Deze sleepkracht treedt op in vliegtuigen als gevolg van vleugels of een liftlichaam dat lucht omleidt om lift te veroorzaken, en in auto's met vleugelvleugels die lucht omleiden om neerwaartse kracht te veroorzaken. Samuel Langley merkte op dat vlakkere platen met een hogere aspectverhouding een hogere lift en lagere weerstand hadden en in 1902 werden geïntroduceerd. Zonder de uitvinding van de aerodynamische kwaliteit van het vliegtuig zou modern vliegtuigontwerp onmogelijk zijn.
Heffen en verplaatsen
De totale aërodynamische kracht die op een lichaam inwerkt, wordt gewoonlijk geacht uit twee componenten te bestaan: lift en verplaatsing. Per definitie wordt de krachtcomponent evenwijdig aan de tegenstroom verplaatsing genoemd, terwijl de component loodrecht op de tegenstroom lift wordt genoemd.
Deze basisprincipes van aerodynamica zijn van groot belang voor de analyse van de aerodynamische kwaliteit van de vleugel. Lift wordt geproduceerd door de stromingsrichting rond de vleugel te veranderen. Wijzigingrichting resulteert in een verandering in snelheid (zelfs als er geen verandering in snelheid is, zoals te zien is in een eenparige cirkelvormige beweging), wat versnelling is. Om de stroomrichting te veranderen, moet daarom een kracht op de vloeistof worden uitgeoefend. Dit is duidelijk zichtbaar op elk vliegtuig, kijk maar naar de schematische weergave van de aerodynamische kwaliteit van de An-2.
Maar niet alles is zo eenvoudig. Voortbordurend op het thema van de aerodynamische kwaliteit van een vleugel, is het vermeldenswaard dat het creëren van luchtlift eronder een hogere druk heeft dan de luchtdruk erboven. Op een vleugel met een eindige overspanning zorgt dit drukverschil ervoor dat lucht van de wortel van de onderoppervlakvleugel naar de basis van het bovenoppervlak stroomt. Deze vliegende luchtstroom wordt gecombineerd met stromende lucht om een verandering in snelheid en richting te veroorzaken die de luchtstroom verdraait en wervelingen creëert langs de achterrand van de vleugel. De gecreëerde wervels zijn onstabiel, ze combineren snel om vleugelwervels te creëren. De resulterende wervelingen veranderen de snelheid en richting van de luchtstroom achter de achterrand, waardoor deze naar beneden wordt afgebogen en daardoor een flap achter de vleugel veroorzaakt. Vanuit dit oogpunt heeft het MS-21-vliegtuig bijvoorbeeld een hoog niveau van lift-naar-drag-verhouding.
Luchtstroomregeling
De vortexen veranderen op hun beurt de luchtstroom rond de vleugel, waardoor het vermogen van de vleugel om lift te genereren wordt verminderd, dus het vereist een hogere aanvalshoek voor dezelfde lift, waardoor de totale aerodynamische kracht naar achteren kantelt en de weerstandscomponent van die kracht. Hoekafwijking is verwaarloosbaarinvloed op de lift. Er is echter een toename van de weerstand die gelijk is aan het product van de lift en de hoek waardoor deze afwijkt. Aangezien doorbuiging zelf een functie is van de lift, is de extra weerstand evenredig met de hellingshoek, wat duidelijk te zien is aan de aerodynamica van de A320.
Historische voorbeelden
Een rechthoekige planetaire vleugel creëert meer vortextrillingen dan een conische of elliptische vleugel, daarom zijn veel moderne vleugels taps toelopend om de lift-naar-drag-verhouding te verbeteren. Het elliptische casco is echter efficiënter omdat de geïnduceerde wassing (en dus de effectieve aanvalshoek) constant is over de gehele spanwijdte van de vleugels. Vanwege fabricagecomplicaties hebben maar weinig vliegtuigen deze planvorm, de bekendste voorbeelden zijn de Spitfire uit de Tweede Wereldoorlog en de Thunderbolt. Taps toelopende vleugels met rechte voor- en achterranden kunnen een elliptische liftverdeling benaderen. Als algemene regel geldt dat rechte, niet-taps toelopende vleugels 5% produceren en taps toelopende vleugels 1-2% meer geïnduceerde weerstand dan een elliptische vleugel. Daarom hebben ze een betere aerodynamische kwaliteit.
Proportionaliteit
Een vleugel met een hoge aspectverhouding zal minder geïnduceerde weerstand produceren dan een vleugel met een lage aspectverhouding omdat er minder luchtverstoring is aan de punt van een langere, dunnere vleugel. Daarom is de geïnduceerdeweerstand kan omgekeerd evenredig zijn met evenredigheid, hoe paradoxaal het ook klinkt. De liftverdeling kan ook worden gewijzigd door uit te spoelen, de vleugel rond te draaien om de daling naar de vleugels te verminderen, en door het vleugelprofiel bij de vleugels te veranderen. Hierdoor krijg je meer lift dichter bij de vleugelwortel en minder bij de vleugel, wat leidt tot een afname van de sterkte van de vleugelwervelingen en bijgevolg tot een verbetering van de aerodynamische kwaliteit van het vliegtuig.
In de geschiedenis van vliegtuigontwerp
Bij sommige vroege vliegtuigen waren de vinnen op de uiteinden van de staarten gemonteerd. Latere vliegtuigen hebben een andere vleugelvorm om de intensiteit van de wervels te verminderen en een maximale lift-naar-weerstandsverhouding te bereiken.
Brandstoftanks op de dakwaaier kunnen ook enig voordeel bieden door een chaotische luchtstroom rond de vleugel te voorkomen. Nu worden ze in veel vliegtuigen gebruikt. De aerodynamische kwaliteit van de DC-10 werd in dit opzicht terecht als revolutionair beschouwd. De moderne luchtvaartmarkt is echter al lang aangevuld met veel geavanceerdere modellen.
Sleep-naar-slepen formule: uitgelegd in eenvoudige bewoordingen
Om de totale weerstand te berekenen, moet rekening worden gehouden met de zogenaamde parasitaire weerstand. Aangezien geïnduceerde weerstand omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de luchtsnelheid (bij een bepaalde lift), terwijl parasitaire weerstand er recht evenredig mee is, toont de algemene weerstandscurve de minimumsnelheid. Vliegtuig,vliegen met een dergelijke snelheid, werkt met optimale aerodynamische eigenschappen. Volgens de bovenstaande vergelijkingen vindt de snelheid van minimale weerstand plaats bij een snelheid waarbij de geïnduceerde weerstand gelijk is aan de parasitaire weerstand. Dit is de snelheid waarmee de optimale sliphoek wordt bereikt voor stilstaande vliegtuigen. Beschouw, om niet ongegrond te zijn, de formule op het voorbeeld van een vliegtuig:
De voortzetting van de formule is ook heel merkwaardig (hieronder afgebeeld). Hoger vliegen, waar de lucht dunner is, zal de snelheid verhogen waarmee de minimale weerstand optreedt, en dus sneller reizen op dezelfde hoeveelheid brandstof.
Als een vliegtuig met de maximaal toegestane snelheid vliegt, dan is de hoogte waarop de luchtdichtheid het vliegtuig de beste aerodynamische kwaliteit geeft. Optimale hoogte bij maximale snelheid en optimale snelheid bij maximale hoogte kunnen tijdens de vlucht veranderen.
Uithoudingsvermogen
Snelheid voor maximaal uithoudingsvermogen (d.w.z. tijd in de lucht) is de snelheid voor minimaal brandstofverbruik en minder snelheid voor maximale actieradius. Het brandstofverbruik wordt berekend als het product van het benodigde vermogen en het specifieke brandstofverbruik per motor (brandstofverbruik per vermogenseenheid). Het benodigde vermogen is gelijk aan de sleeptijd.
Geschiedenis
De ontwikkeling van moderne aerodynamica begon pas in de XVIIeeuwen, maar aerodynamische krachten worden al duizenden jaren door mensen gebruikt in zeilboten en windmolens, en afbeeldingen en verhalen van vluchten komen voor in alle historische documenten en kunstwerken, zoals de oude Griekse legende van Icarus en Daedalus. De fundamentele concepten van continuüm, weerstand en drukgradiënten komen voor in het werk van Aristoteles en Archimedes.
In 1726 werd Sir Isaac Newton de eerste persoon die de theorie van luchtweerstand ontwikkelde, waardoor het een van de eerste argumenten over aerodynamische eigenschappen was. De Nederlands-Zwitserse wiskundige Daniel Bernoulli schreef in 1738 een verhandeling genaamd Hydrodynamica waarin hij de fundamentele relatie tussen druk, dichtheid en stroomsnelheid voor onsamendrukbare stroming beschreef, tegenwoordig bekend als het principe van Bernoulli, dat één methode biedt voor het berekenen van aerodynamische lift. In 1757 publiceerde Leonhard Euler de meer algemene Euler-vergelijkingen, die kunnen worden toegepast op zowel samendrukbare als onsamendrukbare stromen. De Euler-vergelijkingen werden uitgebreid met de effecten van viscositeit in de eerste helft van de 19e eeuw, wat leidde tot de Navier-Stokes-vergelijkingen. De aerodynamische prestatie/aërodynamische kwaliteit van de pool werd rond dezelfde tijd ontdekt.
Op basis van deze gebeurtenissen en op basis van onderzoek in hun eigen windtunnel, vlogen de gebroeders Wright op 17 december 1903 met het eerste vliegtuig.
Soorten aerodynamica
Aerodynamische problemen worden geclassificeerd door stromingsomstandigheden of stromingseigenschappen, inclusief kenmerken zoals snelheid, samendrukbaarheid en viscositeit. Ze zijn meestal verdeeld in twee soorten:
- Externe aerodynamica is de studie van stroming rond vaste objecten van verschillende vormen. Voorbeelden van externe aerodynamica zijn de beoordeling van lift en weerstand van een vliegtuig, of de schokgolven die zich voor de neus van een raket vormen.
- Interne aerodynamica is de studie van stroming door doorgangen in vaste objecten. Interne aerodynamica omvat bijvoorbeeld de studie van de luchtstroom door een straalmotor of door een airconditioningschoorsteen.
Aerodynamische problemen kunnen ook worden geclassificeerd op basis van stroomsnelheden onder of nabij de geluidssnelheid.
Het probleem heet:
- subsonisch, als alle snelheden in het probleem kleiner zijn dan de geluidssnelheid;
- transonisch als er snelheden zijn zowel onder als boven de geluidssnelheid (meestal wanneer de karakteristieke snelheid ongeveer gelijk is aan de geluidssnelheid);
- supersonisch, wanneer de karakteristieke stroomsnelheid groter is dan de geluidssnelheid;
- hypersonisch, wanneer de stroomsnelheid veel groter is dan de geluidssnelheid.
Aerodynamicisten zijn het niet eens over de exacte definitie van hypersonische stroming.
Het effect van viscositeit op vloei dicteert een derde classificatie. Sommige problemen kunnen slechts zeer kleine viskeuze effecten hebben, in welk geval de viscositeit als verwaarloosbaar kan worden beschouwd. Benaderingen van deze problemen worden inviscid genoemdstromingen. Stromen waarvoor de viscositeit niet kan worden verwaarloosd, worden viskeuze stromen genoemd.
Compressibiliteit
Een onsamendrukbare stroming is een stroming waarbij de dichtheid zowel in tijd als ruimte constant is. Hoewel alle echte vloeistoffen samendrukbaar zijn, wordt stroming vaak als onsamendrukbaar beschouwd als het effect van een verandering in dichtheid slechts kleine veranderingen in de berekende resultaten veroorzaakt. Dit is waarschijnlijker wanneer de stroomsnelheid ver onder de geluidssnelheid ligt. De effecten van samendrukbaarheid zijn groter bij snelheden dichtbij of hoger dan de geluidssnelheid. Het Mach-getal wordt gebruikt om de mogelijkheid van onsamendrukbaarheid te evalueren, anders moeten samendrukbaarheidseffecten worden opgenomen.
Volgens de theorie van aerodynamica wordt de stroming als samendrukbaar beschouwd als de dichtheid langs de stroomlijn verandert. Dit betekent dat, in tegenstelling tot een onsamendrukbare stroming, rekening wordt gehouden met veranderingen in dichtheid. In het algemeen is dit het geval wanneer het Mach-getal van een deel of de gehele stroom groter is dan 0,3. De Mach-waarde van 0,3 is nogal willekeurig, maar wordt gebruikt omdat een gasstroom onder deze waarde minder dan 5% dichtheidsveranderingen vertoont. Ook vindt de maximale dichtheidsverandering van 5% plaats op het stagnatiepunt (het punt op het object waar de stroomsnelheid nul is), terwijl de dichtheid rond de rest van het object veel lager zal zijn. Transsonische, supersonische en hypersonische stromen zijn allemaal samendrukbaar.
Conclusie
Aerodynamica is tegenwoordig een van de belangrijkste wetenschappen ter wereld. Ze geeft onsbouwkwaliteit vliegtuigen, schepen, auto's en komische shuttles. Het speelt een grote rol bij de ontwikkeling van moderne soorten wapens - ballistische raketten, boosters, torpedo's en drones. Dit alles zou onmogelijk zijn zonder moderne geavanceerde concepten van aerodynamische kwaliteit.
Zo veranderden de ideeën over het onderwerp van het artikel van mooie, maar naïeve fantasieën over Icarus, naar functionele en echt werkende vliegtuigen die aan het begin van de vorige eeuw ontstonden. Tegenwoordig kunnen we ons leven niet meer voorstellen zonder auto's, schepen en vliegtuigen, en deze voertuigen blijven verbeteren met nieuwe doorbraken in aerodynamica.
De aerodynamische eigenschappen van zweefvliegtuigen waren een echte doorbraak in hun tijd. Aanvankelijk werden alle ontdekkingen op dit gebied gedaan door middel van abstracte, soms van de werkelijkheid gescheiden, theoretische berekeningen, die door Franse en Duitse wiskundigen in hun laboratoria werden uitgevoerd. Later werden al hun formules gebruikt voor andere, meer fantastische (volgens de normen van de 18e eeuw) doeleinden, zoals het berekenen van de ideale vorm en snelheid van toekomstige vliegtuigen. In de 19e eeuw werden deze apparaten in grote hoeveelheden gebouwd, te beginnen met zweefvliegtuigen en luchtschepen, de Europeanen schakelden geleidelijk over op de constructie van vliegtuigen. Deze laatste werden eerst uitsluitend voor militaire doeleinden gebruikt. De azen van de Eerste Wereldoorlog lieten zien hoe belangrijk de kwestie van dominantie in de lucht is voor elk land, en de ingenieurs van het interbellum ontdekten dat dergelijke vliegtuigen niet alleen effectief zijn voor het leger, maar ook voor burgers.doelen. In de loop van de tijd is de burgerluchtvaart stevig in ons leven gekomen en vandaag de dag kan geen enkele staat meer zonder.
