AEROCLUBUL ROMANIEI PRINCIPIILE ZBORULUI DUMITRU POPOVICI

Transkript

1 AEROCLUBUL ROMANIEI PRINCIPIILE ZBORULUI DUMITRU POPOVICI EDITIA FEBRUARIE 003

2 1. GeneralităŃi Aerodinamica este ştiinńa (ramură a mecanicii fluidelor) care se ocupă cu studiul mişcării aerului (şi în general al gazelor) precum şi cu studiul mişcării corpurilor în aer (sau în alte gaze). Ca o consecinńă a aparińiei vehiculelor aeriene, au început să se dezvolte diferite ramuri ale aerodinamicii: aerodinamica teoretică, disciplină în cadrul căreia, cu ajutorul matematicii, tratează cele mai generale legi şi fenomene fizice aerodinamice; aerodinamica experimentală studiază fenomenele prin intermediul unor experienńe adaptate lor (cu precizarea că obńinem acelaşi rezultat dacă deplasăm corpul fańă de fluid sau fluidul fańă de corp). aerodinamica aplicată foloseşte cunoştinńele din celelalte două sectoare ale aerodinamicii, în construcńiile aeronautice.. Aerul şi calităńile sale Zborul unei aeronave are loc în interiorul masei fluide care înconjoară întreaga suprafańă a planetei noastre. Acest mediu numit aer atmosferic şi menńinut în jurul Pământului datorită gravitańiei, reprezintă un amestec de gaze (vezi şi Cap. Meteo:.) în care plutesc o serie întreagă de particule materiale (de dimensiuni variabile şi în stări de agregare multiple). Datorită distribuńiei parametrilor care o caracterizează din punct de vedere fizic: presiune, temperatură, umiditate, densitate, compresibilitate, vâscozitate, turbulenńă, etc., atmosfera apare ca un mediu cu structură diferită, atât pe orizontală cât şi pe verticală. Dacă atmosfera şi proprietăńile sale sunt studiate în amănunńime la capitolul de meteorologie, pentru buna înńelegere a celor ce vor urma, trebuie să facem următoarele precizări: a. compresibilitatea este proprietatea gazelor de a-şi modifica volumul sub acńiunea forńelor exterioare, până la stabilirea unui echilibru între forńele ce iau naştere în gaz şi cele ce tind să-l comprime. În cazul deplasării unei aeronave în atmosfera terestră, acest fenomen apare la viteze mari (peste 500 km/h) şi are consecinńe deosebite. Planoarele deplasându-se cu viteze de maxim km/h, nu generează fenomenul de comprimare şi în consecinńă, pe întinsul acestui capitol, aerul atmosferic va fi considerat ca fiind un fluid incompresibil. b. efectele de frecare există în mişcarea oricărui fluid compresibil sau incompresibil şi duc la două consecinńe importante: Editia februarie 003 Pagina

3 Fig..1. Efectul frecării - orice fluid aderă la suprafańa unui corp solid cufundat în el sau la pereńi, deci viteza u a fluidului la perete este egală cu viteza peretelui în mărime, direcńie şi sens (vezi Fig..1) u = v y h (A.1) - în interiorul fluidului şi la contactul cu suprafeńele solide, apar tensiuni de forfecare tangenńiale: τ µ = (A.) unde coeficientul de proporńionalitate µ se numeşte coeficient de vâscozitate. În practică se utilizează şi coeficientul de vâscozitate cinematică: µ ν = (A.3) ρ unde ρ = densitatea fluidului. De multe ori, cu o bună aproximańie, pentru uşurarea înńelegerii unor fenomene, fluidele se consideră ideale, adică lipsite de frecare. c. caracterul mişcării unui fluid poate fi laminar sau turbulent, în funcńie de mărimea numărului Reynolds: V l R e = ρ = V l (A.4) µ ν unde V este o viteză caracteristică, iar "l" o lungime caracteristică. În timp ce mişcarea laminară este caracterizată printr-un câmp continuu cu variańii lente de viteze, presiuni, etc., mişcarea turbulentă prezintă fluctuańii turbulente caracteristice şi este însońită de o creştere substanńială a frecărilor aparente. 3. Tunelul aerodinamic Tunelul aerodinamic este o instalańie cu ajutorul căreia se pun în evidenńă şi se măsoară forńele ce iau naştere asupra unui corp ce se deplasează în aer, precum şi spectrele curgerii în jurul corpului. În tunelul aerodinamic se foloseşte mişcarea aerului fańă de corpul studiat. Tunelul aerodinamic poate fi: - cu circuit închis; - - cu circuit deschis. Editia februarie 003 Pagina 3

4 Fig. 3.. Tunelul aerodinamic Orice tunel aerodinamic se compune din: a. instalańie de pus aerul în mişcare; b. tub ce dirijează aerul spre camera de experienńă; c. deflectoare pentru dirijarea paralelă a fileurilor de aer; d. filtre de aer la intrarea şi ieşirea aerului din camera de experienńă; e. camera de experienńă; f. balanńa aerodinamică; g. instalańie cu filtru pentru determinarea spectrului aerodinamic. Prin spectru aerodinamic se înńelege traiectoria pe care o iau fileurile de aer în scurgerea lor în jurul unui corp. Sufleria de spectre vizualizează fileurile de aer prin injectarea în spatele unui grătar, situat înaintea camerei de experienńe, a unui fum sau praf colorat. Prin scurgere permanentă sau stańionară a aerului se înńelege mişcarea la care presiunea, temperatura, densitatea şi viteza particulelor de aer, într-un anumit punct al curentului, rămân constante în timp. Aceste mărimi pot avea şi alte valori în puncte diferite. 4. EcuaŃia continuităńiii Să considerăm un fluid incompresibil (ρ = constant), care curge permanent printr-o conductă de secńiune variabilă, neglijând fenomenele de frecare (vezi Fig. 4.4.). În condińiile de mai sus, conform legii conservării masei, masa de fluid care intră prin secńiunea S 1 în unitatea de timp este egală cu masa de fluid care iese prin secńiunea S în unitatea de timp: m 1 = m. Editia februarie 003 Pagina 4

5 Dar m 1 = ρ v 1 S 1 şi m = ρ v S. Înlocuind, vom obńine: ρ v 1 S 1 = ρ v S, iar după simplificare rezultă: v 1 S 1 = v S, sau v v 1 = S S 1 (A.5) Această relańie se numeşte ecuańia continuităńii şi exprimă faptul că volumul de fluid care trece în condińiile date în unitatea de timp prin secńiuni diferite, este constant: S v = constant. Deci, viteza de scurgere a fluidului este invers proporńională cu suprafańa secńiunii. Fig Spectrul aerodinamic 5. Legea lui Bernoulli Bernoulli ( ) a stabilit relańia de legătură dintre presiunea şi viteza unui fluid incompresibil, ideal (fără frecare), ce se scurge permanent, pornind de la ecuańia de conservare a energiei. Astfel, în condińiile amintite mai sus, suma dintre energiile cinetică şi potenńială a masei de fluid rămâne constantă în orice secńiune a tubului de scurgere, dacă nu există pierderi de energie (vezi Fig. 5.5.). Editia februarie 003 Pagina 5

6 Fig EcuaŃia continuităńii De aici rezultă, în urma unei scurte prelucrări matematice, că suma dintre presiunea statică, presiunea dinamică şi cea hidrostatică este o constantă (numită presiune totală) pentru fiecare secńiune: 1 ρ v ρ v p ρ g h 1 = p + + ρ g h =constant = pt p + q + ρ g h = p (A.6) i i i t unde: - presiunea statică p i = presiunea curentului de fluid asupra unei suprafeńe orientată paralel cu mişcarea; - presiunea dinamică q i = presiunea curentului de fluid asupra unei suprafeńe orientată perpendicular pe curent; i ρ v q i = (A.7) - presiunea hidrostatică (ρ g h i ) = presiunea datorată greutăńii coloanei de fluid; - presiunea totală (p t) = suma celorlalte presiuni şi este constantă. Dacă h 1 = h, termenul ρ g h se simplifică şi legea lui Bernoulli devine: p s + q = p t, (A.8) exprimând faptul că, în condińiile date, la o creştere a vitezei de curgere a fluidului într-o secńiune, corespunde o micşorare a presiunii statice în acea secńiune, şi invers. Legea lui Bernoulli are numeroase aplicańii practice, explicând diverse fenomene, ca de exemplu: - atracńia între două vapoare ce se deplasează paralel; - funcńionarea pulverizatorului; - smulgerea acoperişurilor pe timpul furtunilor; - măsurarea vitezei cu tubul Pitot (vezi Fig. 5.7.); Editia februarie 003 Pagina 6

7 Fig Legea lui Bernoulli Considerând două particule de fluid care plecă în acelaşi timp de la bordul de atac al profilului, datorită conservării masei (ecuańia continuităńii), ele trebuie să ajungă în acelaşi timp la bordul de fugă. Fig ApariŃia forńei portante Datorită caracteristicilor geometrice ale profilelor aerodinamice, drumul pe care-l are de parcurs particula de pe extrados, este mai mare ca cel de pe intrados, de unde rezultă o viteză mai mare pe extrados şi, conform legii lui Bernoulli, o presiune statică mai mică decât cea de pe intrados. Apare, astfel, o forńă, orientată de jos în sus, proporńională cu diferenńa dintre presiuni. Fig Tubul Pittot Editia februarie 003 Pagina 7

8 6. RezistenŃa la înaintare RezistenŃa la înaintare este o forńă ce se opune mişcării oricărui corp care se deplasează într-un fluid, deci şi în aer. În jurul acestuia apare o zonă de influenńă caracterizată printr-o modificare a presiunii aerului fańă de presiunea mediului înconjurător. În fańa corpului va apare o creştere de presiune, iar în spatele său, o depresiune (vezi Fig şi 6.8.). Fig Presiuni şi depresiuni Presiunea ia naştere datorită ciocnirii moleculelor de aer cu suprafańa frontală a corpului. Depresiunea ia naştere datorită locului gol lăsat în urma sa de corpul în mişcare. Dacă punem în tunel o placă perpendiculară pe direcńia curentului de aer, aceasta va opune masei de aer o rezistenńă care se numeşte rezistenńă de formă şi se datorează diferenńei de presiune din fańa şi din spatele corpului (vezi Fig. 6.8.). Valoarea acesteia depinde de forma corpului. Dacă aşezăm placa paralel cu direcńia curentului, vom observa că apare şi acum o rezistenńă (măsurată în tunel), numită rezistenńă de frecare, care este determinată de frecarea fileurilor de aer cu suprafańa corpului. Putem afirma deci că rezistenńa pe care o opune un corp aerului în mişcare este compusă din rezistenńa de formă şi cea de frecare şi poartă numele de rezistenńă de profil. Continuând experienńele, prin modificarea, pe rând, a câte unui parametru: - suprafańa corpului; - viteza fluidului; - densitatea fluidului, - forma corpului, vom observa modul în care variază rezultatul măsurătorii forńei rezistente (vezi Fig. 6.9.) şi vom putea trage următoarele concluzii: Editia februarie 003 Pagina 8

9 Fig RezistenŃa la înaintare - rezistenńa la înaintare variază liniar cu suprafańa S a corpului (vezi Fig. 6.9.A.); - rezistenńa la înaintare variază parabolic cu viteza v a fluidului (vezi Fig. 6.9.B.); - rezistenńa la înaintare variază liniar cu densitatea ρ (vezi Fig. 6.9.C.); - rezistenńa la înaintare variază cu forma, starea suprafeńei şi pozińia corpului fańă de fileurile de aer, prin intermediul coeficientului adimensional C x (vezi Fig. 6.9.D.). Astfel mărimea R a rezistenńei aerului poate fi exprimată prin formula: (A.9) R = 1 S v C xρ Kgf) unde: 1/ = coeficient de proporńionalitate; ρ = densitatea aerului în Kgf s /m 4 ; v = viteza curentului (corpului) în m/s; S = suprafańa frontală (proiecńia corpului pe un plan perpendicular pe direcńia fileurilor de aer) în m - în cazul corpurilor numite "de rezistenńă" S = suprafańa portantă (proiecńia corpului pe un plan paralel cu direcńia fileurilor de aer) în m - în cazul corpurilor numite "portante"(aripi, ampenaje, etc.), C x = coeficient adimensional care caracterizează forma, starea suprafeńei şi pozińia corpului fańă de fileurile de aer. EcuaŃia (A.9) mai poate avea forma: (A.10) R = ρ v S c, punând în evidenńă termenul: Editia februarie 003 Pagina 9

10 ρ v = presiune dinamica 7. ForŃa totală aerodinamică, portanńa şi rezistenańa la înaintare ForŃa totală aerodinamică (notată F t sau F a ), care acńionează asupra unui corp ce se deplasează în mediul aerian, reprezintă de fapt rezistenńa pe care o opune aerul în timpul mişcării corpului. Aşezând în tunelul aerodinamic, placa folosită în experienńele anterioare, înclinat, cu un anumit unghi fańă de direcńia fileurilor de aer, vom observa că apare o forńă ce tinde să o deplaseze în sensul mişcării aerului şi în sus. De asemenea, vom observa formarea unor zone de vârtejuri pe extradosul şi intradosul plăcii (vezi Fig ). Fig ForŃe pe plan înclinat Din cele arătate până acum, putem trage următoarele concluzii: a. forńa totală aerodinamică ia naştere datorită: - diferenńei de presiune ce apare pe partea inferioară şi cea superioară a corpului, având ca rezultat o forńă care tinde să ridice corpul; - diferenńei dintre presiunile ce apar pe partea anterioară şi pe partea posterioară corpului; - frecării aerului cu suprafańa corpului, având ca rezultat, împreună cu diferenńa de presiune de la punctul anterior, o forńă - care tinde să rotească placa, sau altfel spus să o încline, în sensul mişcării maselor de aer. b. în mod analog cu rezistenńa la înaintare, forńa totală aerodinamică este dată de relańia: F a = ρ v S c (Kgf) a (A.11) unde: ρ, v, S au aceeaşi semnificańie ca în paragraful precedent (formula A.10), iar C a este un coeficient adimensional ce depinde de forma, starea suprafeńei şi unghiul de incidenńă (vezi A.8.) al corpului numit coeficientul forńei totale aerodinamice. Editia februarie 003 Pagina 10

11 Uzual, din motive practice, F a se descompune după două componente perpendiculare F x şi F z vezi Fig. A.7.10.), astfel încât: F a = F x + F z, unde: (A.1) - F x = componenta paralelă cu direcńia fileurilor de aer, numită rezistenńa la înaintare; - F z = componenta perpendiculară pe direcńia fileurilor de aer, numită portanńă. Expresiile celor componente sunt analoge cu expresia lui F a : F x = ρ S c x (K gf) (A.13) v F z = ρ S c z (K gf), (A.14) v unde ρ, v, S au fost definite, iar: - C z = coeficient de portanńă, adimensional; - C x = coeficient de rezistenńă la înaintare, adimensional. Se poate deduce acum, că: C a = C x + C z. (A.15) Mai observăm acum, că dacă acoperim zonele de turbulenńă situate deasupra şi dedesubtul plăcii, din tunelul aerodinamic, cu nişte suprafeńe materiale, vom obńine un corp de o formă specială al cărui studiu îl prezentăm în capitolul IV Profilul de aripă Reprezintă o secńiune transversală printr-o aripă şi este un corp optimizat din punct de vedere aerodinamic, în sensul de a dezvolta o forńă portantă cât mai mare şi o forńă rezistentă la înaintare cât mai mică. Elementele unui profil sunt următoarele (vezi Fig ): - coarda profilului c este linia ce uneşte cele două puncte extreme de pe profil (AB = c); - grosimea profilului e reprezintă înălńimea maximă a profilului. Grosimea se măsoară perpendicular pe coardă; - grosimea relativă e m /c este raportul dintre grosimea maximă şi coardă; - bordul de atac (A) este punctul cel mai din fańă al profilului. Bordul de atac este punctul (linia) cu care o aripă loveşte în mişcare masele de aer; - bordul de fugă (B) este punctul cel mai din spate al profilului. Se mai numeşte bord de scurgere deoarece este locul prin care masele de aer părăsesc profilul. În aceast punct stratul limită de pe extrados se uneşte cu stratul limită de pe intrados (vezi ); Editia februarie 003 Pagina 11

12 - prin extrados se înńelege partea superioară a profilului cuprinsă între bordul de atac şi cel de fugă; - prin intrados se înńelege partea inferioară a profilului cuprinsă între bordul de atac şi cel de fugă; - linia mediană a profilului l este linia care uneşte bordul de atac cu cel de fugă şi are proprietatea că orice punct al ei este egal depărtat de intrados şi extrados. Această linie se mai numeşte şi scheletul profilului. - săgeata sau curbura maximă a profilului f este distanńa maximă dintre linia mediană şi coardă; Fig Elementele profilului - prin curbura relativă a profilului (săgeată relativă) (f/c) se înńelege raportul dintre săgeata maximă f şi coarda profilului c; - axa de portanńă nulă (linia OB) reprezintă axa care atunci când este orientată după direcńia curentului, pe profil nu apare forńă portantă. La profilele asimetrice, axa de portanńă nulă face cu coarda profilului un unghi de incidenńă α PN. La profilele simetrice α = 0 o 8.1. Tipuri de profile Clasificarea profilelor se face după mai multe criterii dintre care cele mai importante sunt: a. constructiv, profilele se împart în categorii: - profile clasice la care grosimea maximă se află la cca. 30% din coarda profilului; - profile laminare la care grosimea maximă se află la cca % din coarda profilului. Fig Clasificarea profilelor după curbură b. după grosimea relativă, profilele se împart în: -profile subńiri (grosime mai mică de 8% din coardă); - profile mijlocii (au o grosime între 8% şi 13% din coardă); - profile groase (au o grosime mai mare de 13% din coardă). Editia februarie 003 Pagina 1

13 c. după curbură, profilele se clasifică în (vezi Fig. 8.1.): - profile simetrice; - profile nesimetrice: - planconvexe; - biconvexe; - concav-convexe; - cu dublă curbură. 8.. Unghiul de incidenńă Unghiul format de direcńia curentului de aer cu coarda profilului se numeşte unghi de incidenńă (unghi de atac). Unghiul de incidenńă poate fi: pozitiv = unghiul cuprins între coarda profilului şi direcńia curentului de aer ce atacă profilul pe intrados; negativ = unghiul cuprins între coarda profilului şi direcńia curentului de aer ce atacă profilul pe extrados; nul = în cazul când curentul de aer loveşte profilul din fańă şi mişcarea corespunde, ca direcńie, liniei ce reprezintă coarda profilului. Fig Unghiuri de incidenńă 9. Aripa 9.1. Clasificarea aripilor după forma în plan a. aripa dreptunghiulară; b. aripa dreptunghiulară cu colńuri rotunjite; c. aripa trapezoidală; d. aripa trapezoidală cu colńuri rotunjite; e. aripa eliptică; f. aripa în săgeată, etc.(vezi Fig. A.9.14). 9.. Caracteristicile geometrice ale aripii a. anvergura aripii L reprezintă lungimea aripii de la un capăt la altul. În mod normal la planoare aceasta variază între 10-5 m; b. profunzimea aripii c reprezintă lăńimea aripii într-o anumită secńiune. Distingem: - profunzimea aripii în axul fuselajului c i ; - profunzimea aripii la capete c c ; - profunzimea medie c (vezi Fig ). Editia februarie 003 Pagina 13

14 Fig Clasificarea aripilor după forma în plan Fig Caracteristice geometrice ale aripii c = c i + c c sau c = A L, unde A este suprafańa aripii. În mod normal, la planoare c variază între 0.5 şi m.; - coarda medie aerodinamică CMA reprezintă coarda unei aripi dreptunghiulare echivalente, care are aceeaşi suprafańă şi anvergura cu aripa considerată. c. suprafańa aripii A; se consideră făcând parte din A şi porńiunea de fuselaj cuprinsă între cele două planuri. În mod normal la planoare A variază între 8 şi 5 m ; d. alungirea aripii λ reprezintă raportul dintre anvergura aripii şi coarda medie pentru aripile trapezoidale şi dreptunghiulare, λ = L c, λ = L A sau raportul dintre pătratul anvergurii şi suprafańa pentru o aripă oarecare: λ este adimensional şi, în mod normal, la planoare, variază între 8 şi Unghiurile aripii a. Unghiul de calaj al aripii ϕ reprezintă unghiul pe care-l face coarda profilului aripii la încastrarea în fuselaj cu axa de simetrie longitudinală a planorului (vezi Fig. 9.16); b. Unghiul de incidenńă ϕ reprezintă unghiul pe care-l face coarda profilului cu direcńia curentului de aer ce atacă profilul pe intrados (vezi Fig. 9.16); Editia februarie 003 Pagina 14

15 c. Unghiul de torsiune al aripii ϕ reprezintă unghiul dintre coarda profilului aripii la încastrare şi coarda profilului aripii la capetele sale (vezi Fig ). Această rotire a profilului se face în sensul micşorării incidenńei sale spre bordurile marginale; Fig Unghiurile aripii Fig Diedrul aripii d. Unghiul diedru al aripii reprezintă unghiul format de orizontală cu linia mediană a aripii (vezi Fig ). e. Unghiul de săgeată al aripii χ reprezintă unghiul format de axa aripii cu axa transversală de simetrie a planorului. Unghiul de săgeată poate fi: - pozitiv (vezi Fig ); - negativ (vezi Fig ); Fig Săgeată pozitivă Fig Săgeată negativă 10. RepartiŃia presiunilor pe profil În urma experienńelor efectuate în tunelul aerodinamic se observă că, la unghiuri de incidenńă nule, pe extrados cât şi pe intrados vor exista depresiuni care se vor anula. Neexistând în final forńă portantă, asupra profilului va acńiona doar forńa de rezistenńă la înaintare (vezi Fig ). În zbor, la unghiuri de incidenńă mici (pentru planoare, unde vitezele sunt relativ mari), pe extrados şi intrados vor exista depresiuni şi, respectiv, presiuni care vor da, prin însumare, forńa portantă, iar pe bordul de atac va acńiona o presiune care constituie forńa de rezistenńă la înaintare (vezi Fig ). Editia februarie 003 Pagina 15

16 Fig Fig. A.10. a La unghiuri normale de incidenńă, pozitive, caracterul repartizării presiunilor pe profil este cel arătat în Fig Observăm, în această situańie, creşterea pronunńată a depresiunilor de pe extrados, fapt care duce la o creştere accentuată a forńei portante F z În timpul zborului, la unghiuri de incidenńă apropiate de cele critice, zona de depresiune va fi deplasată spre bordul de atac, iar pe intrados se observa o creştere a presiunilor. În această zonă forńa portantă este apropiată de valoarea maximă (vezi Fig ) După depăşirea unghiului critic, zonele de presiune şi depresiune, se vor însuma, dând o forńă de rezistenńă la înaintare mare şi o portantă mică. Pe profilele cu dublă curbură repartińia presiunilor şi depresiunilor este deosebită, putând exista pe extrados atât presiuni, cât şi depresiuni (vezi Fig ). Profilele laminare prezintă repartińii de presiuni cu valori maxime reduse şi contururi aplatizate în comparańie cu celelalte categorii. Fig. 10. b Fig Editia februarie 003 Pagina 16

17 Fig RepartiŃia presiunilor pe profile cu dublă curbură Fig RepartiŃia presiunilor pe profile laminare ForŃe şi momente În timpul zborului, pe profilul aripii iau naştere următoarele forńe deja cunoscute şi momente aerodinamice: F a = ρ v S c (Kgf) a formată din componentele: F x = ρ v S c (Kgf) x F z = ρ v S c (Kgf), z Fig ForŃe şi momente pe profil F x + F z = F a, rezultă: F a = F x + F z si M = momentul aripii fańă de bordul de atac; Editia februarie 003 Pagina 17

18 (A.16) (A.16) M = ρ v S c c (Kgf) m anterioare; c este coarda profilului în m; C m este un coeficient de moment (adimensional). unde: ρ, S şi v au aceeaşi semnificańie ca în paragrafele 10.. Centrul de presiune şi variańia sa Toate forńele care iau naştere pe profile se vor însuma într-un punct numit centru de presiune, dând naştere unei forńe rezultantă, numită forńă aerodinamică totală F t sau F a. Centrul de presiune mai poate fi definit ca fiind punctul de intersecńie al liniei de acńiune a forńei aerodinamice totală, cu coarda profilului. Să notăm faptul că variańia centrului de presiune are o importanńă deosebită la calculul de stabilitate al aeronavei, sau la cel legat de structura de rezistenńă a aripii. ForŃa aerodinamică totală F t îşi va schimba punctul de aplicańie funcńie de unghiul de incidenńă. Această schimbare a pozińiei centrului de presiune se datorează faptului că presiunile de pe intrados şi depresiunile de pe extrados îşi vor schimba pozińia funcńie de unghiul de incidenńă. Astfel, se observă că centrul de presiune se apropie de bordul de atac la unghiuri cuprinse între 0 o -15 o, iar la unghiuri cuprinse între 15 o -0 o se depărtează de bordul de atac pentru tipul de profil considerat. Fig VariaŃia centrului de presiune 11. RezistenŃa indusă În cadrul studiilor efectuate în tunelul aerodinamic, datorită condińiilor speciale de experienńă, aripile cercetate pot fi considerate de anvergură infintă. În realitate însă, aripile au anvergura finită şi în acest caz, aerul va căuta să-şi echilibreze presiunea de pe intrados şi Editia februarie 003 Pagina 18

19 extrados pe la capătul aripii.. Acest lucru va crea o zonă turbionară care va duce la micşorarea forńei portante şi, repectiv la creşterea rezistenńei la înaintare. Dacă studiem aerodinamic acest fenomen, vom vedea că particulele de aer, în curgerea lor, nu mai sunt paralele cu coarda profilului, ele fiind deviate pe extrados spre interior iar pe intrados, spre exterior. Datorită acestui lucru, diferă viteza de deplasare a maselor de aer de pe intrados fańă de cele de pe extrados. Această diferenńă va duce la crearea unei zone turbionare la capătul aripii şi a unei pânze de vitejuri la borul ei de fugă (vezi Fig ). Turbioanele sunt cu atât mai mari cu cât şi profunzimea aripii este mai mare. În concluzie, putem spune că rezistenńa indusă este forńa care ia naştere pe aripă din tendinńa de egalizare a presiunilor de pe intrados şi a depresiunilor de pe extrados. În Fig putem observa cum, datorită turbulenńei generate de tendinńa de egalizare a presiunilor pe profil, apare o viteză indusă w/ (ca o medie între viteza indusă în amonte de profil, w=0, şi aval de profil, w=w), care modifică viteza de cugere a aerului cu unghiul indus α i, de la v la v'. Atunci şi F z fańă de pozińia neperturbată se înclină cu unghiul indus α i (pentru a rămâne perpendiculară pe v') devenind F z '(vezi Fig ). Fig RezistenŃa indusă Editia februarie 003 Pagina 19

20 Fig Pentru a putea închide poligonul forńelor, rezultă ca necesară aparińia forńei F xi, numită rezistenńă indusă, paralelă cu direcńia curentului şi opusă sensului mişcării aripii. Exprimată sub forma clasică: (A.17) F x i = ρ v S C ( K g f ) x i unde ρ, S, v, au semnificańiile cunocute, iar (A.18) C xi = δ C z π λ şi este un coeficient adimensional al rezistenńei induse; - δ = coeficient adimensional legat de forma în plan a aripii (pentru aripa eliptică, δ = 1); - c z = coeficient de portanńă; - π = factor de proporńionalitate (π = ); - λ = alungirea aripii Procedee de reducere a rezistenńei induse Din studiul lui C xi rezultă imediat şi procedeele de reducere a rezistenńei induse: a. rezistenńa indusă va avea o valoare minimă în cazul când portanńa va fi repartizată sub forma unei elipse, respectiv vom avea o aripă care are conturul sub formă de elipsă. Totuşi, în practică, acest lucru se realizează greoi şi din acest motiv se folosesc formele geometrice trapezoidale sau parńial trapezoidale, care au coeficienńi δ apropiańi (vezi Fig ); Fig Fig Editia februarie 003 Pagina 0

21 b. termenul λ, găsindu-se la numitorul formulei lui C xi, rezultă că, mărind alungirea aripii, se va micşora rezistenńa indusă; c. la mărirea unghiului de incidenńă, creşte portanńa prin C z, creşte diferenńa de presiune pe profil şi corespunzător creşte rezistenńa indusă. Întrucât în planorism se zboară foarte mult în zona vitezelor de înfundare minime (vezi polara planorului), care corespunde zonei de portanńă maximă, respectiv şi rezistenńa indusă mare, se foloseşte în practică metoda de micşorare din construcńie a unghiului de incidenńă spre capătul aripii, procedeu numit torsionare geometrică, sau metoda schimbării profilelor aerodinamice spre capătul aripii cu unele mai puńin portante, procedeu numit torsionare aerodinamică. Ambele procedee atrag scăderea lui C z, care este regăsit în numărătorul formulei lui C xi, deci, implicit, reduc rezistenńa indusă. d. Întrucât metoda măririi alungirii aripii este limitată din motive de ordin constructiv (structura de rezistenńă limitată), se foloseşte suplimentar pentru micşorarea rezistenńei induse montarea bordurilor marginale la capetele aripii, frângerea în jos a aripii la capăt, etc., în scopul de a împiedica formarea turbioanelor marginale (vezi Fig ). 1. Diagrama polară Una dintre cele mai simple şi uzuale reprezentări grafice a coeficienńilor aerodinamici, C x, C z, C m este în funcńie de unghiul de incidenńă (vezi Fig. 1.3.). Fig Polara profilului Studiind cu atenńie astfel de curbe polare, putem realiza calităńile aerodinamice ale diferitelor profile: a. curba c z (α) variază liniar în zona incidentelor mici pozitive şi negative. La incidenńe mari, în apropierea lui α critic, alura curbei se modifică, indicând de obicei valori mai mici decât în cazul variańiei liniare. Acest lucrul se întâmplă datorită fenomenelor de desprindere a fileurilor de aer de pe profil înainte de angajare. Punctul în care c z (α) intersectează ordonata, corespunde coeficientului C z la un unghi de incidenńă de 0 o, iar punctul în care c z (α) intersectează abscisa, corespunde unghiului de portanńă nulă α o. Uzual, α o are valori cuprinse între - o şi - 6 o. Pentru un profil simetric, C z (α) trece prin origine (α = 0, rezultă C z = 0) fańă de care va fi simetrică, spre deosebire de un profil asimetric unde C z min+ este mai mare ca C z min-. Editia februarie 003 Pagina 1

22 b. Curba C x (α) prezintă o variańie aproximativ parabolică iar în zona incidenńelor mici uneori poate fi considerată liniară. Punctul de intersecńie al curbei cu axa ordonatelor corespunde valorii coeficientului C x pentru incidenńa nulă. Pentru profilul simetric axa ordonatelor este axa de simetrie. Având în vedere faptul că în zona incidenńelor uzuale C z este de 10-0 ori mai mare decât C x, se obişnuieşte ca scara pentru coeficientul de rezistenńă să fie de 10 ori mai mare decât cea pentru coeficientul de portanńă. c. Curba C m (α) variază pentru fiecare profil asemănător cu c z (α). Valoarea lui C m (α) pentru unghiul de incidenńă la care valoarea C z =0, numită C mo ne dă indicańii asupra variańiei centrului de presiune, care este cu atât mai mică cu cât C mo este mai mic. Ansamblul curbelor prezentate în Fig poartă numele de polară dezvoltată şi stă la baza calculelor aerodinamice ale suprafeńelor portante. Toate informańiile necesare trasării curbei polare dezvoltate se obńin în tunelul aerodinamic, unde se introduce profilul de studiat şi cu ajutorul balanńelor aerodinamice se determină valorile coeficienńilor de moment, portanńa şi rezistenńa la înaintare (C m, C z, C x ). Datele obńinute sunt prelucrate şi trecute într-un tabel din care putem extrage pentru fiecare unghi de incidenńă α, valorile perechi de C m, C z, C x, care apoi sunt trecute pe diagramă (α pe abscisă şi C m, C z, C x, pe ordonată). α C z C x C m Cu ajutorul aceluiaşi tabel se mai poate construi un alt set de două curbe, numit, diagramă polară, care constă tot dintr-un sistem de axe ortogonale cu C x, C m în abscisă şi C z în ordonată, reprezentând variańia lui C z funcńie de C x şi C m funcńie de C z (vezi Fig. A.1.34.). La un studiu mai amănunńit al diagramei polare putem remarca următoarele: - la intersecńia axei absciselor cu C z (C x ) se află punctul 1 corespunzător situańiei în care fileurile de aer atacă profilul aripii de-a lungul axei de portanńă nulă APN, deci, forńa portantă dezvoltată de aripă este nulă; - punctul de tangenńă la curba C z (C x ) a perpendicularei pe axa absciselor ne dă valoarea lui C x min; Fig Determinarea valorilor coeficienńilor aerodinamici Editia februarie 003 Pagina

23 Fig Curba polară - ducând din originea "O" a sistemului de coordonate o tangentă la curba C z (C x ), obńinem punctul 3, corespunzător unghiului θ minim şi deci raportului C z /C x = km axim, raport care după cum vom vedea în capitolele următoare, poartă numele de fineńe aerodinamică; - punctul 4 este punctul de tangenńă la C z (C x ) a perpendicularei pe axa ordonatelor şi ne dă valoarea lui C z maxim ; - punctul 5 corespunde zborului pe spate cu incidenńe pronunńat negative; - ducând un segment de dreaptă din originea sitemului de coordonate care intersectează C z (C x ) în punctele 6 şi 7, obńinem două situańii în care planorul evoluează cu aceeaşi fineńe caracterizată de unghiul θ 1 ; - punctul 8 de intersecńie cu axa absciselor al curbei C m (C z ) corespunde coeficientului de moment la portanńă nulă. Trebuie specificat însă faptul că toate aceste determinări efectuate în tunelul aerodinamic, din motive de simplitate, s-au referit la aripi de anvergură infinită (porńiuni de aripă delimitată de pereńi la bordurile marginale, a căror comportare aerodinamică este similară aripilor cu anvergură infinită), pentru care C x = C x profil = C x forma + C x frecare. Rezultă deci, că din curbele diagramei se pot deduce cu uşurinńă toate caracteristicile profilelor aerodinamice Polara planorului În practică însă, aşa cum rezultă şi din paragraful referitor la rezistenńa indusă, pentru aripile de anvergură finită, mai apare o forńă de rezistenńă suplimentară: F x i = ρ S C x i (K g f), (A.19) v (datorită tendinńei de egalizare a presiunilor de pe intradosul şi extradosul profilului) al cărei coeficient C xi cu variańie parabolică, se adaugă la C x -ul profilului (vezi Fig ), unde: Editia februarie 003 Pagina 3

24 z C xi = C, πλ (λ = alungirea) (A.0) C x aripa (5) = C x profil (4) + + C x indus (1) = C x forma () + + C x frecare (3) + C x indus (1). Continuând rańionamentul, se poate trasa polara întregului planor, Ńinând cont de următoarele: pe lângă aripă (elementul principal în crearea forńei portante), orice planor mai are o serie de alte elemente, cum ar fi fuselajul, ampenajul vertical, trenul de aterizare, etc, care dau naştere numai rezistenńelor numite rezistenńe pasive: F x pasiv = ρ v a C, x pasiv (A.1) în Kgf, pentru fiecare element în parte, unde: - S, v, au aceeaşi semnificańie ca în paragrafele anterioare; - a, este suprafańa frontală a elementului considerat; - C x pasiv este coeficientul rezistenńei pasive. Făcând operańii matematice simple, putem defini un coeficient al rezistenńei pasive total, rapotat la aripa planorului C x pasiv ; Fig Polara aripii s-a mai constatat că diferitele organe ale unui planor interacńioneză reciproc din punct de vedere aerodinamic, dând naştere la o aşa numită rezistenńă de interferenńă al cărei coeficient este C x interferenta. Editia februarie 003 Pagina 4

25 Fig Cz (α şi curbura) Fig Polara planorului Ca ordin de mărime, rezistenńa de interferenńă reprezintă de obicei 10-0% din rezistenńa pasivă; valoarea lui C z maxim a planorului este foarte apropiată de C z maxim a aripii (vezi Fig ) C x planor (7) = C x aripa (6) + C x pasiv (4) + C x inerferenta (5) = = C x indus (1) + C x forma () + C x frecare (3)+ C x pasiv (4) + C x inerferenta (5). Demnă de remarcat este scăderea considerabilă a fineńei aerodinamice în cazul planorului în ansamblu fańă de fineńea principalului său element portant, aripa. 1.. VariaŃia coeficienńilor aerodinamici PerformanŃele unui planor depind esenńial de caracteristicile aerodinamice ale profilului aripii. La rândul lor, aceste caracteristici ale profilului sunt determinate de particularităńile lui geometrice, starea suprafeńei aripii sau felul curgerii în stratul limită: a. studiul variańiei coeficienńilor C m, C z, C x, în funcńie de unghiul de incidenńă a fost prezentat în paragraful anterior (Fig. 1.3.); b. variańia coeficienńilor C m, C z, C x, în funcńie de curbura profilului este redată în Fig , A şi A Se observă că, cu cât creşte curbura profilului: creşte C z,c x şi C m ; descreşte unghiul de incidenńă critică; variańia centrului de presiune va fi mai mare. Editia februarie 003 Pagina 5

26 Fig Cx (α şi curbura profilului) Fig Cm (curbura profilului) c. variańia coeficientului C z şi C x în funcńie de grosimea relativă a profilului este prezentat în Fig şi Dacă coeficientul de rezistenńă creşte odată cu grosimea profilului, C z maxim este cel mai mare la profilele cu grosime relativă mijlocie, iar unghiul de incidenńă critică prezintă o uşoară creştere; d. variańia coeficientului de portanńă funcńie de numărul lui Reynolds este prezentată în Fig Cu cât creşte Re, creşte C zmaxim şi α critic. Fig Cz (α, θ relativ) Fig Cx (α şi e relativ) Editia februarie 003 Pagina 6

27 Fig Cz (nr. Re) De menńionat faptul că Re este parametrul care Ńine cont de efectul vâscozităńii aerului, determinând felul curgerii aerului în jurul corpurilor. Astfel, în situańia a două corpuri asemănătoare geometric, dar corespunzând unor numere Re diferite, spectrele lor aerodinamice, deci şi caracterisiticile lor vor fi diferite. Editia februarie 003 Pagina 7

28 Fig Exemple de polare Rezultă de aici necesitatea existenńei similitudinii numerelor Re pentru macheta testată în tunelul aerodinamic şi planorul real; în caz contrar facându-se corectarea de rigoare a coeficienńilor determinańi. Numărul Re se poate determina cu o bună aproximańie cu formula: Re = ρ v l = v l 71 v l, µ ν (A.) unde: - v = viteza în m/s; - l = o lungime caracteristică (coarda aripii sau lungimea fuselajului) în mm. Exemplu: Nr Re pentru un planor ce se deplasează cu 108 km/h (30 m/s) şi are CMA a aripii de 0.75 m (750 mm) este: Re = = Pentru planoarele moderne, Re variază în intervalul e. coeficienńii aerodinamici variază uneori semnificativ în funcńie de familia din care fac parte profilele respective. Spre exemplificare prezentăm caracteristicile câtorva profile extrase din cataloage de specialitate. Editia februarie 003 Pagina 8

29 13. RepartiŃia portanńei în profunzime şi anvergură Este dată de repartińia rezultantei presiunilor de-a lungul corzii profilului şi anvergurii aripii. Fig RepartiŃia portanńei în profunzime este prezentată în Fig , comparativ pentru un profil clasic (1) şi unul laminar (), în domeniul incidenńelor mici caracteristice zborului planat. RepartiŃia portanńei în anvergură, din cauza pierderilor marginale (fenomen studiat în paragraful A.11.), are mai mult sau mai puńin aspectul unei jumătăńi de elipsă funcńie de: - forma în plan a aripii (Fig ); - unghiul de incidenńă; - torsiunea aripii; - existenńa voleńilor. Din necesităńi practice de calcul aerodinamic, repartińia portanńei în profunzime şi anvergură este aproximată cu un contur din linii drepte, conform regulamentelor de calcul ale planoarelor. 14. Dispozitive de hipersustentańie Prin dispozitive de hipersustentańie se înńeleg acele organe ale planorului care fac ca la viteze mici, în anumite situańii de zbor, anormale, (unghiuri de incidenńă mari) să se menńină valoarea portanńei. Aceste situańii se întâlnesc în special la decolare şi aterizare sau în timpul spiralării în căminul termic. De aici reiese că pentru a menńine acceaşi valoare a lui F z (la viteze mici), va trebui să modificăm un alt factor din formula: ρ v F z = S c z (K gf) şi anume: C z sau S. Editia februarie 003 Pagina 9

30 Fig Sisteme de hipersustentańie Cele mai cunoscute sisteme de hipersustentańie sunt (vezi Fig ): a. fanta fixă sau mobilă la bordul de atac. Aceasta face ca la unghiuri α critice fileurile de aer să se menńină în continuare pe extrados, rezultând îmbunătăńirea valorii lui C z. Măreşte portanńa cu 35%; b. voletul de curbură cu sau fără fantă, realizează o modificare a curburii profilelor (o măreşte), ceea ce face să se mărească portanńa până la cca. 50%; c. voletul de intrados are acelaşi scop ca şi voletul de curbură şi anume, măreşte curbura profilului pe intrados. Măreşte portanńa până la cca. 70%; d. voletul Fowler are rolul de a mări suprafańa şi curbura aripii, fapt care detemină o creştere a forńei portante cu până la 140%; e. voletul Zapp este asemănător cu Voletul Fowler, adică măreşte suprafańa aripii şi modifică curbura profilului prin rotirea cu aproape 180 o a unei porńiuni de pe intrados, rezultând creşterea portanńei cu până la 80%. Pentru a înńelege mai bine funcńionarea dispozitivelor de hipersustentańie, care la planoare, prin mărirea suprafeńei aripii sau a curburii profilului (vezi paragraful 1..), asigură forńa portantă necesară zborului, prezentăm în Fig , modificarea polarei aripii sub influenńa voleńilor de cubură. Trebuie avut în vedere faptul că toate aceste modificări ale lui C z se vor face în anumite limite de viteze. Acestea se găsesc în notińa tehnică a planorului şi tońi pilońii trebuie să le cunoască şi să le aplice pentru a evita depăşirea lui α critic în zbor. Editia februarie 003 Pagina 30

31 Fig Frânele aerodinamice O caracteristică a planoarelor moderne este fineńea aerodinamică care ştim că este raportul dintre F z şi F x. În construcńia de planoare se tinde ca acest raport să fie cât mai mare, ceea ce în practică se traduce printr-un unghi de pantă cât mai mic. Această calitate a planoarelor este indispensabilă în cadrul construcńiilor moderne pentru a se putea parcurge de la o anumită înălńime o distanńă cât mai mare. Totuşi, datorită faptului că C x este mic au apărut două aspecte negative şi anume: planorul poate căpăta în zborul în picaj o viteză care poate pune în pericol rezistenńa mecanică a părńilor componente; planorul are unghi de pantă mic, ceea ce face ca în cazul aprecierii prizei de aterizare (mai ales când terenul de aterizare este înconjurat de obstacole înalte), aceasta să nu se poată face corect, necesitând un teren foarte degajat şi lung. Pentru a elimina aceste neajunsuri s-a recurs la dotarea, din construcńie, a planoarelor cu frâne aerodinamice care au ca scop: - planorul să nu depăşească viteza maximă în picaj cu frânele scoase, Editia februarie 003 Pagina 31

32 - să poată fi scurtată şi corectată priza de aterizare. Cu alte cuvinte se poate spune că frânele aerodinamice au rolul de a înrăutăńi calităńile aerodinamice ale planorului. Practic, aceste frâne aerodinamice nu sunt altceva decât nişte suprafeńe ortogonale, care la comanda pilotului sunt scoase din aripă şi au ca efect creşterea coeficientului de rezistenńă la înaintare, C x. În acest mod, pentru primul caz, se obńine o creştere a rezistenńei la înaintare, fapt ce va face ca viteza să se oprescă la o valoare inferioară celei maxime. În acelaşi timp, frânele aerodinamice crează zone turbionare care duc la micşorarea coeficientului de portanńă C z, respectiv micşoararea forńei portante F z. Pentru a se readuce forńa portantă la valoarea ei inińială, se modifică unghiul de incidenńă α fapt care duce la mărirea unghiului de pantă. Datorită posibilităńii de a manevra frâna aerodinamică, valoarea coeficentului C z este variabilă, având posibilitatea de a obńine un unghi de pantă variabil funcńie de necesităńi. Practic, în construcńia de planoare se folosesc două tipuri de frâne: DFS şi Hutter (vezi Fig ). Fig Frâne aerodinamice NotaŃiile folosite în figură sunt următoarele: - F x = rezistenńa la înaintare fără frână scoasă; - F x1 = rezistenńa la înaintare cu frână scoasă; - F t = forńa aerodinamică totală fără frână scoasă; - F t1 = forńa aerodinamică totală cu frână scoasă; - C z /C x cu frâna scoasă este mai mic ca C z /C x fără frâna scoasă. 16. ForŃe care acńionează asupra planorului în zbor planat Zborul planat al planorului este un zbor cu o pierdere permanentă de înălńime. Din acest motiv, zborul planorului poate fi considerat asemănător cu alunecarea unui corp mobil pe un plan înclinat (vezi Fig ). Acest lucru se datorează faptului că pentru a asigura viteza necesară zborului, planorul se pune pe o pantă de coborâre astfel încât o componentă a greutăńii G să constituie forńa de tracńiune necesară, anulând rezistenńa la înaintare. Editia februarie 003 Pagina 3

33 Pentru ca zborul să se execute uniform (viteza să fie constantă, trebuie ca unghiul de pantă sau unghiul de planare q, să fie constant fapt care duce la următorul echilibru de forńe: Pe de altă parte, unghiul j = q ca unghiuri cu laturile perpendiculare, ρ ρ G 1 = F z F z = v S C z G 1 = cos ϕ v S C z = G ρ ρ G = F x F x = v S C x G = sin ϕ v S C x = G ρ S v C x tot F x tot C x tot 1 tan ϕ = = = =, unde F z tot ρ C z tot K S v C z tot K este fine Ńin planorului cos sin ϕ ϕ dar în triunghiul ABC: tan θ = B C A B = H S unde: - H = înălńimea la care începe planarea; - S = distanńa parcursă la sol în timpul planării, iar în triunghiul vitezelor: tan = w w θ v v, s (deoarece q este mic v» v s ) unde: - w = viteza ce coborâre citită de pilot la variometru; - v = viteza citită de pilot la vitezometru şi transformată în m/s, considerându-se vântul nul. În concluzie, putem scrie sub forma unui şir de rapoarte egale, următoarele: tan ϕ = F F x tot z tot = C x C = 1 K = H S = w v = z tan θ F = G z 1 ρ v S Cz = G v = G cos θ S ρ cos θ Cz, Din această relańie se vede că fineńea planorului (unghiul de planare) nu depinde decât de caracteristicile aerodinamice al planorului, deci de polara acestuia. Editia februarie 003 Pagina 33

34 Să călculăm acum viteza de planare: dar Ńinând cont de faptul că planoarele moderne au fineńi ridicate (5-50), unghiul q va fi ma mic de o şi deci cu o aproximańie foarte bună, putem considera cos q = 1. În aceste condińii: V = G S r 1 C, z de unde rezultă că în situańia când, în cadrul zborurilor de performanńă, se urmăreşte să se obńină o fineńe maximă cu o viteză de deplasare cât mai mare, se va căuta să se modifice greutatea planorului. Acest lucru este posibil prin luarea de balast de apă în planor. În felul acesta vom mări greutatea planorului şi respectiv la aceeaşi pantă se va mări viteza de zbor, deci vom parcurge aceeaşi distanńă într-un timp mai mic. Totodată, studiind relańia: w cob = 1 3,6 V, (m / s) K observăm că mărind viteza de zbor (datorită balastului), se va mări şi viteza descendentă. Fig Echilibrul forńelor în zborul planat Balastul de apă poate fi luat numai de planoarele care au din construcńie montate în aripi sau în fuselaj rezervoare de apă. Aceste rezervoare sunt construite cu posibilitatea de a putea fi golite de către pilot în zbor în cazul când situańia meteo este slabă, sau când execută aterizarea. 17. ForŃele care acńionează asupra planorului în viraj Virajul este o schimbare de direcńie în plan orizontal, pe o traiectorie curbă. Din punct de vedere al execuńiei virajele pot fi: - corecte; - derapate (aruncate); - glisate (alunecate). Virajul corect (vezi Fig ), este virajul în care avem următorul echilibru de forńe: F zv = F r, sau, pe componente: Editia februarie 003 Pagina 34

35 F zo = G F cf = F cp, unde: F zo = forńa portantă în zbor orizontal; F zv = forńa portantă în viraj; F cf = forńa centrifugă; F cp = forńa centripetă. F r = rezultanta între G şi F cf. Fig Virajul corect F cf = G g v r ; dar: G g = m, de unde rezulta ca: F cf = m v, unde: r r este raza de viraj. Deci putem spune că forńa centrifugă este direct proporńională cu greutatea aeronavei, cu pătratul vitezei şi invers proporńională cu raza de viraj. Să calculăm care este forńa portantă necesară şi viteza planorului în virajul corect: F = G cos β F zv = v r zv r zv r v v ρ v zv S C dar F = F, F = F = ρ _ S C = zv G () cos β G cos β (1) (1) = ForŃa portantă necesară virajului corect: () = viteza necesară virajului corect: Editia februarie 003 Pagina 35

36 v v = G S 1 ρ C zv 1, iar cos β v o = G S 1 ρ C, zo deci: v v = v o 1 cos β Făcând referirea la viteza limită v LV în viraj, fańă de viteza limită în zbor orizontal, v LO : 1 v LV = v LO cos β Rezultă că viteza limită în viraj se măreşte fańă de viteza limită în zbor orizontal, pe măsură ce se măreşte unghiul de înclinare, β, în viraj. Din acest motiv în timpul zborului în viraj, trebuie să fim atenńi la simptomele de angajare care vor fi date de planor înainte de a atinge viteza limită de zbor orizontal (cea dată în notińa tehnică a aeronavei). Raza necesară efectuării virajului corect poate fi dedusă astfel: F cf = F cp F cf = G g v r F cp = F zv α = G α = G G g v r sin sin tan β = G tan α _ r = v g tan α α g = 9.81 m/s şi este accelerańia gravitańională În realitate în zbor se întâlnesc şi situańii când virajul nu este executat corect şi deci vom avea viraje derapate sau glisate (vezi Fig şi 17.5.). În virajul derapat, planorul excută un viraj cu o rază mai mare decât raza inińială (aruncat). Editia februarie 003 Pagina 36

37 Fig ForŃele în virajul corect cu diferite înclinări Fig Virajul derapat Fig Virajul glisat Dacă analizăm graficul forńelor, vedem că F ZV şi F R, nu sunt pe aceeaşi direcńie. Din acest motiv, prin compunerea lor vom obńine o rezultantă F u în cazul virajului derapat, care va deplasa aeronava de pe direcńie, făcând-o să urce pe aripă), sau, în cazul virajului alunecat, o forńă, F a care va deplasa aeronava în sensul alunecării pe aripă. 18. ForŃele care acńionează asupra planorului în remorcaj de avion În această situańie avem echilibrul de forńe după cum urmează: G = F z şi T = F x, unde T este tracńiunea avionului remorcher. Editia februarie 003 Pagina 37

38 Fig. A ForŃele în remorcajul de avion În cadrul acestei metode de remorcaj, avionul asigură tracńiunea necesară dezvoltării vitezei care va crea portanńa necesară menńinerii în zbor a planorului. 19. ForŃe care acńioneazăa asupra planorului în remorcaj de automosor În cadrul acestei metode de remorcaj se întâlnesc practic situańii: remorcaj cu declanşatorul de bot; remorcaj cu declanşatorul în centrul de greutate (de burtă sau bilateral). a. În situańia remorcajului cu declanşator de bot (vezi Fig ), apare şi un moment de rotire datorat componentei verticale a tracńiunii. Acest moment este anulat de un altul, creat de profundor (prin bracarea acestuia de către pilot). Fig ForŃele în remorcajul de automosor cu declanşator de bot Echilibrul de forńe şi momente este următorul: F = G + T z 1 F + G = T x 1 T d = F d 1 p Editia februarie 003 Pagina 38

39 b. În situańia remorcajului cu declanşator în centrul de greutate nu mai apare momentul de rotire, deci profundorul va sta în pozińie neutră, remorcajul efectuându-se mult mai uşor din punctul de vedere al tehnicii de pilotaj. Fig ForŃele în remorcajul de automosor cu declanşator de burtă Echilibrul de forńe este următorul: T = G + F x F = G + T z 1 1 Când planorul se va apropia de verticala automosorului, în ambele situańii de remorcaj, forńa de tracńiune creşte foarte mult (componenta T 1 ) şi forńa aerodinamică totală nu o mai poate echilibra. În acest moment se va declanşa cablul (care face un unghi de maxim 70 o fańă de orizontală) şi se va trece la zborul normal. 0. Stabilitatea planorului 0.1. Echilibrul corpurilor r r F = F i = 0 r r M = M = 0 i Un corp se află în echilibru dacă rezultantele forńelor şi momentelor care acńionează asupra sa sunt nule: Există trei stări de echilibru: a. echilibru stabil; b. echilibru instabil; c. echilibru indiferent. Fiecare dintre aceste trei stări se poate referi la un echilibru static (de pozińie) sau la un echilibru dinamic (de mişcare). Editia februarie 003 Pagina 39

40 A. Echilibrul static a. vom spune că un corp se află în stare de echilibru static stabil, dacă, fiind scos din pozińia de echilibru de o forńă perturbatoare, revine singur la starea inińială (fără intervenńii exterioare). Exemplu: o bilă aşezată în partea cea mai de jos a unei suprafeńe concave, sau un pendul (vezi Fig A.). Fig (a, b, c) Stările de echilibru b. vom spune că un corp se află în stare de echilibru static instabil, dacă, fiind scos din pozińia de echilibru de o forńă perturbatoare, nu mai poate reveni singur la starea inińială, amplificând perturbańia. Exemplu: o bilă aşezată pe o suprafańă convexă sau o bară aşezată în pozińie verticală pe o suprafańă plană (vezi Fig B.). c. vom spune că un corp se află în stare de echilibru static indiferent, dacă, fiind scos din pozińia de echilibru de o forńă perturbatoare, rămâne în noua stare, oricare ar fi aceasta. Exemplu: o bilă aşezată pe o suprafańă plană sau o bară agăńată în centrul de greutate (vezi Fig C.). B. Echilibrul dinamic a. un corp se găseşte în starea de echilibru dinamic stabil când, fiind scos de o forńă perturbatoare de pe traiectoria pe care o urmează cu viteză constantă, revine singur la elementele inińiale ale mişcării. b. un corp se găseşte în starea de echilibru dinamic instabil când, fiind scos de o forńă perturbatoare de pe traiectoria pe care o urmează cu viteză constantă, nu mai poate reveni singur la elementele inińiale ale mişcării, amplificând perturbańia. Editia februarie 003 Pagina 40

41 c. un corp se găseşte în starea de echilibru dinamic indiferent când, fiind scos de o forńă perturbatoare de pe traiectoria pe care o urmează cu viteză constantă, rămâne pe noua traiectorie, tot cu viteză constantă. 0.. Stabilitatea planorului Întrucât aeronavele se deplasează în spańiul tridimensional şi forńele perturbatoare acńionează în acest context; vom considera următorul sistem ortogonal de axe ataşat, cu originea în centrul de greutate al planorului (vezi Fig ). - x x' = axa longitudinală (de ruliu); - y y' = axa transversală (de tangaj); - z z' = axa verticală (de girańie) şi ne vom referi la: - stabilitatea longitudinală (în jurul axei de tangaj); - stabilitatea transversală (în jurul axei de ruliu); - stabilitatea verticală (în jurul axei de girańie) Stabilitatea longitudinală A. Stabilitatea longitudinală statică Vom spune că un planor este stabil longitudinal static, dacă la aparińia unui factor perturbator (de exemplu variańia incidenńei aripii) care roteşte aeronava în jurul axei de tangaj, apare, fără intervenńia pilotului, un moment stabilizator ce readuce planorul în pozińia inińială. Aşa cum observam şi în Fig , în timpul zborului planat cu viteză constantă, momentul forńei portante a aripii fańă de centrul de greutate CG al planorului este echilibrat de momentul forńei portante a ampenajului orizontal fańă de acelaşi CG. Fig Axele planorului Fig Stabilitatea longitudinală Datorită acńiunii unui factor perturbator (posibil o rafală orizontală sau verticală), se va modifica forńa portantă pe aripă şi ampenaj (prin modificarea unghiului de incidenńă sau a vitezei) deci şi echilibrul momentelor, aeronava rotindu-se în jurul axei de tangaj. Dacă este îndeplinită condińia de stabilitate statică longitudinală, momentul creat de portanńa ampenajului orizontal va fi mai mare şi va tinde să readucă planorul în pozińia inińială: Editia februarie 003 Pagina 41

42 M stabilizator = F st b - F z a Din cele arătate mai sus reiese importanńa pozińionării centrului de greutate. Dacă acesta se găseşte prea în spate este posibil ca la aparińia unei perturbańii, momentul portanńei aripii să nu mai poată fi echilibrat, fapt care duce la evoluńii necontrolate, în limită de viteză. Dimpotrivă, dacă pozińia sa este prea înaintată, stabilitatea este prea mare şi planorul devine leneş în comenzi. B. Stabilitatea longitudinală dinamică Fig Stabilitatea longitudinală dinamică Să urmărim ce se întâmplă în timp, după aparińia momentului stabilizator. Planorul va tinde să rămână în pozińia inińială, dar, din cauza inerńiei, va efecuta nişte oscilańii amortizate până la recăpătarea traiectoriei de echilibru, în cazul în care este şi stabil dinamic. (vezi Fig a.). Dacă în loc să se amortizeze, oscilańiile se amplifică, cu toate că este stabil static, planorul este instabil dinamic (vezi Fig b.), iar dacă oscilańiile rămân constante, echilibrul este dinamic indiferent (vezi Fig c.) Stabilitatea transversală Stabilitatea statică în jurul axei de ruliu este asigurată în principal prin două elemente constructive: a. unghiul diedru al aripii d: F' z > F' z1 a > a 1 F' z a > F' z1 a 1 La aparińia unei perturbańii care are ca rezultat înclinarea planorului pe o aripă, din cauza unghiului diedru, momentul componentei verticale a portanńei semiplanului care coboară, fańă de CG, este mai mare decât cel al componentei verticale a portanńei semiplanului care urcă (vezi Fig ) Apare deci un moment stabilizator de ruliu: M s ruliu = F' z a - F' z1 a cu specificańia că momentele create de componentele F" z sunt neglijabile în raport cu cele create de componentele F' z. Editia februarie 003 Pagina 4

43 Fig Stabilitatea transversală Fig b. pozińia mai coborâtă a centrului de greutate fańă de centrul de presiune: La aparińia unei perturbańii care are ca rezultat înclinarea planorului pe o aripă, apare un decalaj pe orizontală între CG şi CP, dând naştere astfel unui cuplu de forńe stabilizator (vezi Fig ): M s ruliu = F' z b De remarcat că momentul stabilizator de ruliu este cu atât mai mare cu cât CG este mai coborât. Stabilitatea dinamică transversală în jurul axei de ruliu pentru un planor stabil static transversal este prezentată prin analogie cu cea longitudinală în Fig , unde se înlocuieşte variańia incidenńei α cu variańia înclinării ϕ. Editia februarie 003 Pagina 43

44 0..3. Stabilitatea în jurul axei de girańie Stabilitatea statică în jurul axei de girańie este asigurată în principal de: a. ampenajul vertical: Dacă, datorită unor perturbańii exterioare, planorul execută o rotańie θ în jurul axei de girańie, incidenńa ampenajului vertical fańă de direcńia de zbor va fi diferită de 0 şi în consecinńă va apare o forńă portantă care va crea la rândul ei un moment stabilizator de girańie (vezi Fig. A.0.6.). M s giratie = F a d unde: d = distanńa de la CG al planorului la CP al ampenajului vertical. b. unghiul de săgeată pozitiv al aripilor, c. Datorită unghiului de săgeată pozitiv, se observă uşor că proiecńiile frontale ale semiplanurilor (pe un plan perpendicular pe viteză) sunt inegale. RezistenŃa la înaintare corespunzătoare ca şi momentele componentelor fańă de centrul de greutate al planorului vor fi de asemenea inegale, generând astfel un moment stabilizator de girańie (vezi Fig ). Fig Stabilitatea de girańie Fig M s giratie = R' 1 l - R' l, unde: S 1 > S R 1 > R R' 1 > R' - S 1 şi S sunt proiecńiile frontale ale semiplanurilor, iar - l este distanńa de la CP al semiplanului la CG al planorului cu specificańia că componentele R" 1 şi R", nu dau momente fańă de CG. În cazul aripii cu unghi de săgeată negativ, perturbańia θ este amplificată, momentul care apare în acest caz fiind de sens contrar momentului stabilizator de girańie. Pentru stabilitatea dinamică în jurul axei de girańie a unui planor stabil static în jurul aceleiaşi axe, prin analogie cu paragrafele şi 0..., vom folosi din nou Fig. 0.59, cu ordonata renominalizată corespunzător în θ. Editia februarie 003 Pagina 44

45 1. Maniabilitatea planorului Maniabilitatea planorului este calitatea acestuia de a răspunde uşor comenzilor şi de a efectua repede rotańiile în jurul centrului de greutate. Maniabilitatea, ca şi stabilitatea se studiază în raport cu cele trei axe de rotańie: maniabilitatea longitudinală este modificarea cu uşurinńă a unghiurilor de incidenńă prin bracarea profundorului. Maniabilitatea longitudinală depinde de: - mărimea suprafeńelor profundorului şi stabilizatorului; - unghiul de bracaj al profundorului; - lungimea fuselajului; - centrajul planorului; - viteza de deplasare, etc.. maniabilitatea transversală este însuşirea planorului de a se înclina sau roti cu uşurinńă în jurul axei longitudinale, când se brachează eleroanele. Maniabilitatea transversală este influenńată de: - mărimea suprafeńelor eleroanelor; - unghiurile de bracaj diferenńiale; - pozińia eleroanelor pe aripă; - anvergura aripii; - repartizarea masei aripii; - viteza de deplasare, etc.. maniabilitatea pe direcńie este însuşirea planorului de a se roti cu uşurinńă în jurul axului vertical. Acest lucru se realizează prin bracarea direcńiei spre stânga sau spre dreapta. Maniabilitatea pe direcńie este influenńată de: - mărimea suprafeńelor derivei şi direcńiei; - unghiul de bracare al direcńiei; - lungimea fuselajului; - repartińia maselor; - viteza de deplasare, etc. Se remarcă din cele arătate până acum faptul că pentru asigurarea momentelor necesare rotirii în jurul celor trei axe, este preferată metoda măririi brańului forńelor şi micşorării suprafeńelor de comandă cu scopul minimalizării rezistenńelor la înaintare. Concentrarea maselor cât mai aproape de centrul de greutate pentru micşorarea momentelor de inerńie este o altă cerinńă pentru asigurarea unei bune maniabilităńi. Maniabilitatea planorului este, de asemenea, în strânsă legătură cu stabilitatea sa. Cu cât un planor este mai stabil, cu atât este mai puńin maniabil. În practică se recurge la un compromis între maniabilitate şi stabilitate.. Centrajul planorului Editia februarie 003 Pagina 45

46 Greutatea unui planor se poate considera concentrată într-un punct, numit centru de greutate C G, diferit, de obicei ca pozińie de centrul de presiune C P al planorului. PoziŃia centrului de greutate al planorului se indică în procente din coarda medie aerodinamică CMA, fańă de bordul de atac al acesteia şi se numeşte generic centraj (valoare % CMA). În planorism, datorită faptului că vor zbura pilońi mai grei sau mai uşori, constatăm că centrul de greutate îşi va schimba pozińia de la zbor la zbor. Astfel, dacă se află în zbor un pilot mai uşor, centrul de greutate se mută în spate fańă de bordul de atac al CMA. Prin centraj maxim spate admis se înńelege pozińia maximă spate a cetrului de greutate pe CMA, pozińie din care la comanda pilotului (manşa la pozińia maxim în fańă), de bracare a profundorului maxim în jos, să se obńină unghiul de incidenńă corespunzător vitezei maxime de zbor. Dacă, în schimb avem un pilot cu o greutate mare, centrul de greutate se va muta mai înspre fańă, deci va avea o pozińie mai apropiată de bordul de atac de CMA. Prin centraj minim fańă admis se înńelege pozińia minimă a centrului de greutate pe coarda medie aerodinamică, din care, la comanda pilotului (manşa maxim trasă) pentru a braca maxim în sus profundorul, să se poată obńine coeficientul de portanńă maxim, deci unghiul de incidenńă critic. Dacă se depăşeşte centrajul maxim spate, aeronava nu va mai putea fi readusă pe panta normală de zbor de la o pantă de urcare şi se va angaja. Dacă se depăşeşte centrajul minim fańă aeronava nu va mai putea fi redresată după un zbor în pantă accentuată de coborâre. Deci, o condińie de bază a limitelor de centraj admise este ca în cadrul acestor limite să se asigure manevrabilitatea aeronavei. Spre a evita în exploatare depăşirea centrajelor care, spre exemplu la planorul IS 8 B sunt: - centraj minim fańă = % CMA şi - centraj maxim spate = 47% CMA, constructorul limitează greutatea minimă şi maximă a echipajului şi prevede uneori cabina planoarelor cu locaşuri pentru greutăńi speciale de plumb care pot fi ataşate sau scoase în funcńie de necesităńi. În concluzie, dacă se depăşesc centrajele maxim spate şi minim fańă, nu mai este posibilă realizarea de viteze minime sau trecerea la zborul pe panta normală. MenŃionăm că în această situańie acńionarea comenzii compensatorului nu ajută la corectarea centrajului, acesta având rolul de a elimina efortul pe manşă în situańia zborului normal. 3. Compensarea comenzilor Se face cu ajutorul unor dispozitive care servesc la micşorarea eforturilor depuse de pilot pe comenzi. Aceste dispozitive se montează pe suprafeńele de comandă. Compensarea poate fi: a. statică; şi b. aerodinamică. a. Compensarea statică se realizează prin montarea de resorturi sau greutăńi în lanńul cinematic al comenzii, sau pe suprafańa de comandă Editia februarie 003 Pagina 46

47 b. Compensarea aerodinamică se face prin: 1. suprafańă;. pozińionarea axei de rotańie; 3. trimere. 1. Compensarea prin suprafańă se obńine cu ajutorul unei porńiuni din suprafańa de comandă, care este plasată în partea anterioară axei de rotańie a suprafeńei de comandă (profundor sau direcńie) şi care se brachează în partea opusă bracării acesteia (vezi Fig a.).. Compensarea axială este realizată la fel ca cea prin suprafańă, dar aici se va braca în sens invers o porńiune din suprafańa de comandă pe toată lungimea acesteia. (vezi Fig b.). Fig Compensarea comenzilor 3. Compensarea prin compensator se realizează cu ajutorul unei suprafeńe montate pe suprafańa de comandă (vezi Fig c.), care, la comanda pilotului, se brachează în sens invers bracării suprafeńei de comandă astfel încât să realizeze echilibrul de momente: F zt a 1 = F zc a Compensarea se mai poate face şi prin modificare unghiului de incidenńă al întregului ampenaj orizontal, modificare ce se realizează în zbor la comanda pilotului. (A.31) n = F z G 4. Factorul de sarcină Se numeşte factor de sarcină n, raportul dintre portanńa dezvoltată de o aripă într-o evoluńie oarecare şi greutatea aeronavei: În cazul zborului orizontal, când F z = G, n = 1. Dacă F z este negativ, atunci şi n este negativ. Se numeşte factor de sarcină maxim admis în exploatare n e, factorul de sarcină maxim la care este calculată o aeronavă astfel încât structura ei să reziste fără a prezenta rupturi sau deformańii permanente atunci când execută evoluńii specifice scopului în care a fost construită. Editia februarie 003 Pagina 47

48 Se numeşte factor de sarcină de rupere n r factorul de sarcină care aplicat trei secunde, duce la ruperea structurii aeronavei. Uzual, n r = 1,5 n e. Un lucru demn de remarcat este acela că n e variază cu greutatea aeronavei. Astfel, pentru planorul IS 8 B, n e are următoarele valori: - pentru greutarea de 50 Kgf, n e = + 6,5 g, - 4 g; - pentru greutarea de 590 Kgf n e = +5,3 g, -,65 g. Orice evoluńie a aeronavei este caracterizată de un factor de sarcină care se poate calcula: zborul orizontal, virajul, resursa, figurile acrobatice, zborul în atmosfera agitată, impactul la aterizare, etc. Spre exemplificare prezentăm formula de calcul a factorului de sarcină în virajul corect: 1 n = (A.3) cos ϕ unde ϕ este unghiul de înclinare în viraj. Să observăm că pentru un viraj înclinat cu 60 o fańă de orizontală (pentru care cos 60 o =1/), n=1/½, deci n =!. 5. Momentul negativ În timpul zborului cu o aeronavă se constată că dacă se dau comenzi de intrare sau ieşire din viraj, lucrând numai cu manşa, aeronava va avea tendinńa să se rotească în partea opusă comenzii date. TendinŃa de rotire în sens invers comenzii date cu manşa lateral se numeşte moment negativ. Acest moment se va elimina lucrând cu manşa şi palonierul în acelaşi timp şi în aceeaşi parte, în cantităńi proporńionale. În acest fel, tendinńa aeronavei de a se roti în partea opusă va fi anulată de rotirea datorată palonierului. Când mişcăm lateral manşa, o aripă coboară şi alta urcă. Astfel, pe aripa care coboară apare o viteză ascendentă w a a curentului de aer care va determina, împreună cu viteza de înaintare a aeronavei V, o rezultantă V rc. ForŃa portantă F z este perpendiculară pe viteza V rc, forńa rezistentă F xc este paralelă cu viteza, iar forńa aerodinamică totală F tc, este orientată spre înainte. Făcând proiecńia acesteia pe V (viteza de deplasare), vom obńine o forńă de deplasare a aripii spre înainte F tr (Fig ). Fig Momentul negativ Editia februarie 003 Pagina 48

49 În acelaşi timp, pe aripa care urcă, apare o viteză w c descendentă a curentului de aer care prin compunere cu viteza aeronavei V, va da o rezultantă V ru. Şi aici forńa portantă F zu este perpendiculară pe V ru, iar forńa aerodinamică rezultantă F tu va fi orientată spre înapoi. Făcând şi aici proiecńia forńei F tu pe viteza de deplasare a aeronavei, vom obńine o forńă de deplasare spre înapoi a aripii F fr (vezi Fig ). Cele două forńe F tr şi F fr vor da naştere unui moment de rotire a aeronavei în sens invers comenzii date cu manşa lateral, iar valoarea sa va fi cu atât mai mare cu cât planorul va avea o anvergură mai mare. 6. Polara vitezelor Este reprezentarea grafică a vitezei de înfundare a planorului w funcńie de viteza de înaintare a acestuia V (vezi Fig ). Punctele casracteristice ale polarei sunt următoarele: - A = punctul de tangenńă la polară al perpendicularei pe axa absciselor, corespunde vitezei minime de zbor (pe axa ordonatelor putem citi viteza asociată de coborâre); - B = punctul de tangenńă la polară a perpendicularei pe axa ordonatelor corespunde vitezei minime de coborâre (pe axa absciselor putem citi viteza de f k maxim = ctg θ = v min w f zbor asociată); - C = punctul de tangenńă la curba polară a semidreptei dusă din originea sistemului de axe, dă coordonatele vitezelor (v şi w), corespunzatoare vitezei maxime (se observă că unghiul θ pe care-l face tangenta cu axa absciselor este minim) - D şi E sunt puncte care se găsesc la intersecńia unei semidrepte, duse din originea sitemului de coordonate, cu polara vitezelor. Aceste puncte corespund la două situańii de zbor în care planorul evoluează cu aceeaşi fineńe, k = ctg θ. Fig Polara vitezelor calculată Editia februarie 003 Pagina 49

50 Punctul D corespunde zborului la incidenńe mari, iar punctul E, zborului la incidenńe mici (vezi polara profilului). Pentru zborurile de performanńă în planorism, polara vitezelor are o deosebită utilitate practică, facilitând exploatarea aeronavei în regimul dorit, construirea diferitelor abace de calcul, sau alegerea şi compararea performanńelor diferitelor tipuri de planoare. Pornind de la relańiile care stabilesc factorii de care depinde viteza de cădere şi cea de zbor, să discutăm unele din cerinńele principale care se impun pentru planoarele moderne. v = G S 1 ρ C z K m / h (A.34) w = G S C ρ C x 3 z m / s 1. Pentru a se putea urca cât mai repede în căminul ascendent, planorul trebuie să aibă o viteză de cădere cât mai mică, care să se găsească la o viteză de zbor cât mai mică (necesară spiralării cu raze mici în termicile înguste). Minimalizând pe V şi w rezultă: a. un raport G/S cât mai mic care se realizează prin utilizarea în construcńia planoarelor a unor materiale cu greutăńi specifice scăzute şi rezistenńe mecanice mari; b. un raport C z /C x cât mai mare, (vezi polara planorului) în zona incidenńelor mici, deci fineńe aerodinamică maximă care se poate realiza în cazul nostru cu: - profile aerodinamice specializate, numite profile laminare; - aripi cu alungiri mari care datorită unui C xi redus au fineńe sporită; - micşorarea rezistenńelor de frecare prin prelucrarea suprafeńelor. - micşorarea rezistenńelor pasive şi de interferenńă prin proiectarea corespunzătoare a formelor şi elementelor de racordare dintre ele.. Pentru a se putea obńine viteze de drum cât mai mari şi distanńe maxime de planare, fineńea optimă a planorului trebuie să se găsească la o viteză cât mai mare. Maximizând pe V, rezultă că ar trebui să avem un raport G/S cât mai mare şi intrăm în contradicńie cu cerinńele de la pct. 1.a. Fig Modificarea polarei funcńie de balast Editia februarie 003 Pagina 50

51 Pentru a rezolva această problemă în practică s-a ajuns la soluńia unei încărcături pe m (G/S) variabilă în funcńie de necesităńi. Planoarele moderne sunt dotate cu rezervoare de apă care pot fi golite în timpul zborului. Se obńine astfel o viteză corespunzătoare fineńii optime, variabilă (vezi Fig ). Polara vitezelor poate fi calculată sau determinată practic prin măsurători de precizie în timpul zborului într-o atmosferă liniştită, diferenńele apărute între cele două reprezentări fiind uneori reprezentative. 7. InfluenŃa vântului şi a curenńilor verticali asupra vitezei de salt În timpul zborului planorul va traversa de multe ori zone cu mişcări ale aerului atmosferic pe verticală sau orizontală. Pentru a putea determina viteza optimă de deplasare şi în aceste situańii, trebuie să facem nişte construcńii ajutătoare pe polara vitezelor ca în Fig Fig InfluenŃa deplasării aerului asupra vitezei optime de zbor Astfel, originea polarei va fi mutată cu valoarea vitezei perturbatoare pe axele şi în sensurile specificate. Vom putea obńine acum valoarea vitezei optime în condińile date, ducând tangenta la polară din noua origine. Urmărind cele cinci exemple prezentate, se poate observa că în situańia unui curent descendent sau a unui vânt de fańă, trebuie să ne deplasăm cu o viteză de zbor mai mare pentru a obńine o fineńe maximă, iar în situańia unui curent ascendent sau a vântului de spate, trebuie să micşorăm viteza. Polara astfel trasată ajută pe pilot în construcńia abacelor şi calculatoarelor necesare executării zborurilor de performanńă. Editia februarie 003 Pagina 51

52 8. Efectul de sol Se poate observa că în timpul zborurilor acrobatice, la trecerile făcute la rasul solului sau la aterizare în perioada filării, planorul are o comportare deosebită, parcurgând o distanńă mai mare decât i-ar permite fineńea aerodinamică. Fenomenul poartă numele de efect de sol şi este o interferenńă între aripa aeronavei şi sol, aspectul curgerii aerului între cele două suprafeńe având un caracter special. O explicańie ar fi aceea legată de mecanismele aparińiei rezistenńei induse (vezi paragraful RezistenŃa indusă). Astfel, datorită vitezei induse w i, în spatele aripii curentul de aer este deflectat în jos (vezi Fig ), dând naştere unui unghi de incidenńă indus, care, la rândul sau, micşorând incidenńa reală, deplasează pozińia lui F z spre înapoi şi crează rezistenńa indusă. Dacă planorul zboară la foarte joasă înălńime, deflexia curentului de aer nu mai este posibilă ca în cazul evoluńiei la altitudine şi deci unghiul indus, micşorându-se ne va scădea şi rezistenńa indusă (vezi Fig ). Fig Efectul de sol În urma experienńelor efectuate, s-a constatat că rezistenńa indusă scade semnificativ numai în cazul zborurilor la care înălńimea aripii fańă de sol este mai mică de 0% din anvergura (pentru planoare 3-4m.). Rezultă deci că efectul de sol se va manifesta cu atât mai intens cu cât anvergura va fi mai mare şi cota h a aripii fańă de sol va fi mai mică. Din această ultimă cauză, planoarele cu aripă mediană vor avea o comportare mai bună decât cele cu aripa sus, fineńea lor fiind oricum îmbunătăńită (vezi Fig ). łinând cont şi de faptul că efectul de sol se simte mai puternic pe timp liniştit, vântul defavorizându-l, prezentăm în Fig modificarea polarei unui planor când asupra sa se manifestă acest fenomen. Fig VariaŃia polarei funcńie de montarea aripii Fig Modificarea polarei la aparińia efectului de sol Editia februarie 003 Pagina 5

53 9. Zborul la incidenńe mari Circa 0% din accientele aviatice ale ultimilor ani înregistrate pe plan mondial şi mult mai multe în Ńara noastră au fost legate de angajarea în limită de viteză survenită în urma zborurilor la unghiuri de incidenńă mari, apropiate de unghiul α critic (vezi Fig. 9.7.). Fig Cz funcńie de α Fig Pentru planoare, zborul cu viteze mici corespunzător pe curba C z (α) zonei A, este uzual întâlnit la spiralarea în căminul termic, procedurile de decolare şi aterizare (mai ales în cazul terenurilor obstacolate alese din aer), sau menńinerea punctului fix la zborul în curenńi ondulatorii. În oricare din aceste situańii, putem ajunge prin creşterea unghiului de incidenńă α, din zona subcritică în zona supercritică, rezultând o scădere mai mult sau mai puńin accentuată a C z - F z = ρ v - α = unghi de incidenńă supercritic; ForŃa portantă : S C, z ului funcńie de comportarea fiecărui tip de profil în parte (Fig ): - α 1 = unghi de incidenńă subcritic; se va diminua, ecuańia de echilibru a forńelor în evoluńia respectivă nu va mai fi satisfacută şi planorul se va angaja. Modificarea α a unghiului de incidenńă poate apare: - comandat, prin acńiunea pilotului asupra comenzilor; - accidental, datorită unor rafale verticale ale aerului. În primul caz aripa planorului găsindu-se inińial la incidenńa α 1 (vezi Fig ), următoarele situańii sunt frecvent întâlnite: a. dintr-un motiv anume, pilotul trage manşa. Profundorul se brachează în sus şi dă naştere unui moment care va ridica botul planorului, mărind astfel unghiul de incidenńă al aripii de la valoarea α 1 la α. Urmează conform celor arătate mai sus angajarea funcńie de pozińia planorului în momentul respectiv; Editia februarie 003 Pagina 53

54 b. pilotul brachează brusc voletul. Acesta coboară, mărind curbura profilului. Pe zona aripii dotată cu volet, se depăşeşte α critic (vezi variańia coeficientului aerodinamic paragraful 10..) şi planorul se angajează de regulă pe bot, dacă nu este înclinat. Fig c. Pilotul brachează de asemenea brusc şi cu amplitudine mare eleroanele. Pe aripa care coboară, datorită componentei verticale a curentului de aer ce atacă profilul, incidenńa creşte şi α cr este depăşit, planorul angajându-se pe aripa respectivă (vezi Fig A.). Şi în cel de-al doilea caz, datorat unei rafale verticale, aripa planorului găsindu-se inińial tot la incidenńa α 1 (Fig ), prin compunerea vitezelor pe profil, există posibilitatea depăşirii incidenńei critice, urmând angajarea planorului (vezi Fig A.). Modificarea necomandată α va fi cu atât mai mare cu cât: - viteza de zbor este mai mică; - viteza rafalei verticale este mai mare. Demn de remarcat este faptul că toate situańiile prezentate în cele de mai sus pot apare atât la zborul în linie dreaptă, cât şi la cel în viraj sau spirală, unde datorită unghiului de înclinare al aripii fańă de orizontală, forńa portantă necesară sustentańiei este mai mare (vezi paragraful A.14.): F z = G cos α şi deci, cu atât mai mult se fac simńite efectele depăşirii incidenńei critice. Din acest motiv, în timpul spiralării în termică, un planor se poate angaja la viteze superioare vitezei limită. Unghiul critic mai poate fi depăşit şi din alte cauze cum ar fi: - efectul de girańie asupra aripii din interiorul virajului (datorită scăderii vitezei); sau - viteza indusă de aripă pe ampenajul orizontal, ducând la angajarea acestuia. Editia februarie 003 Pagina 54

55 Fig Modificarea accidentală a unghiului α 9.1. Măsuri şi manevre pentru evitarea depăşirii unghiului α critic A. Din construcńie se prevăd: - curse diferenńiale la eleroane (eleronul care coboară se brachează mai puńin ca cel care urcă); - fante la bordul de atac al aripii şi al flapsului, care întârzie desprinderea fileurilor de aer de pe profil. B. Manevrele care se execută după ce s-au produs simptomele aparińiei unghiului critic sunt următoarele: - se reduce unghiul de incidenńă prin uşoară împingere a manşei spre înainte; - se reduce viteza de rotire prin reducerea cursei palonierului. După ce s-a produs efectul primelor două comenzi, se va reduce înclinarea laterală cu manşa. Este interzisă în timpul virajului scoaterea din înclinare ca primă manevră, în momentul aparińiei tremurăturilor care preced angajarea. 30. Stratul limită Aşa cum am văzut la paragraful A.., efectele de frecare se manifestă în orice fluid real, deci şi în aerul atmosferic şi duc pe de-o parte la aderarea acestuia la pereńi, iar pe de alta, la aparińia unor frecări interne tangenńiale între straturile de fluid (ce se deplasează cu viteze diferite unele fańă de altele) şi pereńi. Rezultă că atunci când vom introduce un corp oarecare (de exemplu o aripă) în curentul de aer, datorită vâscozităńii, particulele fluidului din imediata apropiere vor adera la suprafańa corpului, rămânând imobile. Pentru a ajunge de la o viteză egală cu "0" la viteza de curgere a curentului, aerul se va accelera într-un strat subńire δ din imediata vecinătate a corpului: Pornind de la cele arătate până acum, în anul 1905 lui L. Prandtl îi vine ideea că în cazul deplasării unei aripi de avion, să împartă mediul aerian înconjurător în două regiuni: A. domeniul mişcării exterioare, în care efectele de frecare sunt neglijabile (straturile de aer se deplasează cu aceeaşi viteză unele fańă de altele) şi mişcarea poate fi studiată cu ajutorul ecuańiilor mecanicii fluidelor perfecte; Editia februarie 003 Pagina 55

56 B. domeniu redus ca întindere, de grosimea notată cu δ, în care efectele de frecare sunt predominante. Fig Stratul limită Fig Acest strat care este influenńat de frecări interioare datorate diferenńelor de viteze, poartă denumirea de strat limită (vezi Fig ). De remarcat faptul că în stratul limită nu sunt valabile legile mecanicii fluidelor perfecte (legea lui Bernoulli, EcuaŃia continuităńii, etc.), repartińia presiunilor în jurul corpului fiind dictată în stratul exterior unde acńionează aceste legi. În urma a numeroase experienńe efectuate în tunelul aerodinamic s-a putut determina cum arată stratul limită pe un profil aerodinamic. Se poate observa astfel că pentru domeniul incidenńelor mici, avem următoarea distribuńie: a = regiunea unde curgerea are loc în regim laminar (straturi paralele care alunecă unele fańă de altele) şi care se întinde de la bordul de atac al profilului până la un punct, unde numărul Re atinge o anumită valoare, numită critică, Re c. În această zona valoarea u a vitezei într-un punct va fi constantă în timp (vezi Fig a.) b = regiune de tranzińie cuprinsă între Re c şi Re +, unde se face trecerea în mod gradat, prin aparińia perturbańiilor la perete sau spoturilor turbulente, la mişcarea turbulentă. Fig. A Editia februarie 003 Pagina 56

57 Fig Valoarea vitezei într-un punct va fi cea indicată în Fig b.. c = regiune unde curgerea are loc în regim turbulent, parametrii mişcării prezentând fluctuańii neregulate în timp şi spańiu. Numărul Re va fi mai mare ca Re +, iar viteza într-un punct este funcńie de timp (vezi Fig c.) Desprinderea stratului limită Continuând studiul comportării stratului limită se poate observa că datorită anumitor condińii, atât stratul limită laminar cât şi cel turbulent se pot desprinde de pe profil, cu consecinńe majore în păstrarea calităńilor sale aerodinamice. Astfel, în porńiunea de la bordul de atac până în zona grosimii sale maxime, viteza pe profil va prezenta o creştere continuă (Fig A.), gradientul de presiune va fi negativ, iar stratul limită va sta lipit de profil. În porńiunea dintre zona grosimii maxime şi bordul de fugă, viteza pe extrados va prezenta o scădere continuă, gradientul de presiune va deveni pozitiv şi stratul limită se va desprinde de pe profil în regiunea care urmează după punctul de viteză maximă. Pentru a înńelege mai uşor fenomenul se poate face analogie cu o bilă care se deplasează pe o suprafańă concavă. Lăsată să cadă din punctul a, bila atinge viteza maximă în b şi pierzând energie prin frecare, este obligată să se oprească în d şi să se întoarcă din drum (Fig B). La fel şi o particulă din stratul limită. Accelerată pe porńiunea a - b (pierzând o parte din energie prin frecare), nu mai poate suporta decelerarea până în c şi se desprinde în d. Urmărind vitezele în stratul limită de-a lungul profilului (vezi Fig C.), se poate observa cum distribuńia lor îşi schimbă aspectul pe măsura încetinirii mişcării, ajungând să prezinte întoarceri de sens cu 180 o (vezi Fig C.d). Punctul d de pe suprafańa corpului, în care se face trecerea de la curgerea în sensul general al mişcării la curgerea în sens invers (pentru o regiune din imediata vecinătate a peretelui), este punctul de desprindere a stratului limită. Editia februarie 003 Pagina 57

58 Fig În consecinńă, în spatele profilului se va forma o zonă de apă moartă (Vezi Fig A. şi C.) unde presiunea va fi foarte apropiată de cea a mediului înconjurător. RepartiŃia presiunilor pe suprafańa corpului se alterează, dând o componentă suplimentară în sensul mişcării aerului care determină creşterea rezistenńei la înaintare cu o valoare numită rezistenńă de formă. Se poate spune deci că rezistenńa la înaintare a unui profil se compune din: a. rezistenńa de formă care se datorează formei corpului şi implicit comportării stratului limită: - dacă stratul limită rămâne ataşat de profil, rezistenńa de formă este neglijabilă fańă de portanńă şi reprezintă 30% - 40% din rezistenńa de frecare; - dacă stratul limită se desprinde de pe profil, rezistenńa de formă este de acelaşi ordin de mărime cu portanńa şi mult mai mare ca rezistenńa de frecare. b. rezistenńa de frecare care reprezintă însumarea forńelor de frecare dintre curentul de aer şi suprafańa profilului. Este de cel puńin zece ori mai redusă decât portanńa. c. rezistenńa indusă la aripa de anvergură finită. Deci: R totala = R forma + R frecare + R ind C x tot = C x forma + C x frec + C x ind sau: C x total = C x profil + C x indus Făcând o sinteza a celor prezentate în acest capitol, rezultă că pentru a avea o rezistenńă la înaintare cât mai mică, profilul trebuie: 1. să prezinte o rezistenńă de formă minimă prin: - evitarea desprinderii stratului limită laminar sau turbulent; - întârzierea desprinderii stratului limită laminar sau turbulent (dacă nu este posibilă evitarea desprinderii), cu precizările: Editia februarie 003 Pagina 58

59 a. stratul limită laminar se desprinde foarte uşor, imediat după atingerea punctului de viteză maximă pe profil, nesuportând decelerarea; b. aparińia turbulenńei în stratul limită duce la întârzierea desprinderii, deoarece particulele de fluid din apropierea suprafeńei profilului prin procesele de amestec, împrumută energie de la curentul exterior.. să prezinte o rezistenńă de frecare minimă, cu precizările: a. stratul limită laminar datorită structurii interne de suprafeńe paralele care alunecă unele peste altele, prezintă tensiuni de frecare scăzute pe suprafańa profilului; b. stratul limită turbulent, ca urmare a pierderilor prin amestec datorită fluctuańiilor (vezi Fig c.) prezintă tensiuni de frecare pe suprafańa profilului foarte mari. Speculând aceste observańii, au fost înregistrate diferite modalităńi de inducere a turbulenńei în anumite zone ale aripilor sau ampenajelor diferitelor aeronave, procedeu prin care chiar dacă se măreşte rezistenńa de frecare (prin întârzierea desprinderii stratului limită), se micşorează mult rezistenńa de formă. Ca efect global, scade rezistenńa totală la înaintare InfluenŃa tipului aripii asupra desprinderii stratului limită În urma efectuării unui număr mare de experienńe în tunelul aerodinamic, s-a putut determina cu precizie comportarea stratului limită pentru diferite tipuri de aripi, în funcńie de clasa profilului sau forma în plan a aripii. A. InfluenŃa profilului S-a putut astfel constata că pentru profilele clasice groase (e ³ 15%), la unghiuri de incidenńă din ce în ce mai mari, stratul limită se comportă ca în Fig Fig Editia februarie 003 Pagina 59

60 În Fig sunt prezentate spectrele scurgerii determinate exeprimental în sufleria de spectre cu lichid pentru situańiile prezentate în Fig Se observă cu claritate zona de apă moartă care apare în urma profilului la incidenńe mari. Comparativ, în Fig este prezentată comportarea stratului limită pentru profilele subńiri şi medii, la care un element caracteristic îl constituie aparińia în stratul laminar a unei bule. IncidenŃa la care apare bula, modul în care se deplasează şi se rupe, depind de tipul şi caracteristicile profilului respectiv. O categorie aparte de profile aerodinamice în ceea ce priveşte comportarea stratului limita, o constituie profilele laminare. În Fig am prezentat curba polară C z (C x ) pentru câteva dintre acestea. Având grosimea maximă situată în a doua jumătate a corzii, curgerea pe profil este accelerată pe o distanńă mai mare în profunzime decât la profilele clasice. Stratul limită laminar se va menńine mai mult, (desprinderea va fi întârziată). RezistenŃele de formă şi frecare având valori reduse, curba C z (a) va arăta ca în Fig , unde se remarcă o scădere accentuată a rezistenńei totale la incidenńe mici. Datorită caracteristicilor speciale, profilele laminare sunt foarte sensibile la starea suprafeńei, impunându-se o întreńinere deosebită prin spălare şi lustruire. Fig Editia februarie 003 Pagina 60