Como um jato de combate executa manobras boas e rápidas com asas tão pequenas?

Aeronaves de combate (de combate) são projetadas para executar manobras rápidas a fim de se posicionar rapidamente para atacar e abater uma aeronave inimiga ou escapar de ameaças (como mísseis, etc.). Aviões civis como aviões de passageiros são projetados com outras coisas em mente, como conforto, segurança, consumo reduzido de combustível, etc.

As asas são apenas uma parte da história na realização de manobras como as realizadas em manobras de combate aéreo, que dependem de várias características de aeronaves, como

• Potência - Para realizar a maioria das manobras (como wingover), o excesso de potência disponível é importante. Aviões de caça têm mais potência em excesso, o que se traduz em mais aceleração. Isso permite entrar em manobras rapidamente em comparação com a aeronave civil. Em caso de emergências, a aeronave de combate pode usar seus pós-combustores para obter um poder extra significativo.

• Relação entre o peso e o peso - A maioria dos lutadores modernos tem altos relações entre o peso e o peso , normalmente mais de 1 (o que lhes permite acelerar na subida vertical). Isso permite que os caças acelerem muito mais rápido em comparação com a aeronave civil. Por exemplo, o F-15 (> 1) tinha uma relação empuxo-peso mais três vezes que o Concorde (~ 0,33).

Fonte: strategypage.com

• Estabilidade A maioria das aeronaves de caça hoje é projetada para ser instável. Isso faz com que a aeronave responda às entradas de controle muito mais rapidamente em comparação com os aviões de passageiros (que geralmente não são instáveis no eixo de rolagem). Isso significa que a aeronave de combate é capaz de manobrar muito mais rapidamente.

• Inércia No caso de asas grandes, a inércia do rolamento é muito alta. Isso impede que eles realizem manobras rápidas. Além disso, o amortecimento das grandes asas também deve ser considerado. No caso de caças, no entanto, as asas curtas, com menor inércia, ajudam a atingir altas taxas de rolagem.

• Carregamento de asa Quanto menor o carregamento de asa , melhor será o desempenho de giro . A maioria das aeronaves de combate emprega um design de asa-fuselagem misturada, que reduz a carga nas asas. Por exemplo, o Eurofighter Typhoon (~ 300 kg / $ m ^ {2} $) tem cerca de metade do carregamento das asas A380 (> 600 kg / $ m ^ {2} $). De fato, um F-15 produziu bastante com uma meia asa para realizar um pouso bem-sucedido.

Fonte: www.armchairgeneral.com

• Superfícies de controle - Em geral, a aeronave de combate tem mais superfícies de controle, como canards (além das superfícies de controle primário) em comparação com a aeronave civil. Isso permite que o piloto manobre a aeronave muito mais rapidamente em comparação aos aviões de passageiros.

Fonte: www.blokeish.com

Devido a estas razões, os aviões de caça são capazes de realizar manobras muito melhores e mais rápidos em comparação com os aviões de passageiros.

A relação entre empuxo e peso de um 737-500 está em torno de 0.32 , para um F-15 que pode exceder 1.1 , que é uma grande diferença (quanto maior, melhor).

Um F-15 tem uma carga de asa nominal de 358 kg / m², comparado com 497.05 para um 737-500 (menor é melhor).

O efeito combinado do aumento da relação entre empuxo e peso e carga reduzida das asas significa que um jato de combate é um tipo muito diferente de avião de um navio de passageiros.

Os caças e aeronaves acrobáticas têm grandes superfícies de controle (ailerons, elevadores, lemes, elvões, estabilizadores, etc.), pois são superfícies de controle e não as próprias asas que causam as mudanças de atitude que manobram o avião.

Traditional aircraft maneuvering is accomplished by altering the flow of air passing over the control surfaces of the aircraft—the ailerons, elevators, flaps, air brakes and rudder.

Aqui está uma foto de supermanuperabilidade de um caça a jato:

Supermaneuverability is the ability of aircraft to have control and do maneuvers in situations and in the ways exceeding that which is possible by pure aerodynamic mechanisms. This ability was first introduced in the Russian Sukhoi Su-27 and Mikoyan MiG-29 fighter aircraft in the 1980s, which has since become a standard in their advanced 4th and 5th generation aircraft.

O elevador é proporcional à área da asa, não apenas à envergadura.

Os jatos de combate geralmente têm asas estreitas (como você observou), mas eles correm a maior parte do comprimento da fuselagem (baixa razão de aspecto). Planos maiores e mais lentos geralmente têm asas longas e finas.

Low aspect ratio wings are usually used on fighter aircraft, not only for the higher roll rates, but especially for longer chord and thinner airfoils involved in supersonic flight.
-- wikipedia's Aspect Ratio article

Muitos caças a jato, esp. o F15, como observado em várias respostas, gera elevação da fuselagem, aumentando significativamente a área efetiva da asa. Toda a extensão da ponta da asa até a asa é uma asa, porque não há fuselagem sem asas no meio.

Portanto, embora a premissa da questão seja um tanto falha, há razões:

Não tenho certeza se os jatos de combate têm mais ou menos área de asa por massa do que embarcações maiores. É razoável supor que eles têm menos área por comprimento de nariz a cauda, porque a massa aumenta com o tamanho ³ , enquanto a área de superfície aumenta com o tamanho ² .

Comparado a um grande avião, 1/2 comprimento - > 1/8 de massa, exigindo apenas 1/8 da área da superfície da asa, não a área de 1/4 que você teria de um modelo de escala proporcional.

Para girar, você precisa fazer com que toda a massa do avião se mova em uma direção diferente. Para puxar em um loop, você não precisa apenas mudar a atitude rapidamente (grandes superfícies de controle); você também precisa levantar do ângulo de ataque aumentado para alterar o vetor de movimento do avião. (Com grandes superfícies de controle, mas sem levantar o suficiente, você se inclina, mas continua se movendo horizontalmente e paralisando).

"Chega de levantar" depende da massa do avião, porque $ F = m a $. Mantendo as proporções iguais, um avião maior teria menos sustentação por massa, devido à questão do cubo versus o quadrado.

Outro fator importante é a velocidade. Quanto mais rápido um avião estiver se movendo, maior será o ganho extra para você se levantar. Quanto mais rápido você estiver indo, mais ar você pode empurrar por área de asa. Em alta velocidade, você não precisa de muita área de asa para produzir o máximo de 9G de aceleração que um piloto pode suportar.

Em termos de raio de viragem, isto é mais do que cancelado pela força centrípeta necessária para um raio constante gire aumentando quadraticamente com a velocidade. (Obrigado @ Todd por pegar isso). Graus por segundo (velocidade angular, ω) também não é ajudado pelo movimento mais rápido, uma vez que você está indo rápido o suficiente para fazer uma manobra de força máxima.

F = fator de sustentação * v = ma.

$ m \ omega ^ 2 r = mv ^ 2 / r = F $
$ \ omega ^ 2 r = v ^ 2 / r = F / m = a = 9G $
$ \ omega ^ 2 = v ^ 2 / r ^ 2 $
$ \ omega = v / r $. Mas para $ a $ constante, $ r $ é proporcional a $ v ^ 2 $.
$ \ omega = v / (v ^ 2 / a) = a / v $ (onde $ a $ é constante)

Portanto, em velocidades rápidas o suficiente para que a aceleração máxima seja o fator limitante, a taxa de giro é de ~ = 1 / v. Em velocidades mais baixas, onde o $ a $ atingível aumenta ~ linearmente com a velocidade, ω é praticamente o mesmo em qualquer velocidade até $ a = 9G $. Alto empuxo é necessário para superar o alto arrasto do giro de alta elevação / alto ângulo de ataque.

Pequenos planos também facilitam a criação de asas strongs o suficiente para não se soltarem em um alto ângulo de ataque (diferença entre rumo e direção, seja no plano vertical, ou girando horizontalmente depois de rolar até 90 graus). As asas com relação de aspecto baixo distribuem a carga por um ponto de fixação mais longo com a fuselagem, ajudando nisso.

Em um ângulo de ataque alto, os motores estão contribuindo com a força centrípeta necessária para dobrar o vetor de momento do avião, porque eles estão empurrando o avião na nova direção, não apenas ao longo de sua trajetória atual.

Superfícies de controle adequadamente dimensionadas são obviamente um requisito, para segurar um jato grande em uma curva de alto ângulo de ataque.

Acho que o impulso vetorial contribui principalmente nessa área. Em um loop (não invertido), um jato teria seu impulso vetorado para cima, junto com os elevadores, empurrando a cauda para baixo. Isso significa que menos impulso está contribuindo para a força centrípeta; em vez disso, ajuda a manter o avião em um ângulo de ataque mais alto, para que as asas possam puxar o avião em um circuito mais apertado.

Tenho certeza de que há alguns erros aqui, já que na verdade não desenvolvo aviões, nem os tiro fora de videogames. Estou apenas aplicando física simples e inventando coisas. Parece que muito do que eu disse é bem o que carregamento de asa é.

Aceleração = força / massa

Os lutadores têm maior aceleração (linear ou rotacional), porque sua relação força-massa é maior que a de um avião de passageiros. Física simples.

Para uma aceleração rotacional, o momento de inércia ocupa o lugar da massa na equação acima. Asas mais curtas reduzem o momento de inércia.

Na comunidade de planadores é conhecido desde os primeiros anos que uma envergadura mais longa diminui a capacidade de manobra: os planadores com uma envergadura maior são mais "preguiçosos" com os ailerons.

Claro que não é o único fator, e como o desenho da asa evoluiu para aerofólios mais sofisticados, o efeito é menos perceptível do que costumava ser no passado.