Przypomnienie wiadomoci z mechaniki Profil pata Charakterystyka skrzyda

Przypomnienie wiadomości z mechaniki Profil płata Charakterystyka skrzydła Siły aerodynamiczne Urządzenia aerodynamiczne Biegunowa szybowca Doskonałość i zasięg szybowca Siły działające na szybowiec Przeciągnięcie Korkociąg Stateczność i sterowność szybowca Zjawiska aeroelastyczne Obciążenia szybowca

Przypomnienie niezbędnych wiadomości z mechaniki wektor, skalar siła, cechy, dodawanie i odejmowanie, znajdowanie wektora wypadkowego zasady Newtona ruch prostoliniowy jednostajny i jednostajnie przyspieszony ruch po okręgu – działanie sił i przyspieszeń para sił: pojęcie, działanie, momenty sił względem osi praca, moc, energia (jednostki) przyciąganie ziemskie

WEKTOR I SKALAR

WEKTOR - DZIAŁANIA

DYNAMIKA – ZASADY NEWTONA I - Jeśli na ciało nie działa żadna siła lub gdy siły działające równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym. II - Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się, to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalnym do masy ciała. III - Oddziaływania ciał są zawsze wzajemne. Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał mają takie same wartości, taki sam kierunek, przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia

CIAŁO SZTYWNE Ciało sztywne w przestrzeni posiada 6 -stopni swobody

KINEMATYKA Dział fizyki zajmujący się ruchem Ruch – zmienność położenia w funkcji czasu Prędkość – pierwsza pochodna drogi po czasie Przyśpieszenie – pierwsza pochodna prędkości po czasie (lub druga pochodna drogi po czasie) Dla ruchu jednostajnie przyśpieszonego

KINEMATYKA Ruch obrotowy

DYNAMIKA Moment siły Mo r F

PRACA, MOC, ENERGIA W=F*s [Nm=J] 1 N 1 m 1 m Energia potencjalna Ep= mgh Energia kinetyczna Ek= mv 2/2 1 s -> 1 W 1 N 5 s -> 0, 2 W 1 m 1 N Równoważnik energii i pracy Rozpędzając ciało nadajemy mu energię kinetyczną Wznosząc (oddalając) ciało nadajemy mu energię potencjalną

PRZYCIĄGANIE GRAWITACYJNE Dwa ciała przyciągają siłą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi

PROFIL PŁATA grubość profilu cięciwa profilu szkieletowa profilu promień zaokrąglenia noska profilu strzałka profilu kąt natarcia kąt zaklinowania płata

c – długość cięciwy profilu g – grubość maksymalna (% c) f – strzałka (%c)

xg – odległość maksymalnej grubości od noska profilu xf – odległość maksymalnej strzałki od noska profilu ra – promień noska profilu

α – kąt natarcia skrzydła

iw - kąt zaklinowania płata nośnego względem osi kadłuba

Charakterystyka skrzydła wydłużenie cięciwa nasady cięciwa końcówki skrzydło trapezowe zbieżność płata różne obrysy skrzydeł (wpływ na wielkość oporu indukowanego) średnia cięciwa aerodynamiczna

l WYDŁUŻENIE b

lp WYDŁUŻENIE lk b

WYDŁUŻENIE S b

lk b/2 lp SKRZYDŁO TRAPEZOWE Najczęściej wykorzystywany obrys płata

ŚREDNIA CIĘCIWA WIELKOŚC W ZASADZIE NIE UŻYWANA W ANALIZACH AERODYNAMICZNYCH ORAZ PRZY PROJEKTOWANIU PŁATOWCA OKREŚLA CIĘCIWĘ RÓWNOWAŻNEGO PŁATA PROSTOKĄTNEGO 0 TYM SAMYM WYDŁUŻENIU I POWIERZCHNI

ŚREDNIA CIĘCIWA 1. Średnia cięciwa aerodynamiczna SCA lp lk SCA

ŚREDNIA CIĘCIWA AERODYNAMICZNA OKREŚLA CIĘCIWĘ ZASTĘPCZEGO SKRZYDŁA PROSTOKĄTNEGO, KTÓREGO WYPADKOWA SIŁ AERODYNAMICZNYCH ZNAJDUJE SIĘ W TYM SAMYM MIEJSCU CO SKRZYDŁA ZASTĘPOWANEGO ~53%b/2 ~83%lp Ogólnie:

Siły aerodynamiczne prawo ciągłości strugi równanie Bernouliego mechanizm powstawania siły nośnej, wzór oderwanie strug mechanizm powstawania siły oporu, wzór opór tarcia, opór kształtu, opór indukowany, opór interferencyjny współczynnik siły oporu i siły nośnej, ich zależność od kąta natarcia.

PRAWO CIĄGŁOŚCI STRUGI W zakresie prędkości poddźwiękowych powietrze możemy uważać za ośrodek nieściśliwy => p 1=p 2 S 2 S 1

PRAWO BERNOULLIEGO

PRAWO BERNOULLIEGO

PRAWO BERNOULLIEGO

PRAWO BERNOULLIEGO To równanie jest prawdziwe dla dowolnego odcinka strugi zatem: otrzymamy wreszcie :

PRAWO BERNOULLIEGO Na ogół zmiana wysokości jest pomijalnie mała wzór upraszcza nam się do postaci: Co można wyrazić twierdzeniem, że : SUMA CIŚNIENIA DYNAMICZNEGO I STATYCZNEGO WZDŁUŻ PRZEPŁYWAJĄCEJ STRUGI JEST STAŁA

PRAWO BERNOULLIEGO

POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ

POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ

POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ P Pz Px

POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ Cz Zależność współczynnika siły nośnej Cz od kąta natarcia

POWSTAWANIE SIŁY NOŚNEJ Wpływ parametrów geometrycznych profilu na przebieg Cz=f( ) GRUBOŚĆ STRZAŁKA

ODERWANIE STRUG Opływ ostrych krawędzi F=m*a

ODERWANIE STRUG Lokalny spadek prędkości strugi

OPÓR AERODYNAMICZNY 1. 2. 3. 4. 5. Opór kształtu Opór tarcia Opór indukowany Opór interferencyjny Opór szczelinowy

OPÓR KSZTAŁTU ZWIĄZANY Z WCZEŚNIEJ OMAWIANYMI ZJAWISKAMI ODERWANIA STRUG 1. Przy małych prędkościach następuje oderwanie laminarne 2. Duża prędkość (energia kinetyczna) pozwala na przejście z opływu laminarnego w turbulencyjny i oderwanie następuje później.

1. 2. 3. 4. 5. OPÓR TARCIA Lepkość powietrza Warstwa przyścienna Opływ laminarny Opływ turbulencyjny Stan powierzchni skrzydła

OPÓR TARCIA Profil laminarny • Duża odległość gmax od noska >35% • Mniejszy (ale nie ostry) promień noska • Mniejsze opory, ale i mniejsze Cz Profil turbulencyjny • Odległość gmax w granicach 25 -35 % • Większe współczynniki Cz i Cx • Promień noska wyraźnie większy

OPÓR INDUKOWANY 1. Różnica ciśnień na dolnej i górnej powierzchni skrzydła 2. Wir brzegowy 3. Wpływ geometrii skrzydła na wielkość oporu indukowanego 4. Sposoby zmniejszania oporu indukowanego

OPÓR INDUKOWANY

OPÓR INDUKOWANY Skos opływu rośnie z rozpiętością osiągając największą wartość na końcach skrzydeł powstaje wir brzegowy.

OPÓR INDUKOWANY Opór indukowany rośnie wraz z siła nośną: Znaczenie ma oczywiście rozkład siły nośnej wzdłuż rozpiętości, a ten determinowany jest obrysem skrzydła, wydłużeniem oraz jego zwichrzeniem

OPÓR INTERFERENCYJNY Interferencja – wzajemne oddziaływanie > Opór płatowca Opór(kadłub+skrzydła+usterzenia) 1. 2. • • Zawirowania od przecinających się strug Lokalne przyrosty prędkości Przyrost dodatni – zwiększenie sił oporu Przyrost ujemny – oderwania Obszar możliwych oderwań Obszar przyrostu prędkości

OPÓR INTERFERENCYJNY największy mały duży najmniejszy

OPÓR SZCZELINOWY 1. Wyrównywanie ciśnień 2. Zawirowania podczas opływu szczelin

OPÓR WZÓR OGÓLNY P Pz Px

WSPÓŁCZYNNIK OPORU Podobnie jak dla Cz współczynnik oporu zależy od kąta natarcia , a przebieg funkcji Cx=f( ) także od cech geometrycznych profilu 1. Profil g=6%, f=0% 2. Profil 12, 5% f=4% 3. Profil 13%, f=0%

BIEGUNOWA LILIENTHALA Wykresy Cz i Cx od można nanieść na jeden wykres transponując Cx na oś poziomą otrzymujemy tzw. Biegunową Lilienthala

BIEGUNOWA LILIENTHALA Współczynnik oporu indukowanego Współczynnik oporu szkodliwego Współczynnik oporu Profilowego+interferencyjnego+szczelinowego

Urządzenia aerodynamiczne stery: powstawanie sił aerodynamicznych, ich wpływ na tor lotu moment oporowy i różnicowość lotek urządzenia odciążające układ sterowania wyważenie aerodynamiczne i masowe sterów zmiana skuteczności sterów i sił na drążku urządzenia powiększające maksymalny współczynnik siły nośnej.

STERY Szybowiec porusza się w przestrzeni trójwymiarowej, dzięki obrotom wokół trzech osi

STERY Wychylanie sterów powoduje zmianę wysklepienia profilu, Co skutkuje zmianą sił aerodynamicznych

STERY Siły wywołują moment względem środka ciężkości: 1. Ster wysokości powoduje pochylanie działając momentem: M= Ph*Lh - M Lh + Ph - Ph + M

STERY Siły wywołują moment względem środka ciężkości: 2. Ster kierunku powoduje odchylanie działając momentem: Lv N= Pv*Lv Ph

STERY Siły wywołują moment względem środka ciężkości: 2. Lotki powodują przechylanie działając momentem: L=( Pzp+ Pzl )*bl - Pzp + Pzl bl Gdzie znajduje się środek obrotu?

LOTKI opór znacznie wzrasta przy zwiększaniu strzałki profilu (wychylenie steru w dół), co powoduje powstanie niekorzystnego momentu Z tego względu lotki mają różne wychylenia w górę i w dół g d g> d

LOTKI W celu zapewnienia skuteczności lotek (zapobieganie oderwaniu strugi) stosuje się zwichrzenie geometryczne, bądź aerodynamiczne skrzydła

STERY Wychylenia sterów powodują występowanie sił na sterownicach (od momentu zawiasowego) wprost proporcjonalnych do v 2 i wielkości wychyleń

STERY • Odciążenie poprzez serwomechanizmy • Wyważenie aerodynamiczne • Klapka odciążająca flettner • Wyważenie masowe niwelacja drgań od sił bezwładności

URZĄDZENIA ZWIĘKSZAJĄCE SIŁĘ NOŚNĄ Slot lub skrzela - niestosowane w szybownictwie wzrost Cx dużo większy od przyrostu Cz

URZĄDZENIA ZWIĘKSZAJĄCE SIŁĘ NOŚNĄ Klapa – stosowana w szybowcach klasy otwartej i 15 metrowej. Przy wychyleniu w dół zwiększa Cz, ale i Cx– opłacalne w krążeniu. W szybowcach także wychylana do góry – lepsza charakterystyka profilu Dla większych prędkości. Obecnie raczej tylko bezszczelinowa.

URZĄDZENIA ZWIĘKSZAJĄCE SIŁĘ NOŚNĄ Klapa Fowlera – poszerzacz. Wychylana i jednocześnie wysuwana zwiększa powierzchnię skrzydła. Idealne aerodynamicznie rozwiązanie. Duża komplikacja, obecnie stosowane w szybownictwie. Istniały konstrukcje szybowców z klapą Fowlera (np. SZD-19 x Zefir 1)

Biegunowa szybowca biegunowa profilu, skrzydła i całego szybowca (w układzie Cz. Cx) biegunowa prędkości szybowca (w układzie V, W) - w konfiguracji gładkiej - z otwartymi hamulcami aerodynamicznymi - z urządzeniami zwiększającymi współczynnik siły nośnej biegunowa krążenia

BIEGUNOWA PRĘDKOŚCI SZYBOWCA

BIEGUNOWA PRĘDKOŚCI SZYBOWCA Wpływ obciążenia powierzchni nośnej

BIEGUNOWA PRĘDKOŚCI SZYBOWCA Wpływ wysokości lotu h[km] 0, 5 1 1, 5 2 3 4 5 6 8 10 12 15 1, 024 1, 050 1, 067 1, 103 1, 161 1, 223 1, 290 1, 363 1, 528 1, 778 1, 986 2, 516

BIEGUNOWA KRĄŻENIA Rozkład sił w zakręcie Pz r

BIEGUNOWA KRĄŻENIA Inne zależności:

BIEGUNOWA KRĄŻENIA

OPTYMALNY PROMIEŃ KRĄŻENIA

Doskonałość i zasięg szybowca doskonałość aerodynamiczna szybowca związek między doskonałością a zasięgiem lotu ślizgowego wpływ wiatru na zasięg szybowca wpływ pionowych prądów powietrza na zasięg szybowca

DOSKONAŁOŚĆ AERODYNAMICZNA SZYBOWCA vpoz=v*cos dla małych vpoz v P Pz Px h v w Qsin Qcos vpoz L Q

ZASIĘG Wpływ prądów pionowych: v vpoz w h

ZASIĘG Wpływ wiatru: u v vpoz w h u

Siły działające na szybowiec w locie ślizgowym w zakręcie prawidłowym i nieprawidłowym (z wyślizgiem / z ześlizgiem) podczas startu za samolotem / za wyciągarką podczas lotu nurkowego podczas ruchu szybowca na ziemi

LOT ŚLIZGOWY P Pz Px Qsin Qcos Q

ZAKRĘT Rozkład sił w zakręcie Pz r

ZAKRĘT Z ZEŚLIZGIEM Rozkład sił w zakręcie Pz c Za duże przechylenie Pz *cosφ<Q

ZAKRĘT Z WYŚLIZGIEM Rozkład sił w zakręcie Pz c c r

START ZA SAMOLOTEM Rozbieg Lot na holu

START ZA WYCIĄGARKĄ Przedni zaczep: Pz S 1 Lh M Px S 2 Q Ph

START ZA WYCIĄGARKĄ Pz Dolny zaczep Lh S 1 Px S 2 Ph Q b

LOT NURKOWY Ph Lh Na skrzydło działają bardzo duże momenty skręcające Px Q

Przeciągnięcie lot w zakresie krytycznych kątów natarcia przeciągnięcie statyczne przeciągnięcie dynamiczne

LOT W ZAKRESIE KRYTYCZNYCH KĄTÓW NATARCIA Charakter przeciągnięcia zależy od przebiegunowej w okolicy krytycznych kątów natarcia

LOT W ZAKRESIE KRYTYCZNYCH KĄTÓW NATARCIA Przeciągnięcie dynamiczne następuje przy gwałtownym ściągnięciu steru wysokości Przyrost kąta natarcia jest zbyt gwałtowny, Moment od steru wysokości szybko pochyla szybowiec w górę, jednak siły bezwładności przeciwdziałają zakrzywieniu toru lotu i…

Korkociąg unikanie, zapobieganie, wyprowadzanie korkociąg stromy korkociąg płaski czynniki wpływające na charakter korkociągu rozkład sił w korkociągu

KORKOCIĄG -UNIKANIE, ZAPOBIEGANIE, WYPROWADZANIE Przeciągnięcie połączone z asymetrią opływu najczęściej prowadzi do korkociągu

KORKOCIĄG -UNIKANIE, ZAPOBIEGANIE, WYPROWADZANIE Przeciągnięcie połączone z asymetrią opływu najczęściej prowadzi do korkociągu

KORKOCIĄG -UNIKANIE, ZAPOBIEGANIE, WYPROWADZANIE 1. • • 2. • • • 3. • • Unikać: Lotu w pobliżu Czmax, mała prędkość Zakrętów z wyślizgiem Ślizgu na dużych kątach natarcia Obszernych i dynamicznych ruchów sterem wysokości Zapobiegać: Zwiększyć prędkość przy „miękkich” sterach Zwiększyć prędkość przy wchodzeniu w zakręt Zachować zwiększoną prędkość w atmosferze burzliwej Wyprowadzać: Najpierw ster kierunku w przeciwną stronę „Oddać” drążek Po ustaniu obrotów stery w neutrum Wyprowadzić z nurkowania

KORKOCIĄG PŁASKI, STROMY

KORKOCIĄG PŁASKI, STROMY Stromy : 1. Profile cienkie - o ostrej charakterystyce przy αkr 2. Większa rozpiętość 3. Rozłożenie mas - przednie na większym ramieniu Płaski: 1. Profile grube – trudno wchodzi, ale za to płaski 2. Mniejsza rozpiętość 3. Rozłożenie mas przednie – bliżej ŚC, tylne oddalone od ŚC

KORKOCIĄG PŁASKI, STROMY Z m 2 m 1

ROZKŁAD SIŁ W KORKOCIĄGU

STATECZNOŚĆ I STEROWNOŚĆ SZYBOWCA stateczność statyczna i dynamiczna stateczność statyczna (i parametry konstrukcyjne mające na nią wpływ) - podłużna - poprzeczna - kierunkowa stateczność dynamiczna (i parametry konstrukcyjne mające na nią wpływ) - podłużna - boczna sterowność

STATECZNOŚĆ STATYCZNA I DYNAMICZNA Stateczność statyczna określa zachowanie szybowca bezpośrednio po wytrąceniu go z równowagi. Szybowiec jest stateczny statycznie jeżeli po wytrąceniu wystąpią momenty przywracające poprzedni stan lotu. Stateczność dynamiczna określa zachowanie się szybowca w dłuższym czasie po wytrąceniu z równowagi. Uwzględnia wpływ sił i momentów bezwładności. W przypadku stateczności dynamicznej analizujemy także interakcję poszczególnych rodzajów stateczności.

STATECZNOŚĆ STATYCZNA PODŁUŻNA Pzh Pz Px

STATECZNOŚĆ STATYCZNA PODŁUŻNA 1. Położenie środka ciężkości 2. Powierzchnia statecznika 3. Ramię statecznika poziomego 4. Układ płata – efekt „wagi”

STATECZNOŚĆ STATYCZNA POPRZECZNA Wpływ wzniosu

STATECZNOŚĆ STATYCZNA POPRZECZNA Wpływ skosu

STATECZNOŚĆ STATYCZNA KIERUNKOWA

STATECZNOŚĆ STATYCZNA KIERUNKOWA Wpływ skosu

STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA PODŁUŻNA

STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA PODŁUŻNA

STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA BOCZNA Wzajemny wpływ stateczności kierunkowej i poprzecznej uniemożliwia traktowanie ich osobno w rozważaniach o stateczności dynamicznej.

STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA BOCZNA

STATECZNOŚĆ DYNAMICZNA BOCZNA Zbyt duża stateczność kierunkowa powoduje niestateczność spiralną Zbyt duża stateczność poprzeczna powoduje niestateczność holendrowania

STEROWNOŚĆ Sterowność i stateczność stanowią pewną przeciwstawność. Sterowność dzielimy na: • Podłużną • Poprzeczną • Kierunkową Ogólnie określa siły niezbędne do zmiany położenia oraz prędkości kątowe wokół odpowiednich osi w zależności od prędkości lotu i przyrostów kata wychyleń sterów

Zjawiska aeroelastyczne związane z przekroczeniem dopuszczalnej prędkości rewers lotek (i sterów) ukręcanie się skrzydła flatter trzepotanie usterzeń

REWERS LOTEK

UKRĘCENIE SIĘ SKRZYDŁA

FLATTER

FLATTER

BUFFETING

Obciążenia szybowca współczynnik obciążenia dopuszczalnego obciążenia od wyrwania obciążenia podczas lotu w burzliwej atmosferze obciążenia od brutalnego sterowania obciążenia podczas ruchu szybowca na ziemi