Fråga:
Hur fungerar ett flygplanets svansplan?
Pranav
2013-12-27 15:28:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Hur håller ett flygplanets svansplan flygplanet stabilt och förhindrar att det välter? Hur jämförs hissen som genereras av ett bakplan med den som genereras av vingen?

En fråga från de första dagarna av denna webbplats, många svar kan göra med en uppdatering. Hänvisningar till att behöva ha negativ lyft bör vara passé nu.
Fem svar:
#1
+21
Ludovic C.
2013-12-27 22:51:35 UTC
view on stackexchange narkive permalink

För konventionella mönster består svansen av två delar: den horisontella svansen och den vertikala svansen. De spelar en roll i flygplanets trimning och manövrerbarhet men på olika nivåer. Den horisontella svansen används främst för längsgående stabilitet (och trim) medan de vertikala svansarna används för sidostabilitet (och trim).

Om stabilitet

Det är möjligt att prata om stabilitet först efter att ha definierat en jämviktspunkt kring vilken stabiliteten studeras. Ett flygplan är i jämvikt om de krafter och stunder det upplever är balanserade. Med hjälp av en enkel modell för longitudinell analys kan den sönderdelas i tre relationer som kallas trim ekvationer. För att hålla det enkelt antas det här att attackvinkeln och flygbanans vinkel är noll. (Observera att samma resonemang kan uppnås med värden som inte är noll men ekvationerna blir då ganska röriga.)

Längdsbalans

Dessa tre ekvationer är:

$$ L = mg $$$$ T = D $$$$ M = 0 $$

där $ L $ är den totala hissen, $ mg $ är flygplanets vikt, $ T $ är dragkraften, $ D $ är dragkraften och $ M $ är tonhöjningsögonblicket runt flygplanets tyngdpunkt. Den andra ekvationen kommer inte att studeras ytterligare eftersom den inte hjälper att förstå den horisontella svansens roll och dess inflytande. Om man tittar på följande bild kan man se att tyngdpunkten och punkten där hissen gäller (vanligtvis det aerodynamiska centrumet) inte är desamma. Detta innebär att hissen som genereras av vingen skapar ett inducerat ögonblick runt tyngdpunkten som man bör lägga till det redan inneboende tonhöjningsmomentet på grund av huvudvingen (vanligtvis ett nedåtgående moment för konventionella vingar).

Longitudinal Stability

Att veta att det är möjligt att skriva om de två intresseekvationerna inklusive bidrag från huvudvingen och från den horisontella svansen.

$$ W + L_t = L_w $$$$ M_0 + bL_t = aL_w $$

Från dessa ekvationer och figuren verkar det som om den horisontella svansen används för att generera en hiss som inducerar ett ögonblick som hjälper till att balansera momentens jämvikt och därmed förhindra att flygplanet snurrar på sig själv (tonhöjd).

Nackdel och lösning

Från både figuren och ekvationerna visar det sig att lyftbidraget från svansen vanligtvis är negativt, vilket innebär att mer lyft från huvudvingen behövs för att hålla en trimmad (eller balanserad) ) flygplan. Denna nackdel kan övervinnas genom att använda en kanardkonfiguration istället.

Sidostabilitet

Samma sak kan göras för lateral jämvikt och stabilitet men där är det den vertikala svansen som är Begagnade. Det är symmetriskt så att ingen käft induceras och om det upplevs någon sidokraft kommer det att skapa ett ögonblick för att minska sidohalkningsvinkeln.

Jämförelse av lyft skapad av svansen och huvudet Vinge

För en trimmad konfiguration är det lätt att se att hissen som skapats av huvudvingen är mer eller mindre den som skapats av svansen plus flygplanets totala vikt, vilket ger en uppfattning om skillnaden mellan de två krafterna.

#2
+16
Peter Kämpf
2016-08-14 04:50:35 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Det finns inget riktigt fel med de befintliga svaren, men jag känner att de inte riktigt går ner till kärnan i frågan. Men det är faktiskt inte så komplicerat ...

Allt som krävs för statisk längsgående stabilitet är en lägre lyft per område på den horisontella svansen än på vingen. Downforce på svansen hjälper, för då är hissen vid svansen uppenbarligen lägre än på vingen, men är inte nödvändig. Det som räknas är att den relativa lyftförändringen vid den bakre lyftytan på grund av en förändring i attackvinkeln för hela flygplanet är högre än den relativa lyftförändringen på den främre lyftytan. Mekanismen är densamma för konventionella konfigurationer, kanarder eller till och med flygande vingar.

Lift curve slope and trim points

Säg att flygplanet flyger i attackvinkeln $ \ alpha_1 $ och störs av en byst eller en plötslig kontrollingång, så att den antar en högre attackvinkel $ \ alpha_2 $. På grund av camber och en högre incidens flyttas vingens lyftkurva (blå linje) upp relativt svansens (gröna linjen). Dessutom minskar avvattningseffekten och det lägre bildförhållandet svansens lyftkurvlutning relativt vingens.

Antag nu att flygplanet trimmades i tillstånd 1, så att ögonblicket från det lilla baklyft var lika med ögonblicket för den mycket större vinglyften runt tyngdpunkten. I tillstånd 2 är den absoluta lyftförändringen ∆L på vingen mycket mindre i förhållande till hissen vid tillstånd 1 än på svansen, så att den resulterande momentförändringen producerar ett stigningsmoment. Detsamma händer med en minskning av attackvinkeln i tillstånd 2, bara i omvänd riktning.

$$ \ frac {∆L_ {Wing}} {L_ {Wing}} < \ frac {∆L_ { Svans}} {L_ {Tail}} $$

Om lyftförhållandena skulle vara lika för vinge och svans, förändras inte ögonblicksbalansen mellan tillstånd 1 och tillstånd 2. Men eftersom svansen upplever en högre relativ förändring av lyft, en ögonblicksförändring följer som motverkar förändringen i attackvinkel.

Den här effekten fungerar också för en canard, där hissen per område på framplanet måste vara större än hissen per område på vingen. För en flygande vinge måste hissen per område på den främre delen av vingen vara större än på den bakre delen av vingen, och fortfarande är statisk stabilitet möjlig.

#3
+7
Lucas Kauffman
2013-12-27 15:37:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

En vinge med en konventionell aerofoilprofil bidrar negativt till längsgående stabilitet. Detta innebär att alla störningar (som en vindstöt) som höjer näsan producerar ett uppåtgående stigande ögonblick som tenderar att höja näsan ytterligare. Med samma störning producerar närvaron av ett bakplan ett återställande näsan nedåt, vilket kan motverka den naturliga instabiliteten hos vingen och göra flygplanet i längdriktningen (ungefär på samma sätt som en vindruta alltid pekar in i vinden). (Från Wikipedia-sidan på svansplan)

Slutplanet producerar ingen hiss. Man kan säga att det producerar en "negativ lift". Anledningen till att många tidiga flygare dödades är att svansplanen producerade lyft för att hjälpa planet att flyga, vilket skulle resultera i en oåtervinnlig svansplanstopp. De flesta moderna flygplan är utformade så att när luftflödet minskar minskar effekten / momentet som produceras av svansytan för att förhindra det tidigare nämnda tillståndet

Enligt en bok om Wright * Flyer * var tidiga plan avsiktligt utformade för att undvika att ha dem nedåt i en bås; det innebar att bås inte kunde återvinnas i luften, utan tenderade att begränsa den hastighet med vilken flygplanen slog marken. Den första dödsfallet i luften var ett resultat av en trasig kontrollkabel, som fick planet att näsa ner i marken, träffa det snabbt snarare än att stoppa och slå långsamt i marken.
@supercat: De första dödsfallen i luften var [Pilâtre de Rozier] (https://en.wikipedia.org/wiki/Jean-François_Pilâtre_de_Rozier) och Pierre Romain. Den [första tyngre än luft-dödsfallet] (https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_Lilienthal) orsakades verkligen av en stall och Wrights valde kanardkonfigurationen i felaktig tro att detta skulle göra just denna typ av stall omöjlig.
enligt [hur den flyger, sek 6] (http://www.av8n.com/how/htm/aoastab.html#sec-pitch-equilibrium), så kräver inte stjärntjänsten "negativ lyft". Det behöver bara lägre AoA.
@PeterKämpf: Du menar att det skulle göra "näsa-ner" bås omöjliga? Boken föreslår att de insåg att deras design skulle skapa oåterkalleliga stallsituationer, och bås var en frekvent händelse, men den första (och jag tror bara) dödsfall i ett Wright-plan av den designen inträffade när en kontrolllänk bröt (vilket skulle vara dåligt nyheter i ett plan av nästan vilken design som helst som saknade överflödiga kontrollmekanismer).
@supercat: Nej, det gör det inte omöjligt med "näsa ner" bås. Det som hindrade dem från att hända Wrights var deras val av tyngdpunkten - alla tidiga Wright-flygblad var statiskt instabila och bås skulle först inträffa på huvudflygeln. Genom att snabbt beordra ett ögonblick med den oinstallerade och fullt fungerande kanarden kan de återhämta sig varje gång.
@PeterKämpf: Vi är båda överens om att jag tror att en kanard * med Flyers egenskaper inte kommer att få fart efter en stall; skulle det vara rättvist att beskriva sitt stallbeteende som att gå in i aerodynamiskt stabilt hölje vars kontrollområde är otillräckligt för att återvända till hållbar flygning? Min intuition skulle föreslå att det skulle vara svårare att göra ett bakre svansplan stabilt på det sättet, och att det skulle vara mer benägna att lägga sig så mycket att det sedan skulle falla bakåt. Skulle det inte vara fallet?
@PeterKämpf: För att vara rättvis, ha en kanardkonfiguration _ gör_ för ett ustabilt flygplan ...
#4
+2
Hash
2013-12-27 18:02:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Vingarna (som har ett aerofoil-tvärsnitt) ger lyft (i princip en kraft som verkar motsatt vikt) som verkar på ett avstånd från tyngdpunkten (C.G) så att kraften överförs till C.G. som en kraft och ett ögonblick (i medurs riktning) som leder till uppåtgående rörelse

För att balansera det ögonblicket som svansen används, producerar svansen hiss (liten jämfört med den som produceras av vingar) så om vi överför den till C.G. en kraft och ett ögonblick (eftersom det ger mindre lyft borde det placeras långt från C.G) detta ögonblick verkar moturs och neutraliserar ögonblicket på grund av vingar ... Således gör flygplanet stabilt ...

#5
+1
ClickOKtoTerminate
2013-12-27 19:29:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Det absoluta värdet på hissen som genereras av bakplanet varierar och beror på den fas där ditt plan befinner sig i det ögonblicket:

Start (flikarna utsträckta): hög drift
Klättra (inga klaffar): oftast lyft (inte mycket)
Kryssning (inga klaffar): drift
Landning (klaffar utdragna): hög drift

På grund av bränsleförbrukningen är vikten av planet minskar under flygning. Detta kan ändra positionen för ditt tyngdpunkt och detta kommer i sin tur att påverka det absoluta värdet på din lyft / drift. Vanligtvis | drift | ökar, med andra ord, medan flygningen svängplanets lyft minskar.

Några ord till stabilitet: Tänk bara på jämvikt i ögonblick.
Tyngdpunkten ligger nära huvudvingen. Huvudvingens höga lyft är väldigt nära c.o.g., svansplanets drift är ganska långt ifrån den. Summan av alla ögonblick är lika med noll, de balanserar planet om det finns vindbyar etc.



Denna fråga och svar översattes automatiskt från det engelska språket.Det ursprungliga innehållet finns tillgängligt på stackexchange, vilket vi tackar för cc by-sa 3.0-licensen som det distribueras under.
Loading...