Avion - Forta de rezistenta la inaintare (D)

Avion - Forta de rezistenta la inaintare (D)

In timpul zborului, fiecare parte a avionului expusa unui curent de aer va produce o forta aerodinamica - unele care ajuta zborul, precum portanta, altele opunindu-se zborului, precum rezistenta la inaintare.

Forta de rezistenta la inaintare (D) este termenul aeronautic care defineste rezistenta aerului ce se manifesta asupra unui avion in timp ce se misca relativ prin aer, adica se opune miscarii si actioneaza paralel si in aceeasi directie cu, curentul de aer relativ.

Rezistenta la inaintare este inamicul zborului la viteze ridicate. Alinierea formelor, gradul de finisare constructiva, lustruirea suprafetelor si multe trasaturi de proiectare, toate tind sa reduca forta de frinare.

Principalul scop al grupului motopropulsor este de a invinge rezistenta la inaintare. Cu cat rezistenta la inaintare este mai scazuta, cu atat este nevoie de mai putina tractiune pentru a o echilibra. Avantajele unei cerinte de tractiune mai redusa sunt evidente : motoare mai mici ( si probabil mai putine ca numar ), consumuri de combustibil mai scazute, mai putina solicitare a motorului si pe structurile asociate, si costuri de operare mai scazute.

Forta de rezistenta la inaintare totala

Rezistenta la inaintare totala este suma tuturor fortelor aerodinamice care actioneaza paralel cu, si opus, directiei de zbor. Forta de rezistenta la inaintare totala este rezistenta totala la miscarea avionului prin aer. Notati ca "opus directiei de zbor" este echivalent cu "in aceeasi directie cu a curentului de aer relativ"

Forta de rezistenta la inaintare totala este suma totala a diferitelor forte de franare care actioneaza asupra avionului. Un mod convenabil de a studia aceste franari diferite este de a le separa in doua grupuri de baza:

1.     Acele forte de franare asociate cu producerea de forta portanta, cunoscute ca rezistenta la inaintare indusa ( efect tip Vortex-turbioane care se formeaza la bordul de fuga al aripii si indeosebi la varfurile aripii ).

2.     Acele forte de franare care nu sunt direct asociate cu cresterea portantei- cunoscute ca rezistenta la inaintare parazita, care include rezistenta de forma, rezistenta de frecare si rezistenta de interferenta ( influenta unei componente aerodinamice asupra altei componente ). Rezistenta de forma si rezistenta de frecare sunt uneori clasificate impreuna sub denumirea de rezistenta de profil.

Rezistenta la inaintare parazita

Rezistenta la inaintare parazita cuprinde rezistenta de frecare, rezistenta de forma si rezistenta de interferenta.

Rezistenta de frecare. Fortele de frecare intre un obiect si aerul prin care acesta se misca produc rezistenta de frecare a suprafetei. Valoarea rezistentei de frecare a suprafetei depinde de :

q      Marimea suprafatei avionului. Intreaga suprafata a avionului genereaza o rezistenta de frecare pe masura ce se deplaseaza prin aer.

q      Daca stratul de curent de aer de separatie de langa suprafata este laminar sau turbulent. Un strat de separatie turbulent se amesteca mai mult cu aerul din jurul lui, generind o rezistenta la inaintare mai mare.

q      Rugozitatea suprafetei ( inclusiv jivrajul ) va creste rezistenta de frecare a suprafetei. Tranzitia de la un strat de separatie laminar la unul turbulent poate avea loc chiar imediat la punctul de rugozitate. Gradul de finisare constructiva si lustruirea ajuta la netezitrea suprafetei si la reducerea rezistentei de frecare a suprafetei.

q      Viteza avionului. O crestere a vitezei avionului creste rezistenta de frecare a suprafetei acestuia.

q      Grosimea suprafetei portante. O crestere de grosime a suprafetei portante mareste rezistenta de  frecare a suprafetei aripii.

q      Unghiul de atac. O crestere a unghiului de atac mareste rezistenta de frecare a suprafetei.

Rezistenta de forma. Cand curentul de aer se separa efectiv de suprafata, se formeaza turbioane ( virtejuri ) si curentul laminar este deranjat. Siajul turbulent astfel format creste rezistenta la inaintare. Aceasta este rezistenta de forma.

Probabil cel mai usor mod de a distinge rezistenta de forma de rezistenta de frecare a suprafetei este de a considera o farfurie plata in doua atitudini diferite relativ la curentul de aer. La unghi de atac zero rezistenta la inaintare este numai rezistenta de frecare pe suprafata ei. Cand farfuria plata este perpendiculara pe curentul de aer, rezistenta la inaintare este in intregime rezistenta de forma.

In siajul din spatele corpului se formeaza turbioane ( care poate fi o suprafata portanta sau chiar un intreg avion ), marimea siajului fiind un indicator al valorii rezistentei de forma. Aceasta rezistenta de forma poate fi o mare parte din rezistenta la inaintare totala si o proiectare buna ar trebui sa o reduca pe cit posibil.

Un caz spectaculos de separare a curentului de aer se produce cand un profil se afla la un unghi de atac foarte mare. In aceast caz se creeaza un gradient de presiune pe extradosul profilului prea mare pentru a permite stratului limita sa adere la suprafata profilului si separarea se poate produce destul de inaintat spre bordul de atac.

Presiunea statica scazuta ( "absorbtia" ) necesara pe extradosul suprafatei pentru producerea portantei este pierduta si apare viteza limita. Pentru a micsora rezistenta de forma trebuie sa intarziem separarea stratului de separatie de suprafata.

Laminaritatea formelor reduce rezistenta de forma scazind curbura suprafetelor, intarziind aparitia stratului de separatie si astfel reducind vartejurile. Proiectantul poate alege un profil aerodinamic cu un "coeficient de finete" diferit ( grosime/ coarda ) pentru a dobandi o laminaritate mai buna. Laminaritatea altor parti ale celulei poate fi obtinuta prin adaugarea carenajelor.

Laminaritatea formelor poarte fi ineficienta daca se permite formarea de gheata pe ele.  

Rezistenta datorata interferentelor

Daca consideram avionul ca un intreg, rezistenta totala este mai mare decat doar suma rezistentei la inaintare de pe partile individuale ale avionului. Aceasta se datoreaza "interferentelor" curentului de aer la imbinarea diferitelor suprafete, cum ar fi imbinarea aripa/fuselaj, imbinarea ampenajului vertical si orizontal/fuselaj si imbinarea aripa/capotele motorului.

Aceast curent de aer cu interferente creeaza o rezistenta in plus, pe care o numim rezistenta datorata interferentelor. Deoarece nu este direct asociata cu producerea portantei, este o rezistenta parazita. Curentul de aer de la diferitele suprafete ale avionului se intalnesc si formeaza un siaj in spatele avionului. Turbulenta aditionala care are loc in siaj cauzeaza o diferenta de presiune mai mare intre suprafetele din fata si cele din spate ale avionului marind rezistenta la inaintare.

Folosirea garniturilor, carenajelor si finisarea adecvata a formelor pot ajuta la reducerea acestei rezistente de interferenta. Un carenaj este parte a suprafetei externe a unui avion adaugat pentru a imbunatati curgerea laminara, reducind astfel vartejurile si scazind rezistenta la inaintare.

Rezistenta parazita si viteza aerului

La o viteza de aer zero nu exista nici un fel de miscare relativa intre avion si aer, prin urmare nu exista nici o rezistenta parazita. Atunci cind viteza aerului creste frecarea cu suprafetele externe, rezistenta de forma si rezistenta de interferenta ( care impreuna formeaza rezistenta parazita ) cresc toate.

Viteza aerului are un efect puternic asupra rezistentei parazite. Dublarea vitezei aerului mareste de patru ori rezistenta parazita ( 2 - la patrat, adica 2x2=4 ). Triplarea vitezei aerului mareste de 9 ori rezistenta parazita. Matematic numim aceasta o ridicare la patrat, rezistenta parazita variind ca V- la patrat.

Rezistenta parazita este cea mai mare la viteze ridicate si este practic nesemnificativa la viteze scazute. Un avion care zboara la o viteza imediat deasupra vitezei limita poate avea doar 25% din rezistenta totala datorita rezistentei parazite.

La o viteza mare rezistenta totala se poate datora aproape in intregime rezistentei parazite ( practic fara rezistenta indusa ). Existenta rezistentei parazite la viteze ridicate de zbor arata necesitatea unei "curatenii aerodinamice" pentru a obtine performante de viteza mare.

Interesant, cam jumatate din rezistenta parazita asupra unor avioane se datoreaza aripilor. Orice reducere a frecarilor cu suprafetele externe, rezistenta de forma si rezistenta de interferenta de la aripi poate avea un efect semnificativ in reducerea rezistentei parazite totale.

Rezistenta indusa

Rezistenta indusa este un produs colateral al producerii portantei si este strans legata de unghiul de atac.

Pentru a produce portanta pozitiva, presiunea statica de pe extradosului aripii va fi mai mica decat aceea de pe intradosul aripii. Pe masura ce curentul de aer se deplaseaza catre in spate, o parte din acesta se va roti in jurul varfului aripii de la zona de presiune ridicata de sub aripa la zona de presiune statica scazuta de deasupra aripii. Aceasta genereaza o componenta a curgerii aerului in exterior dinspre fuselaj pe parte superioara a aripii.

La bordul de fuga al aripii unde aceste curgeri ale curentului de aer pe extrados si intrados se intalnesc - ambele miscindu-se spre inapoi dar cu componente opuse ( sau laterale ) -se formeaza o zona de vartejuri. La varfurile aripilor, unde curgerea este cea mai mare, de departe se formeaza cele mai puternice vartejuri. Acestea sunt cunoscute ca vartejurile de la varfurile aripilor ( fenomenul de vortex ).

Cand aripile produc o valoare ridicata a coeficientului de portanta ( necesar in diverse evolutii unui avion, sau la viteza redusa si unghiuri de atac ridicate, asa cum se intampla in faza de apropiere de sol ), diferenta de presiune dintre intradosul si extradosul aripii este mult crescuta. In aceste situatii rezulta vartejuri foarte puternice la varfurile aripii.

Uneori, in aerul umed, scaderea presiunii in mijlocul acestor vartejuri va cauza condensul umezelii asa ca vartejurile mai mici, care se rasucessc vor fi vizibile ca vapori - indeosebi in cazul avioanelor mari de pasageri la apropierea de sol si aterizare in conditii de umezeala.

Un efect similar poate fi vazut ocazional langa varfurile ascutite de la bordul de fuga ale flapsurilor. ( Aceste vartejuri de la varfurile aripii reprezinta un fenomen diferit fata  de urmele de vapori de mare altitudine cauzate de condensarea gazelor evacuate de motoarele cu reactie, asa ca nu le confundati. )

Cauzele care genereaza rezistenta indusa

Aceasta explicatie este putin peste cerintele cursului PPL dar va va ajuta la intelegerea acestui fenomen important.

Curentul de aer de sub aripi se roteste in jurul varfurilor aripilor si formeaza un vartej mare care se rasuceste la fiecare varf de aripa. Curentul ascendent in vartej se afla in afara anvergurii aripii, dar curentul descendent se afla in spatele bordului de fuga al  aripii, in interiorul anvergurii aripii. Efectul net este un curent descendent in spatele aripii. Exista o curgere descendenta generala a aerului in spatele bordului de fuga in interioriul anvergurii aripii.

A treia lege de miscare a lui Newton ( pentru fiecare actiune exista o reactie egala si opusa ) spune ca, pentru ca actiunea curentului de aer asupra unei aripi sa genereze o forta portanta ascendenta, va exista o reactie egala si opusa a aripii asupra curentului de aer - ( descendenta in acest caz ).

Aceasta deviere a curentului de aer in sens descendent face ca aripa sa suporte un curent de aer local ( un curent de aer relativ mediu ), a carui directie este media dintre linia curentului de aer indepartat din fata aripii si directia curentului descendent din imediata apropiere a bordului de fuga al aripii. Din moment ce acest curent de aer local sau relativ mediu suportat de aripa este descendent, forta portanta produsa de aripa ( perpendiculara pe curentul de aer local relativ ) este deplasata inapoi cu aceeasi cantitate.

Cand luam in considerare efectul general al portantei si rezistentei la inaintare asupra unui avion, trebuie sa raportam aceste efecte fata de directia de zbor, mai exact la curentul de aer liber indepartat aflat la distanta fata de influenta curentilor de aer locali din jurul diverselor parti ale avionului.

In concluzie:

1.     Portanta unei aripi este perpendiculara pe curentul de aer relativ indepartat;

2.     Rezistenta la inaintare a unei aripi (sau a oricarei parti a avionului) este paralela cu curentul de aer relativ indepartat.

De aceea, forta portanta produsa de o aripa perpendiculara curentului de aer local va avea o componenta paralela curentului de aer relativ indepartat. Aceasta componenta a fortei portante care se afla in directia rezistentei la inaintare este consecinta nedorita, dar inevitabila, a producerii portantei. Este cunoscuta ca rezistenta indusa.

NOTA. Rezistenta indusa este diferita de rezistenta parazita ( care rezulta din frecarea cu suprafetele exterioare, rezistenta de forma si rezistenta de interferenta ). Rezistenta indusa este datorata cresterii portantei. O aripa va avea atat rezistenta indusa cat si rezistenta parazita.

Reducerea rezistentei induse

Aripi cu alungire ridicata

Ludwig Prandtl ( 1875- 1953 ), un pionier in studiul aerodinamicii, a descoperit ca rezistenta indusa ar putea fi redusa printr-o aripa lunga si ingusta ( o aripa cu o alungire ridicata ).

Prin comparatie cu o aripa scurta si groasa ( alungire scazuta ) a aceleiasi suprafete, o aripa lunga, ingusta cu o alungire ridicata ( si de aceea cu varfuri ale aripii mai mici ) are vartejuri mai slabe la varfurile aripii, un curent descendent indus mai mic si de aceea o rezistenta indusa mai scazuta. Din pacate, o aripa cu o alungire ridicata ( lunga si ingusta ) este mai dificil de construit din punct de vedere structural, si genereaza si putin mai multa rezistenta parazita.

Un alt mod de a exprima proportia dimensiunilor este:

Alungirea aripii= Anvergura aripii / Coarda aripii

=Anvergura aripii X Coarda aripii / Coarda aripii²

=Suprafata aripii / Coarda aripii²  

Aripile trapezoidale

O aripa trapezoidala are vartejuri mai slabe la varfurile aripii ( pentru ca varful aripii este mai mic ) si de aceea rezistenta indusa este mai scazuta.

Torsiunea aripii

Cu cat unghiul de atac este mai mare, cu atat sunt mai mari diferentele de presiune dintre zona superioara si zona inferioara a aripii. Daca aripa este construita cu o rasucire interioara ( torsiune ), unghiul de atac la varfurile aripii este mai mic decat unghiul de atac la incastrarea aripii langa fuselaj. De aceea cea mai mare parte din forta portanta este generata pe partea interioara a aripii, in vreme ce nu la fel de multa portanta va fi generata langa varfurile aripii.

Diferentele de presiune mai mici dintre zona superioara si cea inferioara de langa varful aripii nu numai ca duc la o portanta redusa acolo, dar si la mai putina scurgere a curentului de aer in jurul varfului aripii, o formare redusa de vartejuri la varfurile aripii si o rezistenta indusa mai scazuta.

Modificarea varfului aripii

Rezervoarele de la varful aripii si varfurile modificate ale aripii pot reduce scurgerea curentului de aer in jurul varfului aripii si prin urmare reduc formarea rezistentei induse. De asemenea, instalarea unor deflectoare pe aripii reduce curentul si astfel rezistenta indusa.

Conditiile de zbor care favorizeaza rezistenta indusa

Viteze  scazute si unghiuri de atac mari

In zborul rectiliniu la orizontala, la o greutate data, portanta trebuie sa ramana constanta ( pentru a echilibra greutatea ) pe masura ce viteza se schimba. Pe masura ce viteza se reduce, pilotul mareste unghiul de atac ( si coeficientul de portanta ) pentru a obtine aceeasi portanta - de aceea unghiurile de atac ridicate sunt asociate cu viteze scazute.

Trecerea cu viteza mica a aerului spre inapoi pe extradosul aripii permite curgerii curentului de aer sa se risipeasca peste varful aripii si sa creeze turbioane mai mari la varfurile aripii si un curent descendent mai mare in spatele bordului de fuga al aripii.

Curentul descendent mai mare face ca acest curent de aer local resimtit de aripa sa fie inclinat descendent chiar mai mult, forta portanta produsa de aripa fiind inclinata mai in spate, rezultind intr-o componenta mai puternica a acestei forte portante in directia rezistentei la inaintare- paralel cu curentul de aer liber indepartat.

Apropierea de unghiul de atac al vitezei limita ( critic )

Pina la viteza limita in zbor orizontal, rezistanta indusa ar putea fi 75% din rezistenta totala ( rezistenta parazita reprezentind restul ), in schimb la o viteza ridicata in zborul la orizontala, rezistenta indusa poate fi doar 1% din rezistenta totala.

Cresterea fortei portante

Un avion greu necesita o forta portanta mai mare pentru a zbura rectiliniu la orizontala decat un avion usor. Un avion care efectueaza diverse evolutii necesita o forta portanta mai mare decat atunci cand zboara rectiliniu la orizontala. De exemplu, intr-un viraj cu inclinare de 60°, aripile trebuie sa genereze de doua ori mai mult forta portanta decat in zborul rectiliniu la orizontala. In conditii de zbor cu portanta ridicata, diferenta de presiune dintre extrados si intrados creste, si are ca rezultat vartejuri mai puternice la varful aripii.

In zborul la orizontala la greutati mari, este nevoie de mai multa portanta necesara pentru a echilibra greutatea mai mare, si in timpul manevrelor, sa spunem intr-un viraj cu inclinare mare, este nevoie de un excedent de portanta peste valoarea fortei greutatii pentru a asigura forta necesara in viraj sau centripeta.

Cresterea fortei portante genereaza o crestere a rezistentei induse

Rezistenta la inaintare totala

Rezistenta la inaintare totala este suma tuturor fortelor de franare. In anumite situatii putem vorbi de rezistenta totala asupra unui avion, in vreme ce in alte situatii este nevoie sa ne referim doar la rezistenta totala asupra unei suprafete portante cand luam in considerare numai aerodinamica acelei suprafete portante izolate. Trebuie sa stiti cu certitudine daca intregul avion este discutat sau numai aripile.

Asa cum am vazut, rezistenta totala are doua componente :

q      Rezistenta parazita; si

q      Rezistenta indusa

Daca combinam graficele fiecareia dintre aceste rezistente asa cum variaza ele cu viteza aerului, rezulta un grafic care ilustreaza variatia rezistentei totale cu viteza aerului pentru un avion dat in zbor la orizontala, la o anume greutate, configuratie si altitudine.

Aceasta curba ( fig. 4-20 ) rezistenta la inaintare functie de viteza aerului ( unghiul de atac ) este o relatie extrem de importanta. Este un sumar a ceea ce trebuie sa stim despre rezistenta la inaintare. Daca intelegeti mesajul continut in acesta curba, atunci va aflati pe drumul cel bun spre intelegerea rezistentei la inaintare si a importantei ei in zbor.

Rezistenta parazita creste cu viteza. Rezistenta indusa scade pe masura ce viteza creste. Graficul arata cum rezistenta indusa este predominanta la viteza scazuta, in timp ce la viteza crescuta rezistenta parazita predomina. Rezistenta totala este cea mai mica in punctul in care rezistenta parazita si rezistenta indusa sunt egale. Multe aspecte ale performatelor avionului au legatura cu aceasta viteza la o rezistenta minima la inaintare.

In zborul rectiliniu la orizontala, portanta este egala cu greutatea, de aceea la punctul de rezistenta la inaintare minim aripa va produce acea portanta necesara pentru a echilibra greutatea, dar cu o valoare a rezistentei la inaintare minima posibila.

Tractiunea este folosita pentru a echilibra rezistenta la inaintare pentru a obtine un zbor rectiliniu la orizontala constant. Fig. 4-21 demonstreaza ca o tractiune ridicata va fi necesara atat la viteze foarte ridicate cat si foarte scazute, si o tractiune mai mica la viteze intermediare.

Viteza limita in zborul orizontal in conditiile particulare mentionate in grafic este indicata de o crestere brusca a rezistentei la inaintare in acel moment, acest lucru fiind dat de cresterea rapida a rezistentei indusa cand viteza aerului scade.

Curba rezistentei totale pentru un avion este un factor important in multe aspecte ale performatelor zborului, precum aterizarea, decolarea, urcarea, planarea, manevrabilitate, capacitatea unei zbor de distanta max. si capacitatea unui zbor de timp max. Prin combinarea rezistentei induse ( de la vartejurile de la varfurile aripii, un produs colateral al producerii de portanta ) si rezistenta parazita ( diferenta de rezistenta la inaintare ), obtinem curba rezistentei totale.

Rezistenta la inaintare pe un profil aerodinamic

La viteze mici rezistenta totala pe un profil aerodinamic este mare ( datorita rezistentei induse ) si la viteze mari rezistenta totala este mare ( datorita rezistentei parazite ). O formula ( asemanatoare cu cea pentru portanta ) poate fi dezvoltata pentru rezistenta la inaintare produsa pe un profil aerodinamic.

Rezistenta la inaintare (D)= C_D.x ½ x ρ x V² x S

In formula pentru rezistenta la inaintare (D):

q      Coeficientul rezistentei la inaintare (C_D.) reprezinta forma si unghiul de atac

q      ρ- este densitatea aerului

q      V este viteza (viteza adevarata a avionului) (viteza indicata a avionului = ½ ρ V²)

q      S este suprafata

O curba a rezistentei la inaintare pentru un profil aerodinamic arata relatia dintre C_D. si unghiul de atac. Aceasta poate fi folosita pentru comparatia cu curba de portanta ( C_L in functie de unghiul de atac ). Notati ca la unghiuri de atac mari in apropierea unghiului critic, coeficientul de rezistenta la inaintare pentru un profil aerodinamic este mare si joaca un rol important in formula :

Rezistenta la inaintare (D) = C_D. x½ x ρ xV² x S

La unghiuri de atac mici in zbor de croaziera, coeficientul de rezistenta la inaintare al unui profil aerodinamic este mic, dar viteza V este mare, si acest lucru are un efect important in formula. De aceea forta de rezistenta la inaintare D este mare la ambele extremitati ale unghiului de atac ( si ale vitezei aerului ). Intre aceste extremitati exista un unghi de atac ( si o viteza de aer ) unde forta de rezistenta la inaintare este minima. C_D. minim pentru un profil aerodinamic tipic are loc la un unghi de atac pozitiv mic.

Acum completati Exercitiul 4 - Rezistenta la inaintare(D)