Es gibt verschiedene Ansätze zum Fliegen. Wenn ein Objekt eine geringere Dichte als Luft hat, ist es schwimmfähig und kann in der Luft schweben, ohne Energie zu verbrauchen. Ein schwerer als Luftfahrzeug, bekannt als Aerodyne, umfasst geflogene Tiere und Insekten, Starrflügler und Drehflügler. Da das Fahrzeug schwerer als Luft ist, muss es Auftrieb erzeugen, um sein Gewicht zu überwinden. Der Windwiderstand, der durch das sich durch die Luft bewegende Fahrzeug verursacht wird, wird als Luftwiderstand bezeichnet und außer beim Gleiten durch Vortriebsschub überwunden.Einige Fahrzeuge verwenden auch Schub für den Flug, zum Beispiel Raketen und Harrier Jump Jets.
Schließlich dominiert das Momentum den Flug ballistischer Flugobjekte.
ForcesEdit
Flugrelevante Kräfte sind
- Vortriebsschub (außer bei Segelflugzeugen)
- Auftrieb, erzeugt durch die Reaktion auf einen Luftstrom
- Widerstand, erzeugt durch aerodynamische Reibung
- Gewicht, erzeugt durch Schwerkraft
- Auftrieb, für leichtere Flüge als in der Luft
Diese Kräfte müssen ausgeglichen sein, damit ein stabiler Flug stattfindet.
ThrustEdit
Ein Starrflügler erzeugt einen Vorwärtsschub, wenn Luft in die dem Flug entgegengesetzte Richtung gedrückt wird. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen, einschließlich durch die sich drehenden Blätter eines Propellers oder eines rotierenden Lüfters, der Luft aus der Rückseite eines Strahltriebwerks drückt, oder durch Ausstoßen heißer Gase aus einem Raketentriebwerk. Der Vorwärtsschub ist proportional zur Masse des Luftstroms multipliziert mit der Geschwindigkeitsdifferenz des Luftstroms. Der Rückwärtsschub kann erzeugt werden, um das Bremsen nach der Landung zu unterstützen, indem die Steigung der Propellerblätter mit variabler Steigung umgekehrt wird oder ein Schubumkehrer an einem Strahltriebwerk verwendet wird. Drehflügelflugzeuge und Schubvektorisierung V / STOL-Flugzeuge verwenden Triebwerksschub, um das Gewicht des Flugzeugs zu tragen, und Vektorsumme dieses Schubs vorne und hinten, um die Vorwärtsgeschwindigkeit zu steuern.
LiftEdit
Im Zusammenhang mit einer Luftströmung relativ zu einem fliegenden Körper ist die Auftriebskraft die komponente der aerodynamischen Kraft, die senkrecht zur Strömungsrichtung steht. Aerodynamischer Auftrieb entsteht, wenn der Flügel die Umgebungsluft umlenkt – die Luft verursacht dann eine Kraft auf den Flügel in die entgegengesetzte Richtung, gemäß Newtons drittem Bewegungsgesetz.Der Auftrieb wird üblicherweise mit dem Flügel eines Flugzeugs in Verbindung gebracht, obwohl der Auftrieb auch von Rotoren auf Drehflüglern erzeugt wird (die effektiv rotierende Flügel sind, die die gleiche Funktion erfüllen, ohne dass sich das Flugzeug vorwärts durch die Luft bewegen muss). Während allgemeine Bedeutungen des Wortes „Aufzug“ vorschlagen, dass Aufzug Schwerkraft entgegensetzt, kann aerodynamischer Aufzug in irgendeine Richtung sein. Wenn ein Flugzeug zum Beispiel kreuzt, widersetzt sich der Auftrieb der Schwerkraft, aber der Auftrieb tritt in einem Winkel auf, wenn er steigt, absteigt oder bankiert. Bei Hochgeschwindigkeitsautos wird die Hubkraft nach unten gerichtet („Down-Force“ genannt), um das Auto stabil auf der Straße zu halten.
DragEdit
Bei einem festen Objekt, das sich durch eine Flüssigkeit bewegt, ist der Widerstand die Komponente der aerodynamischen oder hydrodynamischen Nettokraft, die entgegen der Bewegungsrichtung wirkt. Daher widersetzt sich der Widerstand der Bewegung des Objekts und muss in einem angetriebenen Fahrzeug durch Schub überwunden werden. Der Prozess, der Auftrieb erzeugt, verursacht auch einen gewissen Widerstand.
Lift-to-drag ratiobearbeiten
Der aerodynamische Auftrieb wird durch die Bewegung eines aerodynamischen Objekts erzeugt (Flügel) durch die Luft, die aufgrund ihrer Form und Winkel lenkt die Luft. Für einen anhaltenden geraden und ebenen Flug muss der Auftrieb gleich und entgegengesetzt zum Gewicht sein. Im Allgemeinen sind lange schmale Flügel in der Lage, eine große Luftmenge mit langsamer Geschwindigkeit abzulenken, während kleinere Flügel eine höhere Vorwärtsgeschwindigkeit benötigen, um eine äquivalente Luftmenge abzulenken und somit einen äquivalenten Auftrieb zu erzeugen. Große Frachtflugzeuge neigen dazu, längere Flügel mit höheren Anstellwinkeln zu verwenden, während Überschallflugzeuge dazu neigen, kurze Flügel zu haben und stark auf hohe Vorwärtsgeschwindigkeit angewiesen sind, um Auftrieb zu erzeugen.
Dieser Auftriebsprozess (Ablenkung)verursacht jedoch zwangsläufig eine verzögernde Kraft, die als Widerstand bezeichnet wird. Da Auftrieb und Widerstand beide aerodynamische Kräfte sind, ist das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand ein Hinweis auf die aerodynamische Effizienz des Flugzeugs. Das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand ist das L / D-Verhältnis, ausgesprochen „L über D-Verhältnis.“ Ein Flugzeug hat ein hohes L / D-Verhältnis, wenn es einen großen Auftrieb oder einen geringen Luftwiderstand erzeugt. Das Auftriebs- / Widerstandsverhältnis wird bestimmt, indem der Auftriebskoeffizient durch den Luftwiderstandsbeiwert CL / CD dividiert wird.
Der Auftriebskoeffizient Cl ist gleich dem Auftrieb L dividiert durch die (Dichte r mal halbe Geschwindigkeit V quadriert mal Flügelfläche A). Der Auftriebskoeffizient wird auch durch die Kompressibilität der Luft beeinflusst, die bei höheren Geschwindigkeiten viel größer ist, so dass die Geschwindigkeit V keine lineare Funktion ist. Die Kompressibilität wird auch durch die Form der Flugzeugoberflächen beeinflusst.
Der Luftwiderstandsbeiwert Cd ist gleich dem Luftwiderstand D dividiert durch die (Dichte r mal halbe Geschwindigkeit V quadriert mal Bezugsfläche A).
Auftriebswiderstandsverhältnisse für praktische Flugzeuge variieren von etwa 4: 1 für Fahrzeuge und Vögel mit relativ kurzen Flügeln bis zu 60: 1 oder mehr für Fahrzeuge mit sehr langen Flügeln, wie Segelflugzeuge. Ein größerer Anstellwinkel relativ zur Vorwärtsbewegung erhöht auch das Ausmaß der Auslenkung und erzeugt somit zusätzlichen Auftrieb. Ein größerer Anstellwinkel erzeugt jedoch auch zusätzlichen Luftwiderstand.
Lift/Drag Ratio bestimmt auch das Gleitverhältnis und den Gleitbereich. Da das Gleitverhältnis nur auf dem Verhältnis der auf das Flugzeug einwirkenden aerodynamischen Kräfte basiert, beeinflusst das Flugzeuggewicht es nicht. Der einzige Effekt, den das Gewicht hat, besteht darin, die Zeit zu variieren, für die das Flugzeug gleiten wird – ein schwereres Flugzeug, das mit einer höheren Fluggeschwindigkeit gleitet, wird in kürzerer Zeit am gleichen Aufsetzpunkt ankommen.
Auftriebbearbeiten
Der Luftdruck, der gegen ein Objekt in der Luft wirkt, ist größer als der Druck über dem Herunterdrücken. Der Auftrieb ist in beiden Fällen gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit – das archimedische Prinzip gilt für Luft genauso wie für Wasser.
Ein Kubikmeter Luft bei normalem Atmosphärendruck und Raumtemperatur hat eine Masse von etwa 1,2 Kilogramm, so dass sein Gewicht etwa 12 Newton beträgt. Daher wird jedes 1-Kubikmeter-Objekt in Luft mit einer Kraft von 12 Newton aufgewogen. Wenn die Masse des 1-Kubikmeter-Objekts größer als 1 ist.2 Kilogramm (so dass sein Gewicht größer als 12 Newton ist), fällt es beim Loslassen zu Boden. Wenn ein Objekt dieser Größe eine Masse von weniger als 1,2 Kilogramm hat, steigt es in die Luft. Jedes Objekt, dessen Masse geringer ist als die Masse eines gleichen Luftvolumens, steigt in Luft auf – mit anderen Worten, jedes Objekt, das weniger dicht als Luft ist, steigt auf.
Verhältnis von Schub zu Gewichtbearbeiten
Schub-zu-Gewicht-Verhältnis ist, wie der Name schon sagt, das Verhältnis von momentanem Schub zu Gewicht (wobei Gewicht Gewicht bei der Standardbeschleunigung der Erde bedeutet g 0 {\displaystyle g_{0}}
). Es ist ein dimensionsloser Parameter, der für Raketen und andere Strahltriebwerke sowie für von solchen Triebwerken angetriebene Fahrzeuge (typischerweise Trägerraketen und Düsenflugzeuge) charakteristisch ist. Wenn das Schub-Gewichts-Verhältnis größer ist als die lokale Schwerkraft (ausgedrückt in gs), kann der Flug ohne Vorwärtsbewegung oder aerodynamischen Auftrieb erfolgen.
Wenn das Schub-Gewichts-Verhältnis mal das Auftrieb-Widerstand-Verhältnis größer ist als die lokale Schwerkraft, ist ein Start mit aerodynamischem Auftrieb möglich.
Flugdynamikbearbeiten
Flugdynamik ist die Wissenschaft der Orientierung und Kontrolle von Luft- und Raumfahrzeugen in drei Dimensionen. Die drei kritischen Flugdynamikparameter sind die Drehwinkel in drei Dimensionen um den Fahrzeugschwerpunkt, bekannt als Pitch, Roll und Gier (siehe Tait-Bryan-Rotationen für eine Erklärung).
Die Steuerung dieser Abmessungen kann einen horizontalen Stabilisator (d. H. „ein Heck“), Querruder und andere bewegliche aerodynamische Vorrichtungen umfassen, die die Winkelstabilität steuern, d. H. Die Fluglage (die wiederum die Höhe und den Kurs beeinflusst). Flügel sind oft leicht nach oben geneigt – sie haben einen „positiven Diederwinkel“, der eine inhärente Wankstabilisierung ergibt.
Energieeffizienzbearbeiten
Um Schub zu erzeugen, um an Höhe gewinnen zu können, und durch die Luft zu drücken, um den mit dem Auftrieb verbundenen Luftwiderstand zu überwinden, wird Energie benötigt. Verschiedene Objekte und flugfähige Kreaturen variieren in der Effizienz ihrer Muskeln, Motoren und wie gut dies in Vorwärtsschub übersetzt wird.
Die Antriebseffizienz bestimmt, wie viel Energie Fahrzeuge aus einer Kraftstoffeinheit erzeugen.
RangeEdit
Die Reichweite, die Motorflugzeuge erreichen können, ist letztendlich durch ihren Luftwiderstand begrenzt, sowie wie viel Energie sie an Bord speichern können und wie effizient sie diese Energie in Antrieb umwandeln können.
Für angetriebene Flugzeuge wird die nutzbare Energie durch ihren Treibstoffanteil bestimmt – wie viel Prozent des Startgewichts Treibstoff ist, sowie die spezifische Energie des verwendeten Treibstoffs.
Verhältnis von Leistung zu Gewichtbearbeiten
Alle Tiere und Geräte, die nachhaltig fliegen können, benötigen relativ hohe Power-to-Weight-Verhältnisse, um genügend Auftrieb und /oder Schub zu erzeugen, um abheben zu können.