Нагрузка на крыло в аэродинамике

Введение

Общая масса, деленная на площадь крыла.

В аэродинамике крыловой нагрузкой называется общая масса летательного аппарата или летающего животного, деленная на площадь его крыла. Применительно к летательным аппаратам, это включает в себя площадь элеронов. Чем выше скорость полета, тем сильнее изменение подъемной силы зависит от изменения угла атаки, поэтому на самолеты с меньшей площадью крыла вертикальные порывы оказывают меньшее негативное воздействие. Следовательно, более быстрые самолеты обычно имеют более высокую крыловую нагрузку, чем более медленные, чтобы избежать избыточной реакции на вертикальные порывы. Более высокая крыловая нагрузка также снижает маневренность. Те же ограничения применимы и к крылатым биологическим организмам.

Влияние на работоспособность поворота

Чтобы повернуть, самолету необходимо выполнить крен в направлении поворота, увеличивая угол крена. Полет в повороте уменьшает составляющую подъемной силы крыла, направленную против силы тяжести, и, следовательно, вызывает снижение. Для компенсации необходимо увеличить подъемную силу, увеличив угол атаки с помощью отклонения руля высоты вверх, что приводит к увеличению сопротивления. Поворот можно описать как «подъем по окружности» (подъемная сила крыла перенаправляется на поворот самолета), поэтому увеличение угла атаки крыла создает еще большее сопротивление. Чем меньше радиус поворота, тем большее сопротивление возникает; это требует увеличения мощности (тяги) для преодоления сопротивления. Максимальная угловая скорость поворота, достижимая для конкретной конструкции самолета, ограничена площадью крыла и доступной мощностью двигателя: максимальный угол поворота, который самолет может достичь и удерживать, определяет его устойчивую характеристику поворота. С увеличением угла крена увеличивается и перегрузка, действующая на самолет, что приводит к увеличению нагрузки на крыло и, как следствие, скорости сваливания. Этот эффект также наблюдается при маневрах с сохранением высоты. Поскольку сваливание происходит из-за нагрузки на крыло и максимального коэффициента подъемной силы на заданной высоте и скорости, это ограничивает радиус поворота из-за максимального значения перегрузки. Самолеты с низкой нагрузкой на крыло, как правило, обладают лучшей устойчивой характеристикой поворота, поскольку они могут создавать большую подъемную силу при заданном значении тяги двигателя. Мгновенный угол крена, которого может достичь самолет до того, как сопротивление существенно снизит воздушную скорость, называется его мгновенной характеристикой поворота. Самолет с небольшим, сильно нагруженным крылом может иметь превосходную мгновенную характеристику поворота, но плохую устойчивую характеристику: он быстро реагирует на команды управления, но его способность удерживать крутой поворот ограничена. Классическим примером является F-104 Starfighter, у которого очень маленькое крыло и высокая нагрузка на крыло. На другом конце спектра находился большой Convair B-36: его большие крылья обеспечивали низкую нагрузку на крыло, что позволяло ему выполнять более крутые повороты на большой высоте, чем современные реактивные истребители, в то время как чуть более поздний Hawker Hunter имел аналогичную нагрузку на крыло. Прототип авиалайнера Boeing 367-80 мог выполнять крен на малых высотах при нагрузке на крыло при максимальной взлетной массе. Как и любое тело, движущееся по окружности, самолет, достаточно быстрый и мощный, чтобы поддерживать горизонтальный полет со скоростью v по окружности радиуса R, ускоряется к центру со скоростью . Это ускорение вызвано внутренней горизонтальной составляющей подъемной силы, где – угол крена. Тогда, согласно второму закону Ньютона, , а решение относительно R дает: чем ниже нагрузка на крыло, тем меньше радиус поворота. Планеры, предназначенные для использования термиков, нуждаются в небольшом радиусе поворота, чтобы оставаться в восходящем потоке воздуха, и то же самое относится к парящим птицам. Другим птицам, например, тем, которые ловят насекомых в полете, также требуется высокая маневренность. Всем им необходима низкая нагрузка на крыло.

To turn, an aircraft must roll in the direction of the turn, increasing the aircraft's bank angle. Turning flight lowers the wing's lift component against gravity and hence causes a descent. To compensate, the lift force must be increased by increasing the angle of attack by use of up elevator deflection which increases drag. Turning can be described as 'climbing around a circle' (wing lift is diverted to turning the aircraft) so the increase in wing angle of attack creates even more drag. The tighter the turn radius attempted, the more drag induced; this requires that power (thrust) be added to overcome the drag. The maximum rate of turn possible for a given aircraft design is limited by its wing size and available engine power: the maximum turn the aircraft can achieve and hold is its sustained turn performance. As the bank angle increases so does the g force applied to the aircraft, this having the effect of increasing the wing loading and also the stalling speed. This effect is also experienced during level pitching maneuvers. As stalling is due to wing loading and maximum lift coefficient at a given altitude and speed, this limits the turning radius due to maximum load factor.<! Aircraft with low wing loadings tend to have superior sustained turn performance because they can generate more lift for a given quantity of engine thrust. The immediate bank angle an aircraft can achieve before drag seriously bleeds off airspeed is known as its instantaneous turn performance. An aircraft with a small, highly loaded wing may have superior instantaneous turn performance, but poor sustained turn performance: it reacts quickly to control input, but its ability to sustain a tight turn is limited. A classic example is the F 104 Starfighter, which has a very small wing and high wing loading. At the opposite end of the spectrum was the large Convair B 36: its large wings resulted in a low wing loading that could make it sustain tighter turns at high altitude than contemporary jet fighters, while the slightly later Hawker Hunter had a similar wing loading of The Boeing 367 80 airliner prototype could be rolled at low altitudes with a wing loading of at maximum weight. Like any body in circular motion, an aircraft that is fast and strong enough to maintain level flight at speed v in a circle of radius R accelerates towards the center at That acceleration is caused by the inward horizontal component of the lift, , where is the banking angle. Then from Newton's second law, Solving for R gives The lower the wing loading, the tighter the turn. Gliders designed to exploit thermals need a small turning circle in order to stay within the rising air column, and the same is true for soaring birds. Other birds, for example those that catch insects on the wing also need high maneuverability. All need low wing loadings.

Влияние на стабильность

Нагрузка на крыло также влияет на реакцию на порывы ветра, то есть на степень воздействия турбулентности и изменений плотности воздуха на самолет. Небольшое крыло имеет меньшую площадь, на которую может воздействовать порыв, что способствует более плавному полету. Для высокоскоростных полетов на малых высотах (например, для быстрого захода на бомбометание в штурмовом самолете) предпочтительнее небольшое, тонкое, сильно нагруженное крыло: самолеты с низкой нагрузкой на крыло часто испытывают сильную тряску и дискомфорт в этом режиме полета. F-15E Strike Eagle имеет нагрузку на крыло (без учета вклада фюзеляжа в эффективную площадь), в то время как большинство самолетов с дельтавидным крылом (таких как Dassault Mirage III, для которого WS = 387 кг/м²) обычно имеют большие крылья и низкую нагрузку на крыло. Количественно, если порыв ветра создает восходящее давление G (в Н/м², например) на самолет массой M, то восходящее ускорение a, согласно второму закону Ньютона, будет равно , уменьшаясь с увеличением нагрузки на крыло.

Влияние развития

Еще одно осложнение, связанное с нагрузкой на крыло, заключается в том, что существенно изменить площадь крыла существующего самолета сложно (хотя незначительные улучшения возможны). В процессе разработки самолеты склонны к "набору массы" – добавлению оборудования и функций, значительно увеличивающих их взлетную массу. Самолет, имеющий умеренную нагрузку на крыло в исходной конструкции, может в итоге получить очень высокую нагрузку на крыло по мере добавления нового оборудования. Хотя двигатели можно заменить или модернизировать для увеличения тяги, последствия для маневренности и взлетно-посадочных характеристик, вызванные повышенной нагрузкой на крыло, устранить не так просто.

Водный баласт для использования в планерах

Современные планеры часто используют водяной балласт, размещаемый в крыльях, для увеличения нагрузки на крыло в сильных условиях планирования. Увеличение нагрузки на крыло позволяет повысить среднюю скорость полета на дистанции, чтобы эффективно использовать сильные термики. При более высокой нагрузке на крыло заданное аэродинамическое качество достигается на большей скорости, чем при меньшей нагрузке, что позволяет увеличить среднюю скорость полета на дистанции. Балласт можно сбросить за борт при ослаблении условий или перед посадкой.

Подъем фюзеляжа

Смешанная схема «фюзеляж-крыло», как, например, у General Dynamics F-16 Fighting Falcon или Mikoyan MiG-29 Fulcrum, способствует снижению нагрузки на крыло; в такой схеме фюзеляж создает аэродинамическую подъемную силу, тем самым улучшая характеристики крыла при сохранении высоких летных качеств.

Крыло с переменным подъемом

Такие самолеты, как Grumman F-14 Tomcat и Panavia Tornado, оснащены крылом изменяемой стреловидности. Поскольку площадь крыла изменяется в полете, меняется и нагрузка на крыло (хотя это и не единственное преимущество). При положении крыла, отклоненном вперед, значительно улучшаются взлетно-посадочные характеристики.

Крылья

Как и все предкрылки, предкрылки Фаулера увеличивают выпуклость профиля и, следовательно, максимальное значение коэффициента подъёмной силы (CLmax), снижая скорость посадки. Они также увеличивают площадь крыла, уменьшая нагрузку на крыло, что дополнительно снижает скорость посадки. Высокоподъёмные устройства, такие как определённые типы предкрылков, позволяют использовать крылья меньшей площади в конструкции для достижения сопоставимых скоростей посадки по сравнению с альтернативной конструкцией с крыльями большей площади, не оснащённой высокоподъёмными устройствами. Такие решения позволяют увеличить нагрузку на крыло в конструкции. Это может привести к полезным характеристикам, таким как более высокие крейсерские скорости или уменьшение тряски при высокоскоростном полёте на малой высоте (последняя характеристика особенно важна для самолётов непосредственной поддержки). Например, Lockheed Starfighter использует внутренние обдуваемые предкрылки (Blown flaps) для достижения высокой нагрузки на крыло (723 кг/м²), что обеспечивает гораздо более плавный полёт на малой высоте на максимальном режиме тяги по сравнению с дельтапланами с низкой нагрузкой на крыло, такими как Mirage 2000 или Mirage III (387 кг/м²). F-16, имеющий относительно высокую нагрузку на крыло 689 кг/м², использует предкрылки корневых обтекателей для увеличения подъёмной силы крыла при больших углах атаки.