P: As asas da caixa sofrem arrastamento induzido da mesma maneira que as asas normais?
A: Sim e não. As aeronaves Box Wing sofrerão um arrasto induzido da mesma forma que qualquer aeronave, se forem veículos mais pesados que o ar e estiverem usando suas asas para voar. O arrasto induzido é uma função do carregamento finito de span e moderado de várias maneiras para melhorar a eficiência do projeto em um determinado carregamento de span. Assim, a quantidade de arrasto, e a maneira como ela é criada e evitada, difere para uma asa de caixa e um monoplano da mesma extensão. Hoje, esse tópico de arrasto induzido inclui definições completamente diferentes das ensinadas nas referências seminais sobre o assunto. Mesmo se alguém estiver falando da mesma coisa, o tópico ouvirá argumentos de dois campos diferentes: aqueles que aderem à matemática representativa e aqueles que se concentram na física real, não cartesiana e não didática, caso a caso . É bastante justo dizer que os primeiros são mais opinativos do que os segundos, pois os últimos sabem menos até mais tarde.
O trabalho de uma asa é empurrar e puxar eficientemente o ar para baixo à medida que avança. Essa ação causa uma reação newtoniana e um diferencial de pressão de Bernoulli, resultando em elevação.
Fazer a elevação dessa maneira faz com que o ar próximo também seja afetado, como resultado secundário dependente do tempo. É preciso "cair na calha descendente do ar" para que as asas se desloquem para baixo.
Esse movimento secundário causa movimentos rotacionais (totalmente inevitáveis) na zona de "vigília" entre o ar movido diretamente pelas asas e o ar estacionário próximo, envolvendo mais massa de ar do que o avião precisava para se mover apenas para obter a sustentação necessária. (A diferença de momento é literalmente o arrasto induzido, embora normalmente o ensinemos de maneiras mais relacionadas a como o arrasto induzido é visualizado e computado no 2-D. Outras respostas postadas aqui ilustram isso em termos convencionais.)
O vórtice de arrasto e ativação induzido NÃO pode ser eliminado para qualquer sistema de asa de elevação. No entanto, a maioria dos projetos de asas de aeronaves permite que algo mais aconteça, que aumenta muito esse custo de levantar com uma envergadura finita: eles deixaram altas pressões sob a asa estar "muito perto" do baixas pressões acima da asa para a quantidade de diferença de pressão que se desenvolveu em voo. Se houver uma alta pressão diferencial na ponta da asa, um forte vórtice tipo tornado se formará ali.
Permitindo a formação de qualquer gradiente forte entre baixa e alta pressão fará com que o ar se mova em direção à baixa pressão em alta velocidade, se puder. O arrasto aumenta exponencialmente com as velocidades transmitidas ao ar; portanto, os designers usam uma variedade de abordagens para impedir que essa equalização aconteça rapidamente. Quanto mais lento, menos energia cinética é transmitida ao ar pelo avião.
É aqui que o Boxwings tem uma maneira totalmente diferente de reduzir o arrasto induzido, em comparação com uma asa normal: eles colocaram um muro entre a baixa pressão acima da asa e a pressão mais alta em qualquer outro lugar. A "parede" pode ser mais alta que uma asa, porque tem uma asa acima para ajudar a resistir às forças que a empurram pelo lado. Na conexão da asa superior, a superfície vertical semelhante a uma parede de uma asa de caixa também fica entre a pressão mais alta sob a asa e a pressão mais baixa em qualquer outro lugar.
Se um projetista faz um bom trabalho com essa ideia (muitos não), as superfícies da asa biplana e as superfícies verticais do sistema de asa de caixa moderam a velocidade dos fluxos de ar induzidos por gradiente, agindo contra os fluxos indesejáveis no espaço 3-D. Eles se tornam mais eficazes nisso com maior espaçamento vertical.
A maneira mais fácil e eficaz de reduzir o arrasto induzido é simplesmente aumentar a envergadura ou reduzir o peso do veículo. À medida que uma asa fica mais longa, a parte do elevador que cada unidade da asa precisa fazer é reduzida, o que significa que ela terá um menor diferencial de pressão entre as superfícies superior e inferior. As práticas recomendadas exigem que esse diferencial seja minimizado na ponta, para que o gradiente seja enfraquecido. O resultado é que um gradiente de pressão mais fraco e uma distância maior entre pressões baixa e alta manterão as velocidades de equalização baixas.
No entanto, à medida que uma aeronave fica mais pesada ou mais rápida, essa abordagem se torna muito cara e depois impossível. As limitações de resistência do material impõem limites definidos à envergadura das aeronaves convencionais.
Surpreendentemente, as asas da caixa não se saem melhor ... talvez pior. O que parece ser uma vantagem estrutural, na verdade, apenas concentra as forças de flexão, geradas por cada asa, nos cantos da caixa. Torná-los fortes o suficiente rapidamente se torna excessivamente pesado. Portanto, uma aeronave de asa de caixa deve, como um biplano, ter uma extensão menor do que um monoplano de arrasto induzido equivalente. Sua eficiência de extensão produz mais frutos entre os projetos de extensão curta, do que onde a envergadura pode ser aumentada.
Pode-se pensar que essa vantagem produziria frutos indiretamente, através da velocidade. Quanto mais rápido uma aeronave voa, para um determinado período de carga, menor será o arrasto induzido. De fato, em altas velocidades do ar indicadas, o arrasto induzido se torna um pequeno componente do arrasto total. No entanto, outros aspectos do design das asas de caixa parecem ter impedido as soluções de asa de caixa de alta velocidade; notavelmente estabilidade; e "interferência arrastada".
Em um design de asa de caixa, há um conjunto para frente de asas de elevaçãoE um conjunto traseiro de asas de elevação. Em vôo de alta velocidade, essa configuração não pode responder tão estável ou rapidamente a determinadas condições como uma asa com uma cauda (de elevação para baixo).
Quando configurado como um arranjo de asa de elevação em tandem sem um estabilizador, como é típico das versões modernas, boxwings tem que equilibrar em seu centro combinado de elevação, e não à frente, como fazem as aeronaves convencionais, graças à influência estabilizadora de uma cauda que empurra na direção oposta. Esses comportamentos de limitação e de tandem-asa colocam desafios, demandas inerentes em projetos boxwing que restringem seu sucesso em velocidades de vôo mais altas.
Como observado acima, eles também criam interferência. Esse tipo de arrasto pode ser difícil de prever e também é amplamente mal compreendido. Na prática, o arrasto por interferência inerente do 3-D de um projeto de aeronave com asas de caixa reduz bastante a vantagem teórica do 2-D da configuração para obter benefícios de arrasto induzidos. É por isso que eles não são como "asas normais".
Como mencionado no post original, há uma nova configuração de aeronave que muitas vezes é confundida com um design de asa de caixa. No entanto, não é nada parecido com eles. Chama-se configuração de cauda de caixa ou cauda de caixa dupla. Eu sou o designer do Aeronaves Synergy double boxtail, que é a primeira aeronave a ser desenvolvida.
Esses atributos um tanto decepcionantes da configuração lógica da asa de caixa estavam no centro das questões durante o longo período de desenvolvimento da Synergy. Era meu desejo utilizar alta eficiência de amplitude e fluxo laminar em um projeto de aeronave de alta velocidade, evitando pousos em alta velocidade e comportamentos imprevisíveis e instáveis em baixas velocidades. Um vídeo de um modelo em escala 25% em voo e uma visão geral básica podem ser vistos em synergyaircraft.com. Um post sobre o tema boxwings também pode ser encontrado lá.
Para obter mais informações sobre eficiência de amplitude e configurações não planas, Ilan Kroo publicou uma visão geral muito completa do assunto. O gráfico abaixo é adaptado de um que aparece em seus trabalhos. Ele mostra como o arrasto induzido pode ser combatido no espaço 3-D, afastando-se de uma asa plana e plana para a dimensão vertical. A Synergy constrói esse entendimento ainda mais, nas dimensões longitudinal e temporal, de acordo com os conceitos avançados por George C. Greene na NASA Langley.
