Como o stall depende do ângulo de ataque mas não da velocidade?

Eu acredito que você está confundindo o ângulo de ataque da asa com o tom da aeronave. Aeronaves movendo-se a uma velocidade lenta, quase parando, apesar de apontar o nariz para cima, ainda estarão viajando mais ou menos horizontalmente. Seu instrumento VSI vai ler perto de zero. Considerando que, se você pegar uma aeronave que se move rapidamente e puxar o nariz para o mesmo ângulo, a aeronave, obviamente, subirá rapidamente.

Por que isso importa? O ângulo de ataque é definido com base no movimento da asa através do vento relativo. A orientação da asa em relação ao solo não está envolvida na definição de forma alguma. Quando a aeronave como um todo está subindo, o vento relativo está vindo de cima. Como resultado, o ângulo de ataque é reduzido, comparado com o que seria se o avião não estivesse subindo.

Só para mostrar alguns números rápidos, suponha que você pegou uma aeronave em movimento de 100 kts e parou de subir a 3.000 FPM (a maioria das aeronaves perderá velocidade fazendo isso, mas a matemática é válida até que o avião desacelere). $ 1knot \ approx100FPM $, então você terá agora um vetor de 30 nós para cima. Sua velocidade de 100 kt agora está subindo em um ângulo. Um pouco de trigonometria:

$$ \ sin (x) = \ frac {30} {100} $$ $$ x = 17,46 ° $$

Assim, o seu ângulo de ataque é de 17,46 graus mais longe de parar ao subir a 3000FPM do que seria se a sua aeronave tivesse o mesmo tom, mas estivesse em vôo nivelado.

No entanto, poucas aeronaves têm a potência do motor para sustentar uma subida a esse ritmo. A aeronave sangrará, e à medida que a velocidade se esvai, a aeronave irá desacelerar, a taxa de subida diminuirá, a velocidade da aeronave se tornará mais próxima da horizontal e, eventualmente, a aeronave irá parar se a distância for mantida constante. / p>     

É engraçado você mencionar uma Citabria, porque eu realmente fiz exatamente o que você está falando sobre exatamente aquele avião. Não que isso realmente importe, porque isso será aplicado em qualquer avião.

Na sua pergunta, você disse que entende que o ângulo de ataque é o que causa a parada. Mas não tenho certeza se você entende que, dada a mesma asa, é sempre o mesmo ângulo. Eu digo isso por causa disso:

you can get a high angle of attack, beyond what you’d need to stall at 60 knots,

O ângulo de ataque que você precisa parar permanece o mesmo, independentemente da velocidade. Talvez as coisas sejam diferentes no reino supersônico, mas isso é bom o suficiente para a Citabria.

Você está certo de que, se estivesse navegando a 100kts e repentinamente puxando o stick, você diminuiria a velocidade antes de parar. Mas não é isso que causa a barraca. A baia é causada pelo alto ângulo de ataque, e isso é causado pela posição do elevador.

A posição do palito é o melhor prognóstico de quando um avião vai parar, e ninguém fala muito sobre isso. Também posso dizer que seu exemplo não é 100% exato, porque na verdade eu fiz isso. Se você fizer um cruzeiro de 100kts e, em seguida, bater o stick o mais strong que puder, você vai empatar com uma perda mínima de velocidade de antemão. E se você quisesse, você poderia ter uma velocidade de entrada maior que 100kts e empatar em 100kts. Eventualmente, você entra em problemas estruturais causados pelo excessivo g-loading.

Stalling não é causado apenas pelo ângulo de ataque, é sempre causado pelo mesmo ângulo de ataque. Espero que isso responda à sua pergunta.

But if I’m right that you wouldn’t stall straight away

Você irá atrasar imediatamente . Você não vai abaixar imediatamente embora.

Imediatamente, quando ultrapassar 2.67G ¹ , a aeronave começará a balançar e retroceder um pouco, pois puxar mais o manche não causa mais aumentos e a aceleração deixará de aumentar . Mas o arremesso não vai parar de aumentar. As asas ainda estão gerando alguns de sustentação, apenas menos do que antes de parar. Então, você continuará subindo até ficar sem energia cinética (que será mais rápida do que o normal, pois o arrasto é aumentado na tenda) e desacelerará abaixo da velocidade na qual as asas paradas não conseguirão levantar o suficiente para equilibrar o peso. Nesse ponto, sua velocidade ainda será maior do que os 60 nós, porque a 60 nós as asas podem equilibrar o peso quando não estão paradas, mas neste caso elas já estão endurecidas.

¹ _{Tomando 100 kts de cruzeiro e 60 kts v s . A pesquisa na Internet me dá apenas 44 nós para v s e isso significaria 5.17G para stall em 100 nós, enquanto o limite certificado é 5G, então você não deveria estar fazendo isso a 100 nós, apenas até 98.}

Imagine que você lança um avião com a parte inferior das asas voltada para frente a 500 nós. A aeronave está indo muito rápido, mas tenha certeza de que está parada. Poderia se recuperar muito, muito facilmente, porque tem muita energia cinética e há uma enorme quantidade de fluxo de ar, mas não está produzindo o elevador como deveria.

O Ângulo de Ataque (AoA) do box não é fixo, mas aumenta com o pitch e - em menor grau - com o Número de Reynolds.

Quando uma asa pára, a camada limite na parte traseira de uma asa pára e até inverte a direção do fluxo, causando separação . Para o fluxo de ar externo, parece que a asa ficou mais espessa e tem um AoA menor do que antes, sem separação. Isso causa a perda do elevador de uma asa parada. A "história" da camada limite local influencia isso - se tiver visto uma alta aceleração em torno do nariz do aerofólio, ele deve realizar uma desaceleração acentuada sobre o restante da asa. O atrito já reduziu a energia dessa camada limite e a desaceleração acentuada termina na separação a jusante.

Se a tenda AoA é aproximada rapidamente, a camada limite na asa traseira ainda tem as características que acompanham o baixo AoA que prevaleceu quando aquela parcela de ar fluiu em torno do nariz da asa. Portanto, ele tem mais energia e é menos propenso à separação. O efeito é um aumento na tenda AoA com taxa de arremesso, a um ponto em que a elevação total da asa é 50% maior que a do AoA estacionário na mesma velocidade. É claro que esta é uma baia dinâmica com um fator de carga muito maior que 1. Para mais detalhes, eu me refiro a NACA TN 2525 de 1951. Nenhum preço para adivinhar qual avião foi usado.

Por outro lado, o elevador cai muito mais do que em uma parada estacionária (= baixa velocidade). Um comportamento dócil pode agora se tornar abrupto! Outra conseqüência deste aumento do elevador é a possibilidade de um ciclo de histerese, especialmente em hélices de helicópteros, hélices e turbinas, onde mudanças strongs e cíclicas no AoA são possíveis. Isso é chamado de flutter de sustentação e causa alta tensão mecânica e vibração. Veja "Fluid Dynamic Lift" de Sighard Hörner , página 4-24 e 25 para mais.

O efeito do número de Reynolds é menos pronunciado, mas ainda dá um aumento na parada c $ _ {l max} $ de 15 - 25% entre $ Re = 10 ^ 6 $ e $ Re = 5 \ cdot 10 ^ 6 $ . Detalhes dependem do aerofólio específico. A Abbott-Doenhoff ou o catálogo da Wortmann têm muitos dados sobre isso.

Para entender isso, eu gosto de pensar em um jato com afterburner apontado quase vertical. Não está parado, o ângulo de ataque é quase 0, porque o vento relativo está indo quase para baixo devido a todo o empuxo. Mas "direto para baixo" ainda está indo suavemente pelas asas, sem tenda.

Isso só faz sentido na minha cabeça, mas funciona para mim.

Você não precisaria necessariamente parar se aplicasse um elevador abrupto a, digamos, 100kts, devido a haver inércia suficiente para garantir que o fluxo de ar relativo à linha do cabo (AoA) não excedesse o ângulo crítico.