisk jagerfly og trenere) for å forbedre deres manøvrerbarhetsegenskaper under spesielle flyforhold, og de krever en utforming av flykroppene som må være spesialdesignet for formålet (såkalte "blended wing body" flykropper ).
På samme måte blir det også referert til som ' bakkant ( eller bakkant, TE )' det faste geometriske punktet som faller sammen med bakenden (vanligvis spiss, men ikke alltid) av skjelettet (eller midtlinjen) av profilen; derfor hører også dette punktet, ved konstruksjon, til den bakre konturen av kroppen og er ikke variabel med forekomsten (eller holdningen) av den samme.
Fremre og bakre stagnasjonspunkter for profilenSpesiell oppmerksomhet må utvises for ikke å forveksle henholdsvis for- og bakkant med de fremre og bakre stagnasjonspunktene på kroppen : disse identifiseres faktisk fysisk, i rekkefølge, som punktene på den fremre og bakre overflaten av profilen . hastigheten til væsken i forhold til kroppen er kansellert ; plasseringen av disse punktene varierer med forekomsten (holdningen) av de samme.
Det fremre stagnasjonspunktet kan også falle sammen med forkanten for en bestemt flygeforekomst (såkalt "ideell" eller profildesignforekomst ), men varierer vanligvis rundt den; det samme gjelder for det bakre stagnasjonspunktet, hvor det imidlertid, på grunn av de vanlige flyholdningene (lav insidens) og under "stabile" bevegelsesforhold (dvs. ikke i avgangsøyeblikket eller impulsiv stopp av bevegelsen), vanligvis sammenfaller alltid med bakkant.
Til slutt er retningen til hastighetsvektoren, for begge punkter, alltid ortogonal til den lokale rette linjen som tangerer grenseoverflaten i selve punktet.
Profilens korde er definert som den rette avstanden som forbinder forkanten med bakkanten av kroppen (som definert ovenfor); det er en geometrisk karakteristikk av kroppen, unikt bestemt (def. i henhold til NACA).
Det er greit å være oppmerksom på at historisk, også av eksperimentelle og praktiske årsaker, kan profilens akkord identifiseres på en litt annen måte enn det som nettopp er blitt sagt: f.eks. ifølge andre kilder
(ESDU 83040) akkorden er definert som "den rette linjen som forbinder bakkanten (i sitt midtpunkt, hvis 'avkortet') til tangenspunktet på den fremre konturen av profilen med en omkrets sentrert i selve utgangen " (det er forstått at jeg på denne måten anser den maksimale diameteren ment som par av punkter som tilhører kroppens kontur).
Andre ganger, spesielt i fortiden og på sterkt buede profiler og/eller på propellene , refererer vi til avstanden til to punkter identifisert av bitangenten ved den ventrale konturen mellom baugen og akterenden av profilen, og plasserer den med buken på et plan: men de numeriske forskjellene på lengdene er minimale.
Videre blir den geometriske korden alltid brukt til å definere de relative posisjonene til profilene mellom dem og i forhold til flykroppen (i så fall kalles disse vinklene ' keying ').
Det samme kan ikke sies om målingen av innfallsvinklene når de refererer til den aerodynamiske i stedet for med hensyn til den geometriske korden : den aerodynamiske eller absolutte innfallsvinkelen er faktisk mer korrekt referert til 1. akse med null løft , som alltid passerer gjennom kanten d-utgang og unikt identifisert i henhold til familien som profilen tilhører.
Når kroppen har null aerodynamisk innfallsvinkel, er dens bærende bidrag alltid null, og i nærvær av inkompressibel viskøs væske degenererer resultatet av de aerodynamiske kreftene til den resistive komponenten alene.
For de vanlige familiene av bærende profiler, for tildelt kropp svinger vinkelen som eksisterer mellom den geometriske korden og den aerodynamiske korden generelt mellom ~ 0-4 ° og er en konstruktiv karakteristikk.
Relativ (maksimal) tykkelse på profilenEn annen svært viktig geometrisk karakteristikk ved profilene er deres relative tykkelse (eller Thickness Ratio, t/c ), definert som forholdet mellom den maksimale tykkelsen av profilseksjonen og dens geometriske korde; generelt uttrykkes det som en prosentandel av selve tauet, og i aerodynamikk svinger det vanligvis mellom minimum ~ 4-5 % og maks. på ~ 24-25 %, avhengig av ønsket krav.
I sin tur er tykkelsen på profilen ved de forskjellige stasjonene, dvs. langs korden, definert som avstanden mellom dorsale og ventrale overflaten, målt vinkelrett på profilens gjennomsnittslinje : denne verdien endres langs korden.
Med mindre annet er angitt, når vi snakker generisk om den relative tykkelsen til en kropp, mener vi i aerodynamikk alltid den maksimale verdien av forholdet.
Fra et væskedynamisk synspunkt deler de fremre og bakre stagnasjonspunktene (som definert rett ovenfor) den fuktede overflaten av profilen i en øvre seksjon, kalt ryggen (eller extrados ), og i en annen nedre seksjon kalt magen ( eller intrados).
Siden stagnasjonspunktene varierer med forekomsten, er forlengelsen av de to ratene ikke alltid konstant. Noen ganger er rygg og mage også definert (feil), fra et geometrisk synspunkt, med forkant og bakkant av profilen for å ha en underinndeling av den ufravikelige konturen (konstant) med forekomsten, men det er likevel greit å spesifisere at den flytende dynamiske diksjonen er den mest fysisk viktige og riktige.
I teorien om tynne profiler er skjelettet (eller middellinjen eller middellinjen ) til en profil definert som stedet for punktene (sentrene av omkretsene innskrevet i luftfoten) like langt fra overflaten av kroppen.
Ligningen til profilens middellinje kan anta selv svært komplekse analytiske lover, avhengig av kroppen som studeres; dessuten brukes det ofte til å klassifisere ulike familier av profiler på grunnlag av svært spesifikke bruksområder eller fordelinger av trykk (last) langs tauene.
' Camber'en til profilen (eller pilen til gjennomsnittslinjen) er i stedet definert som den maksimale avstanden fra den geometriske korden (og ortogonalt til den) til punktene som utgjør gjennomsnittslinjen.
Denne parameteren uttrykkes vanligvis i prosent som forholdet mellom den og den geometriske korden.
Camberen er et mål på asymmetrien til skjelettet til profilen, dvs. hvor mye det er buet i forhold til dets symmetriske ekvivalent: jo høyere denne verdien, desto mer " negativ " må innfallsvinkelen i forhold til den geometriske korden være for har null (det vil si: null absolutt innfallsvinkel).
Utviklingen av skjelettet og av de relative tykkelsene langs korden (som camberen er indirekte identifisert fra) er to grunnleggende faktorer for å definere familiene til profilene og en del av deres egenskaper.
Det geometriske vingespennet 'b' (vingespenn ) representerer den rette avstanden mellom endene langs en ortogonal retning i forhold til vingesymmetriaksen ( senterlinje 'CL') i henhold til planprojeksjonen. Referansevingeflaten
( geometrisk, eller brutto referansevingeareal ) representerer planprojeksjonen av hele vingen mellom korden plassert ved vingespissen opp til den samme på symmetriplanet til samme.
Den er generelt angitt med stor bokstav ' S ' og representerer den viktigste referanseflaten for dimensjonering og ytelsesberegninger.
Hvis flykroppen også er tilstede, tas også delen av overflaten inni den i betraktning, og strekker seg omkretsen opp til senterlinjen .
Vinge-sideforhold (geometrisk, eller Aspect Ratio)
Sideforholdet ' A ' (geometrisk, eller Aspect Ratio , AR) til en vinge er unikt definert som forholdet mellom det kvadratiske vingespennet ' b ' og dets referansevingeområde ' S '. Det er vanligvis indikert med ' A ' eller med ' AR ' og er dimensjonsløst; analytisk gjelder derfor følgende:
Det er en veldig viktig geometrisk parameter for "endelighet" (i en dimensjonal forstand!) Av vingen og av den avhenger mange aerodynamiske ytelser til flyet, men også av betydelige økninger i vekten av flyrammen og reduksjon av det indre volumet, siden det i hovedsak er en indeks på ' slankhet av vingen i betydningen åpning.
Geometrisk sett kan en vinge i utgangspunktet identifiseres ved en rekke faktorer som vi vil liste opp nedenfor.
Dette begrepet indikerer formen på vingekonturen i henhold til en ortogonal projeksjon i plan av samme; hovedfamiliene kan deles inn som følger: rektangulær , trapesformet , elliptisk (symmetrisk eller ikke), pil (positiv og negativ), delta (og dobbel delta), ogival og skrå delta.
Rett vinge med konstant akkord og null pilvinkel
Trapesformet vinge med sterk pilvinkel og variabel akkord
Basert på geometrien i plan er det mulig å klassifisere planprojeksjonen av vingene på følgende måte:
0. rett vinge (eller rett vinge): er de vingene der det ikke er noen pilvinkel mellom de to vingene og korden er konstant; den typiske rette vingen er den med en rektangulær plan, og konstruktivt sett er den også den enkleste;Ytterkanten av vingen kan være mer eller mindre utdypet på en slik måte at den lokalt konsentrerte virvelen som genereres av endeligheten til støtteelementet og derfor den resistive hastigheten som er forbundet med den, reduseres. [2]
Nesepilvinkelen er per definisjon vinkelen som dannes av forkantene til de to vingene ved deres skjæringspunkt på vingesymmetriplanet; den har en overveiende geometrisk interesse.
Vingevinkelen er ikke unik, men det finnes ulike etter behov; med tanke på venstre vinge (positive rotasjoner mot klokken og opprinnelse på en akse ortogonal til vingesymmetriplanet som går gjennom vingespissen "O") og fortsetter fra forkanten mot bakkanten, er de mest representative:
Det er også andre karakteristiske pilvinkler (for eksempel omhyllingen av punktene til seksjonene som har den maksimale relative tykkelsen t / c | max) som brukes til andre formål (strukturell beregning av ekvivalente vinger, etc.).
De to verdiene er direkte relatert: for eksempel tilsvarer en nesevinkel på 180 grader en pilvinkel på null grader, og en pil på 30 ° tilsvarer en nesevinkel på 120 °. Generelt:
.Adopsjonen av en vingepil skyldes forskjellige faktorer. Historisk ble det hovedsakelig introdusert for å øke det kritiske Mach-tallet , som er det minste Mach-tallet der fluksen på vingen begynner å bli sonisk. Under disse forholdene begynner det aerodynamiske luftmotstanden å øke veldig sterkt.
Siden det hovedsakelig er normalkomponenten til vingens forkant (dvs. perpendikulæren i planet hvor hastighet og forkant ligger) som bidrar til generering av aerodynamiske krefter, reduserer avbøyningsvinkelen denne komponenten. Fra definisjonen av Mach-tall:
I relativt sakte fly, dvs. ved en hastighet lavere enn Ma ≈ 0,6 (verdien avhenger veldig av de geometriske egenskapene til vingen) er det praktisk å bruke en trapesformet vinge uten pil eller med en veldig liten pil.
I høyere hastigheter kan vingen akselerere til supersoniske hastigheter i små områder med flyt på ryggen, og generere sjokkbølger som øker luftmotstanden. Etter hvert som flyhastigheten øker, vil området som påvirkes av sjokkbølgene vokse til å inneholde hele bærebladet .
Sjokkbølgen som genereres har en innfallsvinkel på flykroppen jo lavere jo raskere flyet er. Det er viktig at vingene på flyet forblir innenfor kjeglen som dannes av denne vinkelen, så jo større hastighet flyet kan nå, jo mindre må pilvinkelen være. I et supersonisk regime , for eksempel, ved en hastighet på Mach 3 (3 ganger lydhastigheten ) vil vinkelen være omtrent 60 grader, så pilen på vingene må være mindre enn 30 grader. Seilfly har derimot, av hensyn til plassering av tyngdepunktet, ofte vinger med litt negativ pilvinkel.
Fordelene med en pilvinkel er:
Ulempene i stedet er:
Ved å observere en vinge i frontal projeksjon, er det mulig å vurdere om begge vingene ligger i samme plan eller om de i stedet danner en vinkel (vendt nedover eller oppover) ved møtepunktet langs flykroppen.
Vinkelen som til slutt dannes av vingene med et horisontalt plan kalles dihedral vinkel og dens tilstedeværelse har en betydelig betydning for å gjøre et fly selvstabilt . Selvstabiliteten til et fly er et flys evne til å autonomt gå tilbake til en stabil posisjon etter en stress.
Som et eksempel, tenk på en forstyrrelse som får flyet til å rulle, med utgangspunkt i en rett og jevn flytilstand. På grunnlag av enkle geometriske betraktninger vil en komponent av vektkraften vinkelrett på flyets symmetriplan opprettes slik at den genererer en sidebevegelse. Med en positiv dihedral vinkel vil den halve vingen som senkes på grunn av rullebevegelsen bli utsatt for en økning i innfallsvinkelen på grunn av sidehastigheten (omvendt for den andre halve vingen): det vil oppstå et rullemoment som motsetter seg innledende forstyrrelse.
Det er intuitivt at hvis vingene hadde en negativ dihedral ville flyet reagere på en ustabilitet som ble enda mer ustabil. Denne ustabile tilstanden gjør flyet vanskeligere å fly, men det gjør det samtidig også mer håndterbart. Negative dihedriske vinger kan bli funnet på fly som MiG-29 , MiG-15 eller, enda tydeligere, F-104 .
Avhengig av posisjonen i forhold til flykroppen, kan vingen være:
lav vinge |
midtfløy |
høy vinge |
høy parasoll (eller avstivet) vinge |
Vingeposisjon er en viktig stabilitetsfaktor. En høy vinge gjør flyet mer stabilt, fordi flyet "henger" fra vingene: tyngdepunktet er lavere enn løftepåføringspunktet, så flyet har en tendens til å gå tilbake til en stabil posisjon av seg selv.
Den lave vingen derimot, med tyngdepunktet plassert over løftepunktet, gjør flyet mer ustabilt, men gir det samtidig bedre håndtering.
Den mellomstore vingen krever en litt mer kompleks struktur, men forbedrer ytelsen til flyet litt ved å redusere formmotstanden . Av denne grunn brukes den ofte i moderne passasjerfly og seilfly .
Det kan sees at generelt lavvingede fly krever positiv dihedral for å ha et minimum av stabilitet (som de fleste Pipers ), mens høyvingede fly ikke krever dihedral (som de fleste Cessnas ).
Hvis vingen blir avbrutt av flere spalter parallelt med vingespennet, kalles det en lamellvinge .
En utkraget vinge er en vinge som i hele sin lengde (i betydningen vingespenn) ikke har utvendige støttestrukturer, som er festet til flykroppen bare i den sentrale delen.
På den annen side, når det i tillegg til det sentrale festepunktet er en eller flere støttestag som kommer mindre enn en halv vinge unna flykroppen, kalles vingene semi -cantilevered .
Hvis bæreflaten bestemmer flyegenskapene til en vinge og derfor til et fly (først av alt den minste sikre flyhastigheten) blir det tydelig at hvis en vinge er designet for å fly optimalt i høye hastigheter, vil det være ganske utfordrende å gjennomføre starter og landinger (som begynner og slutter med at flyet står stille). Det ideelle er derfor muligheten for å variere vingeprofilen (ikke vingegeometrien) i de ulike fasene: en profil som er i stand til å utvikle høyt løft ved lave hastigheter (for start- og landingsmanøvrer ) og i stedet gi dårlig motstand ved høye hastigheter. For dette formålet bruker flyet noen spesialverktøy:
LEGENDE:
Det er tilfeller der det er praktisk å drastisk redusere løftet utviklet av en vinge for å tillate et raskt høydetap (for eksempel tilfellet med seilfly , vanligvis utstyrt med høy effektivitet : å redusere løftet i lav høyde letter landing). [3]
Selv passasjerfly bruker denne teknikken umiddelbart etter landing, fordi effektiviteten av bremsing, etter kontakt av hjulene med bakken, avhenger i stor grad av vekten som bæres på selve hjulene.
Denne reduksjonen i løft oppnås av de aerodynamiske bremsene eller av strømningsspoilere (også kalt spoilere ): disse er mobile elementer, plassert på baksiden av vingen, som kan stige ved å løsne luftstrømmen og skape en resirkulasjonsboble til omgivelsene trykk og dermed nesten helt eliminere løftet på det punktet av vingen.
En annen funksjon av spoilerne er korrigeringen under flyging av revers giring som produseres av bevegelsen av krokene under svingen . I dette tilfellet produserer faktisk vingen som er hevet, på grunn av nedadgående avbøyning av kroken, en indusert motstand [4] som er større enn den senkede vingen. Resultatet er en girbevegelse som bringer nesen til flyet i motsatt retning av svingretningen. I moderne kommersielle fly blir denne giringen kompensert av flyspoilere , det vil si at deflektoren på vingen heves og senkes - det vil si der kroken roteres oppover - og kompenserer dermed for den induserte motstanden til den motsatte vingen.
Det er tilfeller hvor det er ønskelig å øke løftet utviklet av en vinge, typisk ved lave hastigheter. Dette skjer vanligvis i start- og landingsfasen.
Denne økningen oppnås ved hjelp av mobile strukturer som modifiserer bæreflaten, og ofte øker akkorden: i dette tilfellet snakker vi om flap (når de bevegelige delene modifiserer bakkanten) eller lamell (når de bevegelige delene modifiserer forkantvingen).
Under normal flyging trekkes imidlertid disse strukturene tilbake, fordi vanligvis disse overflatene ikke bare øker løftet, men også motstanden til vingen (gjør den uegnet for flyging i høye hastigheter).
Ailerons er bevegelige deler av vingen , hengslet langs bakkanten. En rulleroer er i stand til å variere de aerodynamiske egenskapene til vingen den befinner seg i ved å øke eller redusere løftet.
Hvis det kun brukes rulleroene til én vinge, er resultatet en endring i holdningen til hele flyet, hovedsakelig rundt rulleaksen.
I tillegg til den aerodynamiske funksjonen, er vingene ofte også betrodd andre oppgaver, som krever spesifikke strukturelle elementer: