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請問渦槳飛機外型氣動變化原因

 孤獨獅子兔 2016-08-20

先上照片

DC4

Y9

請看DC4,60年代之前的飛機,,機翼尖和機尾,,都比較圓潤,也比較符合直覺中的低速氣動,。再看Y9,,翼尖都是方的,垂尾本體和垂尾與機身的過渡,,也都是硬角+直線過渡,;其實平尾也從曲線變成了直線+硬角。

外觀上,,現(xiàn)代設(shè)計不如40年代美觀,,但氣動上為什么要這樣呢,,一定有較為進步的理論依據(jù),,哪位能給解釋一下,?

另外,DC客機,,從DC3直到DC9,,甚至Lockheed C130,都有一個顯著特征,,就是駕駛艙前風(fēng)擋玻璃,,與機鼻形成一個明顯的、類似轎車一樣的折角,,這明顯是阻力啊,,為什么存在了70年,新造C130還在保留,?Y9就比較圓潤,。

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機翼圓潤造型最典型的例子是噴火,其機翼是橢圓形的:

但要糾正一個小問題,,并非是渦槳飛機外型變化,,其實早期螺旋槳、渦槳和噴氣飛機都有圓潤的例子,。

題主提到的DC-4實際上不是渦槳飛機,,而是活塞飛機,比起前輩DC-3,,它的圓潤度已經(jīng)差些了,。

而1960年代以前的渦槳飛機也有棱棱角角的,比如1952年的圖-95

就連噴火,,也有切尖機翼的Mk XXIV型

不曬圖了,,直接說為啥吧。首先,,無論哪個部分做圓滑,,都由于減小空氣阻力,但與其他部分相比,,機翼翼尖圓潤有著特殊的意義,。

機翼靠伯努利效應(yīng)行程的上下表面壓力差產(chǎn)生升力,下翼面氣流壓力大,,會繞翼尖后向上翻滾,,形成翼尖渦流,帶來誘導(dǎo)阻力,。某些情況下,,誘導(dǎo)阻力可以達到飛機總阻力的15-30%,翼尖渦流也會影響飛機的飛行品質(zhì)。


通常來說,,展弦比越?。C翼長度與寬度之比),誘導(dǎo)阻力越大,,也就是說細長的機翼阻力更小,。但是,早期材料結(jié)構(gòu)設(shè)計無法支撐過長的機翼,,機場和設(shè)施條件也限制機翼長度,,機翼必然有一定寬度才能保持足夠的面積。這時候,,圓滑翼尖形狀就成為減小翼尖渦流的有效辦法了,。

理論上,水平尾翼和垂直尾翼只要有兩側(cè)壓力差,,也有翼尖渦流和誘導(dǎo)阻力問題,,只是與機翼相比問題小多了。

但是,,無論機翼翼尖還是機身其他部分,,做成圓潤造型都增加了工藝復(fù)雜性,增加了結(jié)構(gòu)重量,,增加了制造成本和周期,。噴火的機翼制造就比較麻煩昂貴。幾方面是必須做權(quán)衡的,。

隨著空氣動力學(xué)的進步,,翼尖修形的問題也暴露出來,橢圓形或翼尖迅速收細的機翼由于升力分布問題,,翼尖比翼根更容易失速,。圓形翼尖部分由于壓力分布,雖然誘導(dǎo)阻力小,,升力也有明顯損失,。

設(shè)計、材料,、結(jié)構(gòu),、加工的進步,開始出現(xiàn)了更長的展弦比,、后掠翼,、三角翼,圓潤翼尖的作用就顯得多余了,,反而是累贅,。等到跨音速,、超音速時代,超音速阻力下這些修形反而增加了波阻,。

后來的很多亞音速飛機,,不但有較長的展弦比和后掠角,還有翼梢小翼來減小誘導(dǎo)阻力,,效率遠高于圓形翼尖,。即便如此,,很多飛機還要考慮翼梢小翼的結(jié)構(gòu)重量,、成本和效率,舍棄翼梢小翼,,圓形翼尖更沒有什么市場了,。

其他翼面和機身其他地方的圓潤修形也是類似。很多圓潤修形看上去非常有助減少阻力,,隨著設(shè)計經(jīng)驗累積,、風(fēng)洞試驗?zāi)芰υ鰪娔酥劣嬎銠C輔助,設(shè)計師意識到不是所有地方圓潤修形都有那么大的減阻作用,。飛行速度增加后,,這些修形反而要求更大的結(jié)構(gòu)強度和重量,真真得不償失,,所以現(xiàn)在飛機上圓潤修形設(shè)計越來越少,。

最后說說風(fēng)擋問題。1950-60年代以后,,大中型飛機機身不斷加長,,越來越直線,除了機頭和機位一小部分收小,,中端一大段都是圓柱體,、立方體。因為這個設(shè)計下,,可以在最小的機身截面積獲得最大的機內(nèi)空間,。最小的機身截面意味著最小的阻力、最輕的結(jié)構(gòu)重量,、和更好的結(jié)構(gòu)強度,。這樣一來,機頭部分拉尖的長度就小了,,機鼻更鈍圓了,,風(fēng)擋和機鼻的折角必然減小或消失。

從空氣動力學(xué)角度看,,由于機身加長,,機鼻和機尾流線型的阻力因素減小了,,反而到是浸潤面積帶來的阻力更突出了。所謂浸潤面積是指飛機表面彎彎曲曲的“潮面積”,,外形越復(fù)雜阻力越大,。折角減小會減小這種阻力,這就解釋了為什么新的大型飛機駕駛室風(fēng)擋折角明顯變小,。

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