Caracteristicile de zbor ale unei aeronave

Sarcina de lucru pentru elevi:

Modulul: Bazele teoretice ale fenomenelor aerodinamice
Calificarea: Maistru mecanic
Specializarea: Aeronave si motoare de aviație
Nivel: Anul I, Postliceală

Proiectați forma aripii și evaluați performantele stabilității și maniabilitatii unui aparat de zbor pentru zbor orizontal, având în vedere următorii parametri:

• unghiul de incidenta critica α=10°,
• viteza vântului 20m/s,
• lungimea coardei 1,5m,
• temperatura 20° C,
• numărul Reynolds 1.9×105

În realizarea sarcinii de lucru, veți avea în vedere următoarele elemente teoretice și practice:

Condițiile zborului orizontal (Înălțimea constantă (H = ct.), deci densitatea aerului =ct. (ρ = ct.); Viteza constantă (V = ct.))
Pentru H=ct: portanța (Fz) trebuie să fie egală cu greutatea (G).
Fz =G= ρ/2*V^2*A*Cz
Pentru V =ct: forța de tracțiune (Ft) trebuie să fie egală cu rezistența la înaintare (Fx).
Ft= Fx = ρ/2*V^2*S*Cx
În aceste relații, greutatea (G) este cunoscută, iar densitatea (ρ) depinde de presiunea atmosferică (Pa în mmHg) și temperatura absolută (TºK =tºC-273º).
Caracteristicile de zbor în funcție de unghiul de incidență.
Caracteristicile de zbor ale unei aeronave sunt determinate de valorile unghiului de incidență (α) la care se execută zborul respectiv. El definește valorile coeficienților de portanta Cz și coeficientul de rezistenta la înaintare Cx pentru un anumit profil aerodinamic.
Caracteristicile de zbor ale unei aeronave depind și de raportul dintre Cz și Cx, numită și finețe aerodinamică (K), Cl/Cd
K=Cz/Cx
Această variază după o curbă, în funcție de unghiul de incidență.
Unghiul pentru care finețea este maximă, se numește „unghi de incidență optim” (α optim). Coeficienții aerodinamici Cz și Cx se pot reprezenta, înglobat în diagrama polară a aeronavei, formată de fapt din valorile comune fiecărui unghi de incidență scoase din curbele polare.
Zburând cu anumite unghiuri de incidență pe o traiectorie dată, aeronava realizează performanțe proprii posibile –performanțe care nu se pot repeta la alte unghiuri de incidență.
Din context se poate numi ca viteza de zbor (Vzb.) este un „traductor” al unghiului de incidență a zborului orizontal.
Unghiul de incidență prestabilit pentru un zbor orizontal, se realizează zburand cu viteza necesară (Vn) realizarii unghiului respectiv (α optim).
Necesitatea reducerii la maxim a rezistenței la înaintare (Fx) parazitare a fuzelajului, impune ca la regimul de zbor cel mai utilizat (in funcție de destinația aeronavei) axul aerodinamic al fuzelajului să rămână paralel cu traiectoria de zbor.
Pentru îndeplinirea acestui lucru, constructorul „calează” aripa pe fuzelaj, la un unghi corespunzător unghiului de incidență, pentru asigurarea zborului orizontal, în funcție de destinația aleasă.
Pentru motorul cu piston, fără compresor, puterea motorului este maximă la sol. Pe măsură ce înălțimea (H) crește puterea motorului scade. La o anumită înălțime de zbor puterea motorului va fi 0.
Pentru motorul cu piston cu compresor, puterea motorului crește până la o anumită înălțime (înălțimea de restabilire –Hrestabilire), după care puterea motorului scade cu creșterea înălțimii. Motorul cu piston cu compresor zboară la o înălțime (H) mai mare decât motoarele fără compresor. Hrestabilire este avantajoasă pentru zbor, deoarece aici puterea motorului este maximă.
Diagrama de performanțe a aeronavei
Caracteristicile de zbor ale unei aeronave sunt în esență determinate de valorile unghiului de incidență la care se execută zborul respectiv. Unghiul de incidență (α) determină valorile coeficienților Cx (Cd) și Cz (Cl) pentru o aeronavă.
Cz=f_1 (<i)
Cx=f_2 (<i)
K=Cz/Cx=f_3 (<i)
Coeficienții aerodinamici Cz și Cx se pot reprezenta într-o diagramă polară formată de fapt din valorile comune fiecărui unghi de incidență scoase din curbele Cz funcție de unghiul de incidență și Cx, funcție de unghiul de incidență.

Rezultate așteptate ale învățării (competențe și/sau obiective):

O1. Să identifice concepte, teorii metode si principii de baza ale dinamicii fluidelor, aerodinamicii si stabilității zborului
O2. Să utilizeze cunoștințe de bază pentru explicarea si interpretarea diferitelor tipuri de regimuri de zbor si evoluții ale aeronavelor realizate prin metode si procedee specifice aerodinamicii si dinamicii zborurilor
O3. Să aplice principii si metode de baza pentru proiectarea configurațiilor aerodinamice pentru evaluarea performantelor si stabilității zborului.

Tip de activitate: Activitate în clasă
Sarcina de lucru se va realiza: În colaborare

Modul probabil de desfășurare a activității:

Pentru realizarea sarcinii didactice, elevii vor folosi medii de programare si aplicații software specifice pentru realizarea de simulari in domeniul ingineriei aerospațiale cum sunt aplicația NACA Airfoil Sections http://airfoiltools.com/ . Vor calcula numarul Raynolds cu ajutorul aplicatiei http://airfoiltools.com/calculator/reynoldsnumber . Pentru calculul si analiza distribuției de presiune asupra profilului NACA cu ecuațiile Navier-Stokes vor folosi programele: Matlab - dedicat calculului numeric şi vizualizării datelor prin intermediul reprezentărilor grafice - si Simulink - pachet de programe pentru modelarea, simularea şi analizarea sistemelor dinamice.