Aerodynamisches Verhalten eines Modellflugzeugs: Die DC-6B

Quelle: Jose Roberto Moreto und Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA

Der Low-Speed-Windkanal ist ein wertvolles Werkzeug, um aerodynamische Eigenschaften von Flugzeugen zu untersuchen und die Leistung und Stabilität von Flugzeugen zu bewerten. Mit einem Maßstabsmodell eines DC-6B-Flugzeugs mit abnehmbarem Heck und einer 6-Komponenten-Außenkraftbilanz können wir den Hubkoeffizienten (C_L), den Luftwiderstandskoeffizienten (C_D), den Pitching-Moment-Koeffizienten ( C) messen. _M) und Gähnmomentkoeffizient (C_N) des Modellflugzeugs mit und ohne Schwanz und bewerten die Auswirkungen des Schwanzes auf die aerodynamische Effizienz, Längsstabilität und Richtungsstabilität.

In dieser Demonstration werden die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeugs sowie die Flugleistung und Stabilität mit der aerodynamischen Kraftbilanzmessungsmethode analysiert. Diese Methode ist weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrtindustrie und Forschungslabors für die Flugzeug- und Raketenentwicklung. Hier wird ein Modell DC-6B Flugzeug unter verschiedenen Strömungsbedingungen und Konfigurationen analysiert, und sein Verhalten wird analysiert, wenn es plötzlichen Änderungen ausgesetzt ist.

Um die aerodynamischen Eigenschaften zu bewerten, ist es wichtig zu bestimmen, wie sich die aerodynamischen Koeffizienten in Bezug auf die Flugeinstellung, d. h. den Angriffswinkel, den Gähnwinkel und den Rollwinkel, für eine bestimmte Flugbedingung ändern. Das aerodynamische Kraftgleichgewicht ist eine weit verbreitete Methode, um die Kräfte und Momente eines Modells direkt zu messen. Aus den gemessenen Kräften und Momenten sowie der Luftstromtemperatur, dem statischen Druck und dem Gesamtdruck können die aerodynamischen Koeffizienten für mehrere Angriffs- und Gähnwinkel ermittelt werden.

Es ist möglich, die aerodynamischen Eigenschaften eines Großobjekts durch Dieprüfung eines Kleinmodells zu erhalten, sofern die dynamische Ähnlichkeitsbedingung erfüllt ist und die entsprechenden Korrekturen vorgenommen werden. Bei einem inkompressiblen stetigen Fluss ist der relevante Ähnlichkeitsparameter die Reynolds-Zahl, die auf einer richtigen Referenzlänge basiert.

Bei einem Flugzeug mit niedriger Geschwindigkeit, wie dem DC-6B, können die aerodynamischen Eigenschaften in einem kleinen Windkanal mit niedriger Geschwindigkeit gemessen werden, da es möglich ist, die Reynolds-Zahl für die gleichen Flugbedingungen zu entsprechen. Unter diesen Bedingungen kann man die Abhängigkeit von Drag and Lift auf den Angriffswinkel erhalten. Diese Abhängigkeit von Alpha kann verwendet werden, um die Flugzeugleistung zu bewerten.

Sobald die aerodynamischen Koeffizienten für mehrere Bedingungen und Konfigurationen gemessen werden, z.B. mit zwei unterschiedlichen Heckgeometrien, heben die Stabilitätsderivate (dC_M/d', dC_N/d'), die Steigung ( dC_L/d'),maximaler Hubkoeffizient, maximales Hub-Zu-Ziehen-Verhältnis und andere aerodynamische Eigenschaften gefunden werden. Anhand dieser aerodynamischen Koeffizienten können die Auswirkungen von Änderungs- oder Konstruktionsentscheidungen auf die Stabilität und Leistung des Flugzeugs bestimmt werden.

Die Stabilitätsderivate geben an, ob das Flugzeug stabil oder instabil ist. Wenn beispielsweise der Angriffswinkel des Flugzeugs aufgrund einer Windböe plötzlich zunimmt, charakterisiert die Reaktion des Flugzeugs seine Stabilität. Wenn der Angriffswinkel auf unbestimmte Zeit weiter zunimmt, gilt das Flugzeug als instabil. Wenn jedoch der Angriffswinkel zu seinem ursprünglichen Wert zurückkehrt, der Haltung vor der Böe, gilt das Flugzeug als stabil. Dasselbe gilt für die Richtungsstabilität; Wenn die Tendenz des Flugzeugs nach einer plötzlichen Änderung in seinen ursprünglichen Gähnwinkel zurückkehrt, gilt das Flugzeug als richtungsstabil.

In dieser Demonstration wird das aerodynamische Kraftgleichgewicht für Kraft- und Momentmessungen in einem Windkanal eingeführt. Um die Beiträge der Stützstreben und das Gewicht des Modells zu entfernen, wird die Waage geteert, um sicherzustellen, dass die endgültigen Ergebnisse auf aerodynamische Kraft und Momente nur auf das Flugzeug zurückzuführen sind. Darüber hinaus veranschaulicht diese Demonstration die Wirkung eines Schwanzes in einem konventionellen Flugzeugdesign und seine Bedeutung für die Längs- und Seitenstabilität von Flugzeugen.

Die DC-6B Modelleinrichtung auf der aerodynamischen Kraftbalance wird unten angezeigt.

Abbildung 1. Montiertes DC-6B Modell. A) DC-6B Modell im Low-Speed-Windkanal-Testabschnitt mit externer aerodynamischer Waage. B) DC-6B Modell auf der Waage durch drei Gelenkpunkte montiert. Es gibt auch einen Gähnwinkel-Steuermotor, Pitch-Control-Motor und eine elektronische Ebene, um den Steigungswinkel zu kalibrieren.

Abbildung 2. Low-Speed-Windkanal-Bedienfeld. Der Steigungswinkel und der Gähnwinkel können während der Tests mit laufendem Windkanal elektronisch vom Panel aus gesteuert werden.

1. Kalibrierung der Einrichtung

1. Sperren Sie die Außenbilanz auf dem Windkanal-Bedienfeld.
2. Installieren Sie die Federbeine auf der aerodynamischen Waage, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Streben sind an der Waage verschraubt.
3. Stellen Sie den Gähnwinkel auf Null ein, indem Sie den Knopf am Gähnmotor einstellen, und stellen Sie den Steigungswinkel mit dem Pitch-Motor auf Null ein. Der Steigungswinkel sollte mit einem elektronischen Pegel kalibriert werden. Die Messungen werden zunächst in verschiedenen Winkeln durchgeführt, wobei nur die Federbeine an Ort und Stelle und kein Modellflugzeug vorhanden sind. Dadurch können die Effekte der Federbeine aus dem Flugzeug subtrahiert werden.
4. Schalten Sie das System für die Erfassung der Computer- und der externen Waagenkrafteinerfassungeinschaltsystem ein. Es ist notwendig, das System mindestens 30 min vor dem Testen einzuschalten.
5. Öffnen Sie die Messsteuerungssoftware.
6. Zeichnen Sie den Raumdruck und die Temperatur auf. Achten Sie darauf, den luftometrischen Druck mit der lokalen Temperatur und der lokalen Schwerkraft zu korrigieren.
7. Prüfen Sie, ob der Prüfabschnitt und der Windkanal frei von Schmutz und lösenden Teilen sind, und schließen Sie dann die Prüfabschnittstüren.
8. Entsperren Sie die Außenbilanz und stellen Sie die Windkanalgeschwindigkeit auf Null ein.
9. Schalten Sie das Windkanal- und Windkanalkühlsystem ein.
10. Zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf.
11. Stellen Sie den dynamischen Druck auf 7 Zoll H₂O ein und zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf.
12. Verwenden Sie die Gähnensteuerung, um den Gähnwinkel auf 5° einzustellen. Stellen Sie den dynamischen Druck bei Bedarf auf 7 Zoll H₂O ein.
13. Zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf. Ändern Sie den Gähnwinkel auf 10°. Stellen Sie den dynamischen Druck bei Bedarf auf 7 Zoll H₂O ein.
14. Zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf.
15. Schalten Sie den Windkanal aus und sperren Sie die Außenwaage.
16. Installieren Sie das DC-6B-Modell mit eingeschaltetem Heck.
17. Kalibrieren Sie den Angriffswinkel und die Tonhöhenanzeige. Kalibrieren Sie den Steigungswinkel vor dem Test mit einem elektronischen Level.
18. Entsperren Sie den Außensaldo.
19. Stellen Sie den Angriffswinkel ein, indem Sie die Nase auf dem Bedienfeld Abbildung 2 nach oben oder unten drücken. Angriffswinkel für die Prüfung = -6°, -4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°.
20. Zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf.
21. Wiederholen Sie die Schritte 1.19 bis 1.20, und erhöhen Sie schrittweise den Angriffswinkel, bis alle Testpunkte abgeschlossen sind.
22. Setzen Sie den Angriffswinkel auf Null zurück und setzen Sie den Gähnwinkel. Yaw-Winkel für die Prüfung von n = 0°, 5°, 10°.
23. Zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf.
24. Wiederholen Sie die Schritte 1.22 bis 1.23 schrittweise, um den Gähnwinkel schrittweise zu erhöhen, bis alle Testpunkte abgeschlossen sind.
25. Sperren Sie die externe Waage und entfernen Sie den Schwanz aus dem DC-6B-Modell. Installieren Sie den Schwanzkegel, und wiederholen Sie die Schritte 1.19 bis 1.24.
26. Wenn alle Daten erfasst wurden, schalten Sie das Windkanalkühlsystem aus, sperren Sie die Außenbilanz und schalten Sie den Windkanal aus.

2. Prüfung bei Windgeschwindigkeiten ungleich Null

1. Prüfen Sie, ob der Prüfabschnitt und der Windkanal frei von Schmutz und lösen den Teilen sind, und schließen Sie dann die Prüfabschnittstüren.
2. Stellen Sie den Neigungswinkel auf Null ein.
3. Entsperren Sie den Außensaldo.
4. Stellen Sie das Drehrad des Windkanals auf Null ein und schalten Sie den Windkanal und das Windkühlsystem ein.
5. Zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf.
6. Stellen Sie den dynamischen Druck auf 7 Zoll H₂O ein.
7. Stellen Sie den Angriffswinkel ein, beginnend mit der Option . Angriffswinkel für die Prüfung = -6°, -4°, -2°, 0°, 2°, 4°, 6°, 8°, 10°.
8. Stellen Sie den dynamischen Druck bei Bedarf auf 7 Zoll H2O ein und zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf.
9. Wiederholen Sie die Schritte 2.7 - 2.8 schrittweise, um den Angriffswinkel zu erhöhen, bis alle Testpunkte ausgeführt werden.
10. Setzen Sie den Angriffswinkel auf Null zurück und legen Sie den Gähnwinkel fest. Folgende Gähnwinkel sollten getestet werden: = 0°, 5°, 10°.
11. Stellen Sie den dynamischen Druck bei Bedarf auf 7 Zoll H2O ein und zeichnen Sie die Gleichgewichtskräfte und Momente auf.
12. Wiederholen Sie die Schritte 2.10 - 2.11 schrittweise, um den Gähnwinkel zu erhöhen, bis alle Testpunkte ausgeführt werden.
13. Verringern Sie langsam die Fluggeschwindigkeit auf Null, dann sperren Sie die externe Waage.
14. Entfernen Sie den Schwanzkegel des DC-6B-Modells, und installieren Sie den kompletten Schwanz.
15. Wiederholen Sie die Schritte 2.7 bis 2.12.
16. Wenn alle Daten erfasst wurden, schalten Sie das Windkanalkühlsystem aus, sperren Sie die Außenbilanz und schalten Sie den Windkanal aus.

In dieser Demonstration wurden die Leistungs- und Stabilitätseigenschaften eines DC-6B-Modells in zwei Konfigurationen gemessen. In einer Konfiguration wurde ein herkömmlicher Flugzeugschwanz am Modell befestigt (Tail-on), und in der zweiten Konfiguration wurde der Schwanz entfernt und durch einen Kegel (Schwanzabschwanz) ersetzt. Für jede Konfiguration wurde die Variation des Hub- und Luftwiderstandskoeffizienten mit dem Angriffswinkel ermittelt (Abbildung 3). Die Variation des Tonhöhenmoment-Koeffizienten und des Gähnmoment-Koeffizienten in Bezug auf Angriffswinkel und Beta wurde ebenfalls untersucht (Abbildung 4).

Die Ergebnisse zeigen die aerodynamischen Effekte des Schwanzes. In Abbildung 3 erhöht der Schwanz zwar den maximalen Hub und den Luftwiderstand, aber insgesamt verringert der Schwanz die aerodynamische Leistung. Wenn der Schwanz ausgeschaltet ist, ist das Modell längs und richtungsweisend instabil (Abbildung 4). Daher ist der Flugzeugschwanz notwendig, um Stabilität zu erreichen, auch wenn es zu einer geringeren Flugzeugleistung führen könnte.

Abbildung 3. Leistungsbewertungskurven für Tail-on- und Tail-off-Konfigurationen. A) Hubkoeffizient vs. B) Ziehkoeffizient vs. C) Ziehen Sie polar; und D) L/D vs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4. Leistungsbewertungskurven für Tail-on- und Tail-Off-Konfigurationen. A) Tonhöhenmomentkoeffizient vs. B) Yaw-Moment-Koeffizient vs. . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Prüfung eines Kleinmodells mit einer aerodynamischen Balance in einem Windkanal ermöglicht die Bestimmung der wichtigsten aerodynamischen Eigenschaften eines Flugzeugs. Ein 6-Komponenten-Gleichgewicht misst drei Kraftkomponenten, Hub-, Ziehen und Seitliche Kräfte sowie drei Momentkomponenten, Pitch-, Gähn- und Rollmomente.

Wenn die dynamische Ähnlichkeit zwischen dem Full-Scale-Objekt und dem Modell erreicht wird, z. B. die Reynolds-Zahl bei inkompressiblen stetigen Strömungen gleich ist, gelten die aerodynamischen Koeffizienten, die mit dem Kleinmodell erzielt werden, auf die Objekt- und aerodynamische Eigenschaften, wie Leistung und statische Stabilität, können bestimmt werden.

Kraft- und Momentmessungen durch eine Außenwaage in einem Windkanal haben mehrere Anwendungen. Diese Methode ist in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet; Es wurde jedoch erfolgreich in Forschung und Entwicklung in vielen Bereichen eingesetzt, zum Beispiel im Marinetechnik, in der Automobilindustrie und im Tiefbau.

Es gibt mehrere Anwendungen in der Marinetechnik. So werden beispielsweise Segelboote und Rennboote erheblich von aerodynamischen Kräften beeinflusst, und ihre Auswirkungen auf das Schiff müssen berücksichtigt werden, um die Leistung zu optimieren. Bei der Konstruktion von Schiffen mit niedriger Geschwindigkeit sollten aerodynamische Kräfte in Betracht gezogen werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Gesamtleistung zu verbessern.

Eine weitere Branche, die von Windkanaltests profitiert, ist die Automobilindustrie. Windkanaltests werden verwendet, um die Zugkräfte, Seitenkräfte und Momente zu bestimmen, die ein Auto erlebt. Dies ist heute eine gängige Praxis für die Entwicklung von Neuwagen, da diese Technik zu wettbewerbsfähigeren und effizienteren Designs führt.

Windkanalprüfungen für Kraftmessungen sind nicht auf die Leistungsoptimierung beschränkt. Im modernen Tiefbau werden Windkanaltests eingesetzt, um die Sicherheit zu erhöhen. Es gibt hohe und schlanke Wolkenkratzer, die starken Windböen ausgesetzt sind. Diese Windböen erzeugen hohe Belastungen, die bei der Gebäudeplanung berücksichtigt werden müssen, um einen Gebäudeeinsturz zu vermeiden. Dies gilt auch für Brücken, die in Windkanälen getestet werden müssen, um die Sicherheit zu gewährleisten.

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