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revisione del numero precedente: scienza popolare: quanti tipi di profili alari ci sono nelle ali degli aerei (1)

la velocità di decollo, atterraggio e manovrabilità dell'ala a freccia variabile, dell'ala delta e dell'ala trapezoidale non sono buone come quelle dell'ala diritta. tuttavia, la resistenza al volo ad alta velocità dell'ala diritta è troppo grande è possibile utilizzare mezzi meccanici per realizzare l'ala posteriore dell'ala. l'angolo radente può essere modificato secondo necessità durante il volo, non sarebbe il migliore dei due mondi? questa è l'origine dell'ala a freccia variabile.

il concetto di ali a freccia variabile sembra semplice, ma la sua implementazione presenta molti problemi. innanzitutto c’è la questione della stabilità del volo. man mano che l'angolo di spazzata dell'ala aumenta, il centro di portanza si sposta gradualmente all'indietro e presto ci sarà il problema che il centro di portanza è lontano dal centro di gravità. anche se la coda orizzontale enorme può sopprimerlo, porterà un'enorme resistenza , e il guadagno non varrà la perdita. per ridurre il movimento del centro di sollevamento, l'ala a freccia variabile può essere divisa solo in due sezioni. la cerniera è posizionata all'esterno della sezione interna fissa, mentre la sezione esterna mobile viene ridotta, sacrificando l'effetto dell'ala a freccia variabile. semplificare la progettazione ingegneristica.

per ridurre al minimo i problemi di stabilità del volo, la sezione mobile del su-17 rappresenta solo la metà dell'apertura alare; la sezione mobile dell'f-14 ha una proporzione maggiore, ma ha ancora una grande sezione fissa. ci sono molti problemi specifici con l'ala a freccia variabile: non è facile trovare un posto dove possa mettere radici il carrello di atterraggio sotto l'ala, il serbatoio del carburante interno all'ala non può essere progettato nella sezione mobile, il che riduce notevolmente la superficie totale interna all'ala. spazio nel serbatoio del carburante e i piloni delle armi sotto l'ala devono ruotare in sincronia con la sezione mobile per mantenere il carrello di atterraggio. le armi trasportate sono puntate in avanti e, insieme ai problemi meccanici intrinseci dell'ala a spazzata variabile, lo spazzata variabile l'ala alla fine diventerà molto pesante, il che compenserà notevolmente i vantaggi aerodinamici dell'ala a geometria variabile.

dopo una breve apparizione negli anni '60 e '70, le ali a spazzata variabile sono ora utilizzate raramente. il tu-160, che volò per la prima volta nel 1981, fu l'ultimo velivolo ad ala a spazzata variabile di nuova produzione.

per le ali rivolte in avanti, le ali grandi e le ali delta, la resistenza è ridotta attraverso l'angolo di spazzata, ma l'aria è in realtà interessata solo all'angolo di spazzata obliquo e non si preoccupa se l'ala viene spazzata all'indietro o in avanti. quindi quali sono i vantaggi delle ali rivolte in avanti? il flusso d'aria nel senso dell'apertura alare su un'ala rivolta in avanti è verso l'interno e il corpo alla fine bloccherà naturalmente il flusso nel senso dell'apertura alare, migliorando l'efficienza dell'ala nel generare portanza.

ancora più importante, le ali rivolte in avanti ritardano notevolmente il problema dello stallo all’estremità alare. l'aria è viscosa e questa viscosità forma uno strato limite (chiamato anche strato limite) sulla superficie dell'ala. nello strato limite, il flusso d'aria è lento e l'effetto di generare portanza viene perso. quando si vola ad un angolo di attacco elevato, il flusso d'aria scorre lungo l'apertura dell'ala, provocando l'accumulo dello strato limite verso l'estremità dell'ala, provocando lo stallo della punta dell'ala per prima, provocando lo spostamento del centro di portanza verso la radice dell'ala, provocando un ulteriore innalzamento del muso dell'aereo e, infine, provocando lo stallo dell'ala dell'intero aereo.

le ali rivolte in avanti sono diverse. le estremità alari sono in un flusso d'aria "pulito", l'accumulo di strato limite avviene alle radici delle ali, la perdita di portanza è piccola e gli alettoni mantengono un efficace controllo del rollio. le ali con freccia in avanti non hanno il problema dello stallo all'estremità dell'ala finché quasi l'intera ala non è andata in stallo, il che è molto più tardi di un'ala con la freccia all'indietro. ciò è vantaggioso per migliorare la manovrabilità.

l'aria è interessata solo allo "sweep" dell'ala non importa se viene spazzato in avanti o all'indietro, quindi l'ala può anche essere spazzata in avanti. l'immagine sotto dovrebbe essere l'x-29 americano, che è un altro velivolo da ricerca con ala rivolta in avanti.

tuttavia, le ali rivolte in avanti hanno anche un difetto essenziale: la divergenza aeroelastica. le ali non sono rigide, ma hanno un certo grado di flessibilità.

il flusso d'aria sulla superficie dell'ala genera portanza, e la portanza agisce sull'ala, quindi la punta dell'ala tende a torcersi verso l'alto con la radice dell'ala come fulcro. poiché il fulcro dell'ala spazzata in avanti è dietro l'estremità alare, l'estremità alare dell'ala spazzata in avanti ha una tendenza naturale a torcersi all'indietro e verso l'alto. il movimento verso l'alto fa aumentare l'angolo di attacco dell'ala locale, generando ulteriormente una maggiore portanza aggravando la torsione all'indietro e verso l'alto.

se lasciate senza controllo, le strutture possono danneggiarsi rapidamente a causa di un'eccessiva torsione. il fulcro dell'ala spazzata è davanti all'estremità dell'ala, e l'estremità dell'ala ha una tendenza naturale a ruotare in avanti e verso l'alto sotto l'azione della portanza. questo problema non si verifica quando l'angolo di attacco locale è ridotto. all'inizio, a causa delle limitazioni dei materiali, le ali rivolte in avanti non potevano risolvere il problema della divergenza aeroelastica e le ali rivolte all'indietro divennero l'unica opzione. dopo l'emergere dei materiali compositi, è stato possibile utilizzare il cosiddetto "adattamento aeroelastico", ovvero, attraverso la disposizione intelligente delle direzioni delle fibre, la rigidità strutturale è maggiore nella direzione normale che nella direzione della campata, e i problemi causati da la divergenza aeroelastica può essere abilmente superata.

informazioni sull'ala obliqua

sia le ali spazzate che le ali spazzate in avanti sono simmetriche, o i due lati vengono spostati indietro insieme, oppure entrambi i lati vengono spostati in avanti insieme. ma dal punto di vista della riduzione della resistenza aerodinamica, non vi è alcuna ragione per cui un lato non possa essere spinto in avanti e l’altro all’indietro per formare un’ala obliqua asimmetrica.

dato che non importa se si effettua una spazzata in avanti o all'indietro, va bene anche effettuare una spazzata in avanti e una all'indietro. questa è un'ala obliqua. questo è l'aereo da ricerca americano ad-1.

(durante il decollo e l'atterraggio, è piatta, proprio come un normale aereo ad ala dritta. dopo il decollo, diventa un'ala obliqua quando vola ad alta velocità, con un'estremità spostata in avanti e l'altra estremità spostata all'indietro.)

rispetto alle ali spazzate e alle ali spazzate in avanti, la distribuzione dell'area della sezione trasversale totale delle ali oblique lungo l'asse della fusoliera è relativamente uniforme, il che è vantaggioso per soddisfare la legge dell'area transonica e ridurre la resistenza transonica.

le ali oblique fisse hanno dei vantaggi, ma le ali oblique variabili sono quelle che brillano.

le ali tradizionali a geometria variabile sono problematiche per la posizione delle cerniere, ma le cerniere delle ali oblique a geometria variabile hanno solo una posizione ideale: al centro, e le altre posizioni sono superflue. poiché il peso su entrambi i lati è bilanciato, il design meccanico dell'ala obliqua spostata all'indietro è un po' più semplice, il che è come la differenza tra estendere le mani verso l'esterno per trasportare direttamente un secchio o trasportare un carico sulla spalla. aerodinamicamente, i cambiamenti nell'angolo di inclinazione mantengono anche il movimento del centro della portanza più o meno invariato, semplificando la progettazione della stabilità del volo.

l'ala obliqua risolve inaspettatamente il problema di cambiare l'ala a freccia, ma il luogo in cui l'ala obliqua può dimostrare meglio la sua superiorità è l'ala volante.

le ali e la fusoliera degli aerei tradizionali sono separate, con le ali che generano la portanza e la fusoliera che trasporta persone e merci. tuttavia, la fusoliera non genera portanza ed è un "peso morto". questo problema provoca un elevato stress sulle radici delle ali ed è strutturalmente inefficiente. il modo migliore è avere tutto il carico all'interno dell'ala, dove i requisiti di resistenza strutturale sono minimi. in teoria, se la portanza e la gravità in ogni punto dell’ala sono esattamente compensate, un aeroplano può essere realizzato di carta, riducendo al minimo il peso strutturale. naturalmente questo nella realtà è impossibile. prima di raggiungere il cielo, il peso ha già premuto attraverso la pellicola di carta. tuttavia, ciò dimostra che la direzione generale dell'ala volante, che non ha fusoliera ma solo ali, è corretta.

l'ala volante utilizza la struttura dell'ala per trasportare il carico, massimizzando l'efficienza aerodinamica della struttura ed eliminando i problemi di stress alla radice dell'ala. questo è l'american b-2

x47b

ala ellittica

se la spinta non viene generata, tutta l'energia trasferita dall'aereo nell'aria formerà resistenza e i vortici delle estremità alari sono una parte molto importante della resistenza al volo. progettare correttamente la distribuzione della portanza in modo che venga generata meno portanza vicino alle estremità alari e la resistenza generata dal flusso attorno alle estremità alari sarà naturalmente ridotta. questa è l'idea di un'ala ellittica. la famosa forma ellittica del caccia britannico spitfire aereo nella seconda guerra mondiale ecco come è nata l'ala sagomata.

la famosa ala ellittica dell'aereo da caccia britannico spitfire è progettata per ridurre il flusso all'estremità dell'ala e ottimizzare la distribuzione della portanza, come mostrato nella figura sopra.

una naturale estensione dell'ala ellittica è l'ala rotonda. l'ala circolare non solo concentra le parti che generano la portanza verso la radice dell'ala, ma è anche più conforme alla legge sull'area, soprattutto nel caso di un'ala volante circolare senza fusoliera. questo tipo di disco volante non è solo adatto a tutte le gamme di velocità, dal volo stazionario alla velocità supersonica, ma è anche uno dei preferiti dagli appassionati di fantascienza. tuttavia, è un design ideale che è difficile da abbandonare nella progettazione degli aerei il problema del controllo del volo è più difficile da risolvere. non solo il braccio di controllo è molto difficile, ma il design del motore, dell'ugello e della superficie di controllo deve essere riconsiderato.

il più estremo è ovviamente il disco volante. questo è l'avrocar canadese. è stato progettato per l'aeronautica americana, quindi è dipinto nell'aeronautica americana, come mostrato nella foto sopra.

alette

un altro modo per risolvere il problema del flusso alle estremità delle ali è utilizzare le alette, che sono alette verticali che stanno sulle estremità alari e impediscono direttamente il flusso alle estremità delle ali. aerodinamicamente, le alette estendono l'apertura alare effettiva e aumentano la portanza. se progettate correttamente, le alette possono raggiungere un'apertura alare effettiva che supera l'effettiva "apertura alare", ma le alette aumentano anche la resistenza e il peso e portano anche resistenza di interferenza aerodinamica alla transizione della superficie alare.

senza ali ellittiche o dischi volanti, le alette possono ridurre efficacemente l'impatto del flusso attorno alle estremità alari.

le alette possono essere estese verso l'alto e verso il basso allo stesso tempo, oppure possono essere estese solo verso l'alto. la scelta tra le due è naturalmente un compromesso tra l'aumento della portanza e la riduzione del peso e della resistenza. le alette rappresentano un approccio molto efficace quando si sfrutta il potenziale di vecchi progetti o quando l'apertura alare è limitata dalle condizioni dell'aeroporto. ma quando si progetta un’ala da zero, aumentare la campata è spesso più semplice ed efficace.

una breve storia dello sviluppo delle alette

le alette non solo si ribaltano verso l'alto, ma possono anche abbassarsi. questa è l'ala dell'a320.