Lift-to-Drag-Verhältnis – Wikipedia

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Die Gebrüder Wright testeten 1901 (links) und 1902 (rechts) ihre Segelflugzeuge. Der Winkel des Haltegurts zeigt die dramatische Verbesserung des Auftriebs-Luftwiderstands-Verhältnisses.

In der Aerodynamik ist die Hub-zu-Widerstand-Verhältnis (oder L / D-Verhältnis) ist der Auftrieb, der von einem Flügel oder Fahrzeug erzeugt wird, geteilt durch den Luftwiderstand, den er durch die Bewegung durch die Luft erzeugt. Ein größeres oder günstigeres L / D-Verhältnis ist typischerweise eines der Hauptziele des Flugzeugdesigns; Da der erforderliche Auftrieb eines bestimmten Flugzeugs durch sein Gewicht festgelegt wird, führt die Bereitstellung dieses Auftriebs mit geringerem Luftwiderstand direkt zu einer besseren Kraftstoffökonomie in Flugzeugen, Steigleistung und Gleitverhältnis.

Der Term wird für eine bestimmte Fluggeschwindigkeit berechnet, indem der erzeugte Auftrieb gemessen und dann durch den Luftwiderstand bei dieser Geschwindigkeit dividiert wird. Diese variieren mit der Geschwindigkeit, sodass die Ergebnisse normalerweise in einem zweidimensionalen Diagramm dargestellt werden. In fast allen Fällen bildet der Graph aufgrund der beiden Hauptkomponenten des Widerstands eine U-Form.

Das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand kann durch einen Flugtest, durch Berechnung oder durch Testen in einem Windkanal bestimmt werden.[citation needed]

Der durch Auftrieb induzierte Widerstand ist eine Komponente des Gesamtwiderstands, der auftritt, wenn ein Flügel mit endlicher Spannweite Auftrieb erzeugt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten muss ein Flugzeug Auftrieb mit einem höheren Anstellwinkel erzeugen, was zu einem größeren induzierten Luftwiderstand führt. Dieser Begriff dominiert die langsame Seite des Diagramms von Auftrieb gegen Geschwindigkeit.

Ziehen Sie die Polarität für Leichtflugzeuge. Die Tangente gibt das Maximum L / D. Punkt.

Der Formwiderstand wird durch die Bewegung des Flugzeugs durch die Luft verursacht. Diese Art von Luftwiderstand, auch als Luftwiderstand oder Profilwiderstand bezeichnet, variiert mit dem Quadrat der Geschwindigkeit (siehe Luftwiderstandsgleichung). Aus diesem Grund ist der Profilwiderstand bei höheren Geschwindigkeiten stärker ausgeprägt und bildet die rechte Seite der U-Form des Auftriebs- / Geschwindigkeitsdiagramms. Der Profilwiderstand wird hauptsächlich durch Straffung und Reduzierung des Querschnitts verringert.

Der Auftrieb nimmt ebenso wie der Luftwiderstand zu, wenn das Quadrat der Geschwindigkeit und das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand häufig in Form der Auftriebs- und Widerstandskoeffizienten C aufgetragen werdenL. und CD.. Solche Graphen werden als Widerstandspolare bezeichnet. Die Geschwindigkeit steigt von links nach rechts. Das Auftriebs- / Widerstandsverhältnis wird durch die Neigung vom Ursprung zu einem Punkt auf dieser Kurve angegeben, sodass das maximale L / D-Verhältnis nicht am Punkt des geringsten Widerstands, dem Punkt ganz links, auftritt. Stattdessen tritt es mit einer etwas höheren Geschwindigkeit auf. Konstrukteure wählen normalerweise ein Flügeldesign aus, das bei der gewählten Reisegeschwindigkeit für ein angetriebenes Starrflügelflugzeug einen L / D-Peak erzeugt, wodurch die Wirtschaftlichkeit maximiert wird. Wie alle Dinge in der Luftfahrttechnik ist das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand nicht die einzige Überlegung für die Flügelkonstruktion. Leistung bei einem hohen Anstellwinkel und einem sanften Stall sind ebenfalls wichtig.

Gleitverhältnis[edit]

Da der Rumpf und die Steuerflächen des Flugzeugs auch den Luftwiderstand und möglicherweise den Auftrieb erhöhen, ist es angemessen, das L / D des Flugzeugs als Ganzes zu berücksichtigen. Wie sich herausstellt, ist das Gleitverhältnis, das das Verhältnis der Vorwärtsbewegung eines (nicht angetriebenen) Flugzeugs zu seinem Sinkflug ist, (wenn es mit konstanter Geschwindigkeit geflogen wird) numerisch gleich dem L / D des Flugzeugs. Dies ist insbesondere bei der Konstruktion und dem Betrieb von Hochleistungssegelflugzeugen von Interesse, die im besten Fall Gleitverhältnisse von fast 60 zu 1 (60 Einheiten Abstand nach vorne für jede Abstiegseinheit) aufweisen können, wobei jedoch 30: 1 als gute Leistung angesehen wird für den allgemeinen Freizeitgebrauch. Um das beste L / D eines Segelflugzeugs in der Praxis zu erreichen, ist eine präzise Steuerung der Fluggeschwindigkeit und ein reibungsloser und zurückhaltender Betrieb der Steuerungen erforderlich, um den Luftwiderstand von abgelenkten Steuerflächen zu verringern. Bei Windstille entspricht L / D der zurückgelegten Strecke geteilt durch die verlorene Höhe. Um die maximale Entfernung für Höhenverluste bei Wind zu erreichen, muss die beste Fluggeschwindigkeit weiter geändert werden, ebenso wie abwechselndes Cruisen und Thermaling. Um eine hohe Geschwindigkeit im ganzen Land zu erreichen, beladen Segelflugzeugpiloten, die eine starke Thermik erwarten, ihre Segelflugzeuge (Segelflugzeuge) häufig mit Wasserballast: Die erhöhte Flächenbelastung bedeutet ein optimales Gleitverhältnis bei höherer Fluggeschwindigkeit, jedoch auf Kosten eines langsameren Aufstiegs in der Thermik. Wie unten erwähnt, hängt das maximale L / D nicht vom Gewicht oder der Flächenbelastung ab, aber bei größerer Flächenbelastung tritt das maximale L / D bei einer schnelleren Fluggeschwindigkeit auf. Die schnellere Fluggeschwindigkeit bedeutet auch, dass das Flugzeug mit einer höheren Reynolds-Zahl fliegt, was normalerweise zu einem niedrigeren Luftwiderstandsbeiwert ohne Auftrieb führt.

Mathematisch kann das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand wie folgt geschätzt werden:

wo AR ist das Seitenverhältnis,

ε{ displaystyle varepsilon}

der Spannweitenwirkungsgrad, eine Zahl, die für lange, gerade kantige Flügel kleiner als, aber nahe an der Einheit liegt, und

C.D.,0{ displaystyle C_ {D, 0}}

der Null-Auftriebs-Widerstandsbeiwert.

Am wichtigsten ist, dass das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand unabhängig vom Gewicht des Flugzeugs, der Fläche des Flügels oder der Tragflächenbelastung ist.

Es kann gezeigt werden, dass zwei Haupttreiber mit einem maximalen Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand für ein Starrflügelflugzeug die Spannweite und die gesamte benetzte Fläche sind. Eine Methode zur Schätzung des Null-Auftriebs-Luftwiderstandsbeiwerts eines Flugzeugs ist die äquivalente Hautreibungsmethode. Bei einem gut konstruierten Flugzeug besteht der Nullhubwiderstand (oder Parasitenwiderstand) hauptsächlich aus dem Hautreibungswiderstand plus einem kleinen Prozentsatz des Druckwiderstands, der durch die Strömungstrennung verursacht wird. Die Methode verwendet die folgende Gleichung:

wo

C.zB{ displaystyle C _ { text {fe}}}

ist der äquivalente Hautreibungskoeffizient,

S.nass{ displaystyle S _ { text {wet}}}

ist der benetzte Bereich und

S.ref{ displaystyle S _ { text {ref}}}

ist der Flügelreferenzbereich. Der äquivalente Hautreibungskoeffizient berücksichtigt sowohl den Trennungswiderstand als auch den Hautreibungswiderstand und ist ein ziemlich konsistenter Wert für Flugzeugtypen derselben Klasse. Einsetzen dieser in die Gleichung für das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand zusammen mit der Gleichung für das Seitenverhältnis (

b2/.S.ref{ displaystyle b ^ {2} / S _ { text {ref}}}

) ergibt die Gleichung:

wo b ist Spannweite. Der Begriff

b2/.S.nass{ displaystyle b ^ {2} / S _ { text {wet}}}

ist als benetztes Seitenverhältnis bekannt. Die Gleichung zeigt die Bedeutung des benetzten Seitenverhältnisses für ein aerodynamisch effizientes Design.

Überschall / Hyperschall-Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand[edit]

Bei sehr hohen Geschwindigkeiten ist das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand tendenziell geringer. Concorde hatte ein Hub / Luftwiderstands-Verhältnis von ungefähr 7 bei Mach 2, während ein 747 ungefähr 17 bei ungefähr Mach 0,85 ist.

Dietrich Küchemann entwickelte eine empirische Beziehung zur Vorhersage des L / D-Verhältnisses für hohe Mach:[3]

wo M. ist die Machzahl. Windkanaltests haben gezeigt, dass dies ungefähr genau ist.

Beispiele für L / D-Verhältnisse[edit]

Berechnete aerodynamische Eigenschaften[11]
Jetliner Kreuzfahrt L / D. Erster Flug
L1011-100 14.5 16. November 1970
DC-10-40 13.8 29. August 1970
A300-600 15.2 28. Oktober 1972
MD-11 16.1 10. Januar 1990
B767-200ER 16.1 26. September 1981
A310-300 15.3 3. April 1982
B747-200 15.3 9. Februar 1969
B747-400 15.5 29. April 1988
B757-200 15.0 19. Februar 1982
A320-200 16.3 22. Februar 1987
A330-300 18.1 2. November 1992
A340-200 19.2 1. April 1992
A340-300 19.1 25. Oktober 1991
B777-200 19.3 12. Juni 1994

Für den Gleitflug sind die L / D-Verhältnisse gleich dem Gleitverhältnis (wenn mit konstanter Geschwindigkeit geflogen).

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

[8]

  1. ^ Loftin, LK Jr. “Streben nach Leistung: Die Entwicklung moderner Flugzeuge. NASA SP-468”. Abgerufen 2006-04-22.
  2. ^ Raymer, Daniel (2012). Flugzeugdesign: Ein konzeptioneller Ansatz (5. Aufl.). New York: AIAA.
  3. ^ Aerospaceweb.org Hyperschallfahrzeugdesign
  4. ^ Antonio Filippone. “Lift-to-Drag-Verhältnisse”. Fortgeschrittene Themen in der Aerodynamik. Archiviert von das Original am 28. März 2008.
  5. ^ Cumpsty, Nicholas (2003). Strahlantrieb. Cambridge University Press. p. 4.
  6. ^ Christopher Orlebar (1997). Die Concorde-Geschichte. Osprey Publishing. p. 116. ISBN 9781855326675.[permanent dead link]
  7. ^ Leishman, J. Gordon (24. April 2006). Prinzipien der Hubschrauberaerodynamik. Cambridge University Press. p. 230. ISBN 0521858607. Das maximale Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand des gesamten Hubschraubers beträgt ca. 4,5
  8. ^ ein b Leistungsbewertung von Cessna Skyhawk II http://temporal.com.au/c172.pdf
  9. ^ “U2 Developments Transcript”. CIA. 1960. Zusammenfassung zusammenlegen – – Transkript.
  10. ^ David Noland (Februar 2005). “Das ultimative Solo”. Beliebte Mechanik.
  11. ^ Rodrigo Martínez-Val; et al. (Januar 2005). “Historische Entwicklung der Produktivität und Effizienz des Luftverkehrs”. 43. AIAA Aerospace Sciences Meeting und Ausstellung. doi:10.2514 / 6.2005-121.[permanent dead link]
  12. ^ Eta Flugzeuge Eta Flugzeug Leistungsplots – Zugriff 2004-04-11
  13. ^ Flugleistung des größten volanten Vogels
  14. ^ ein b Technische Konferenz des Space Shuttles S. 258
  15. ^ http://scienceandglobalsecurity.org/archive/2015/09/hypersonic_boost-glide_weapons.html
  16. ^ Jackson, Stephen M. (2000). “Gleitwinkel in der Gattung Petaurus und eine Überprüfung des Gleitens bei Säugetieren”. Säugetier Bewertung. 30 (1): 9–30. doi:10.1046 / j.1365-2907.2000.00056.x. ISSN 1365-2907.
  17. ^ Hillje, Ernest R., “Eintrittsaerodynamik bei Mondrückgabebedingungen, erhalten aus dem Flug von Apollo 4 (AS-501)”, NASA TN D-5399 (1969).

Externe Links[edit]

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