Por que não existe um aerofólio único para o vôo subsônico?

Pela mesma razão, porque não temos um único tipo de aeronave voando em todas as missões comerciais e militares em todo o mundo: o vôo tem muitas variáveis e não existe uma solução única e ótima.

Além disso, há situações mais específicas, como asas voadoras, que geralmente usam reflexo camber para lidar com a falta de estabilizador horizontal. Mais uma vez, essa modificação é transformada em peso e custo inúteis se usada fora desse cenário específico.

Agora, para abordar especificamente seu requisito de levantar para arrastar: isso simplesmente não é uma boa maneira de decidir "o melhor aerofólio para o vôo subsônico". Alta eficiência é importante para aeronaves com uma missão que enfatiza a resistência. Esta categoria é preenchida por planadores, e é realmente cheia de designs altamente otimizados ( $ C_L / C_d \ approx 50 $ não é inédito) com pequenas diferenças, principalmente devido a considerações estruturais.

Agora pegue outra aeronave subsônica com ênfase em resistência: a aeronave de patrulha marítima, o exemplo mais conhecido aqui é provavelmente o P -3 Orion . Um aerofólio planador seria terrível por causa da necessidade de espessura para acomodar um mastro que pode transportar os motores sem quebrar sob uma rajada ruim. Em vez disso, ele usa um NACA 0014-1.10 na raiz, fazendo a transição para um NACA 0012-1.10 na ponta, o que significa que os projetistas tiveram que fazer concessões entre dois aerofólios até dentro da mesma asa.

Na aeronave, o tamanho importa .

Aeronaves menores voando na mesma velocidade, temperatura do ar e altitude do que uma aeronave maior têm uma menor Número de Reynolds que caracteriza o fluxo da camada limite. Um número menor de Reynolds permite mais fluxo laminar , mas exige um aumento de pressão menos íngreme para evitar a separação precoce. Portanto, há um aerofólio diferente para cada número de Reynolds, mesmo com o mesmo coeficiente de sustentação. Projetos subsônicos muito rápidos têm que lidar com bolsões de fluxo supersônico que colocam demandas muito diferentes na forma do aerofólio.

A seguir, os aviões vêm com uma grande variedade de cargas de asa , de 40 kg / m² em planadores até os quase 1200 kg / m² do Rockwell B-1B . Isso se traduz em uma faixa muito diferente de velocidades, de modo que a variação nos números de Reynolds é muito maior do que o tamanho por si só implica. Aeronaves mais pesadas tendem a ter cargas de asa mais altas e precisam adicionar dispositivos de alta elevação , que colocam suas próprias demandas na forma do aerofólio.

Em seguida, considere aspect ratio : Dependendo da finalidade, a proporção ideal de aviões subsônicos é entre 4,5 e 50. O menor valor é para voar rápido e alto g cargas, como em acrobacias, e o valor mais alto é típico para planadores de alto desempenho. A asa curta e atarracada precisará de um aerofólio diferente do longo e elegante.

Além disso, o ideal é que você varie o aerofólio dentro de uma ala, dependendo onde ao longo do vão você olha . A raiz se beneficiará de um , onde um amplo ângulo de ataque a partir de desvios de ailerons e velocidades de rolagem precisa ser tolerado.

E então há projetos que se importam menos com L / D, mas precisam ter características ideais de estol e sem curvatura: aeronaves acrobáticas têm aerofólios bem diferentes de todos os outros, e com boas razões .

Isso só arranhou a superfície do problema, mas espero poder passar a idéia geral: mesmo quando a L / D ideal é a meta do projeto, a melhor forma do aerofólio difere dos demais parâmetros da aeronave.

O desempenho do aerofólio dependerá da velocidade e densidade do ar. Um Cessna 172 e um DeHavilland Dash 8 estão operando em velocidades subsônicas, mas em regimes de velocidade e densidade muito diferentes. Aeronaves a jato e hélices operam principalmente em regimes de velocidade diferentes também. Os detalhes de como a asa é projetada também afetarão o desempenho. O comprimento do acorde mudará o número de Reynolds que o aerofólio experimenta. A envergadura e o ângulo de varredura também afetarão o desempenho da asa. Diferentes geometrias de asas em diferentes condições de fluxo conduzirão a diferentes opções no aerofólio.

Todas essas diferenças são porque diferentes aeronaves são projetadas para diferentes tipos de vôo. Os planadores, por exemplo, são projetados para uma taxa de sustentação para arrastar muito alta para um mínimo de resistência. Os aviões de Bush darão grande ênfase ao desempenho de baixa velocidade para reduzir a distância de decolagem e pouso. Aeronaves de passageiros estão dispostas a sacrificar parte da eficiência aerodinâmica para voar mais rápido para reduzir os tempos de viagem. Considerações estruturais, bem como infra-estrutura, limitarão a envergadura e influenciarão a espessura.

Os aerofólios também terão características diferentes em situações como stall. Para a maioria das aeronaves, você não quer que a tenda seja repentina e severa. Mas, para aeronaves projetadas para desempenho, como acrobacias ou corridas, elas estão dispostas a sacrificar isso para menor resistência.

Você verá as mesmas tendências na natureza, pois há muitos tipos diferentes de asas. As pequenas asas são muito diferentes das grandes. Asas projetadas para subida serão diferentes das asas projetadas para velocidade.

Geralmente, conhecemos a melhor forma de aerofólio, mas não sabemos a melhor velocidade.

O aumento é proporcional ao QUADRADO da velocidade. O Cessna 172 está um pouco acima da cabine a 50 nós, mas colocando grandes quantidades de caimento a 100 nós.

Mas os aviões têm descoberto. Eles podem voar em um enorme envelope de velocidade de cerca de 150 nós para 550 nós, alterando a configuração das asas, mais especificamente mudando a curvatura.

As asas de sustentação mais altas estão strongmente curvadas com uma parte inferior côncava. Essas "finas asas de ferro" eram populares nos primeiros dias de vôo, mas caíram em desgraça com o aumento da velocidade. Uma asa fina com menos inclinação produz uma elevação adequada em velocidades mais altas, mas com MUITO ARRASTA MENOS.

Assim, o avião se reconfigura para uma asa mais fina e menos curvada para o cruzeiro de alta velocidade, mas retorna aos primeiros dias para reduzir muito as velocidades de pouso. Talvez a gente veja um Fiesler Storch com ripas retráteis.