Viteza limita - avion

Viteza limita - avion

Curentul de aer din jurul unei suprafete portante variaza pe masura ce unghiul de atac creste. Pentru majoritatea conditiilor de zbor aceasta curgere este o curgere laminara si se aplica teorema lui Bernoulli viteza crescuta a curentului de aer presiune statica scazuta. Viteza de curgere crescuta a curentului de aer ( indeosebi peste zona superioara a aripilor ) duce la presiune statica scazuta astfel este generata forta portanta. Rezistenta la inaintare este de asemenea prezenta.

Capacitatea de portanta, sau coeficientul de portanta, al suprafetei portante creste cand creste si unghiul de atac - dar numai pana la un anumit unghi denumit unghi critic.

In mod ideal curentul de aer din jurul unei suprafete portante este laminar. In realitate curentul laminar se separa la un punct de suprafata portanta si devine turbulent. La unghiuri de atac scazute acest punct de separare se afla spre capatul ( bordul de fuga ) aripii si turbulenta nu este semnificativa.

La unghiuri de atac mai ridicate punctul de separare se muta inainte. Pe masura ce unghiul de atac este crescut si unghiul critic este atins, punctul de separare se va misca brusc inainte, generind o mare cresterea a turbulentei de deasupra aripii.

Formarea presiunilor statice scazute pe zona superioara a aripii ( generatorul principal al fortei portante ) este diminuata de o rupere a curentului laminar. Curentul turbulent nu genereaza formarea zonelor de presiune statica scazuta.

Capacitatea de portanta a aripii ( coeficientul de portanta, C_L ) scade considerabil dincolo de acest unghi de atac critic ca rezultat al scaderii curgerii laminare.

Viteza la care are loc o modificarea semnificativa a curgerii laminare in turbulenta deasupra unei aripi se numeste viteza limita a suprafetei portante. Unghiul critic sau unghiul vitezei limita este acolo unde C_L atinge valoarea maxima si peste care C_L scade in mod evident.

Dincolo de unghiul vitezei limita, centrul de presiune ( care a inaintat treptat pe masura ce unghiul de atac creste ) se muta brusc inapoi si are loc o crestere rapida a rezistentei la inaintare.

Viteza limita are loc la unghiul de atac critic

Recunoasterea vitezei limita

In apropierea unghiului de atac al vitezei limita, curentul de aer laminar se rupe, divizandu-se deasupra diferitelor parti ale aripii si aerul turbulent zboara inapoi deasupra cozii avionului. Fuselajul si comenzile avionului vor resimti niste vibratii produse de curentul de aer, acest fenomen fiind cunoscut ca vibrareadinaintea vitezei limita sau bataia comenzilor.

Acestea sunt semnele de avertizare a atingerii iminente a vitezei limita

La atingerea vitezei limita, scaderea portantei va face ca avionul sa se infunde. Miscarea inapoi a centrului de presiune (CP) va face ca botul avionului sa coboare.

Pentru majoritatea avioanelor de antrenament, unghiul de atac al vitezei limita este de aproximativ 15 - 16. C_{L maxima} are loc la unghiul de atac al vitezei limita, dar dincolo de el C _L scade.

Revenirea de la viteza limita

Pentru a reveni la zborul normal din faza de zbor corespunzatoare vitezei limita, unghiul de atac trebuie redus. Acest lucru este realizat prin miscarea rapida ( nu bruscata ) a mansei spre inainte pentru a stopa efectul vitezei limita pe aripi. Daca viteza avionului este scazuta, asa cum se intampla de obicei, trebuie de asemenea majorata puterea motorului la maximum pentru a creste viteza cat se poate de repede. Revenirea din zona vitezei limita trebuie inceputa la primul indiciu de manifestare al acesteia.

Cand recunoasteti simptomele caracteristice vitezei limita pe timpul zborului, micsorati unghiul de atac si coborati botul avionului.

Unghiul critic si viteza limita

Formula portantei este :

Portanta = C_L x ρ V x S

Dintre factorii care determina valoarea fortei de portanta, pilotul poate doar sa schimbe imediat unghiul de atac ( C_L ) si viteza indicata a avionului ( 1/2 ρ V² ). Le puteti schimba modificind atitudinea si / sau puterea motorului.

Pentru o suprafata portanta data :

-Viteza limita are loc la un anumit unghi de atac.

-Cand suprafata portanta ajunge la acest unghi de atac critic avionul va ajunge la viteza limita.

Nu conteaza care este viteza avionului; daca unghiul critic pentru o anume suprafata portanta este de 16, va atinge viteza limita la 16 indiferent de viteza avionului.

O suprafata portanta specifica va atinge viteza limita la un anume unghi de atac, dar viteza limita poate avea loc de exemplu la:

q      50 kt in zbor rectiliniu orizontal pentru un avion la greutatea maxima;

q      45 kt in zbor rectiliniu orizontal atunci cand este usor;

q      54 kt la un viraj cu o inclinare de 30

q      70 kt intr-un viraj cu o inclinare de 60 ; si

q      80 noduri daca efectuati o iesire de 3 g dintr-un zbor in picaj.

De asemenea, viteza indicata ( IAS ) la care avionul ajunge la viteza limita in zborul rectiliniu orizontal este aproximativ aceeasi la toate altitudinile.

Viteza limita depinde direct de unghiul de atac si nu de viteza aerului

Exista totusi o oarecare legatura intre unghiul de atac si viteza indicata. Aceasta relatie precisa depinde de :

q      Portanta produsa de suprafata portanta;

q      Greutate;

q      Factorul de sarcina;

q      Unghiul de inclinare al virajului;

q      Puterea motorului; si

q      Setarea flapsurilor ( care schimba forma suprafetei portante si prin urmare C_L ).

Factorii care influenteaza viteza limita

Valoarea radacinii patrate a portantei

Am mentionat faptul ca legile radacinii patrate sunt comune. Principiile implicate in producerea portantei nu reprezinta o exceptie :

Portanta = C_L x ρ V x S

Viteza indicata ( IAS ) este direct proportionala cu viteza adevarata ( TAS sau V ) si poate fi scrisa ca IAS = k x TAS sau IAS = k x V,unde k este o constanta la o altitudine anume si a carei valoare depinde de raportul dintre densitatea aerului (ρ) la nivelul marii si densitatea aerului la altitudinea de zbor a avionului. Putem scrie acum ecuatia portantei ca :

Portanta este in functie de C_L x (IAS)²

La unghiul de atac critic, coeficientul de portanta atinge valoarea maxima, scrisa ca C_Lmax , si relatia la viteza limita va fi:

Portanta la viteza limita este in functie de C_Lmax x( viteza limita indicata)

Din moment ce C_Lmax va fi constant pentru o anume suprafata portanta, relatia poate fi simplicata mai departe la:

Portanta la viteza limita este in functie de ( viteza limita indicata)

Cu alte cuvinte, radacina patrata a vitezei limita indicate depinde de portanta pe care aripa trebuie sa o produca. Apoi, luind radacina patrata a fiecari parti din aceasta relatie, putem spune:

Viteza limita indicata ( IAS ) depinde de radacina patrata a portantei.

Aceasta inseamna ca :

Orice necesitate de producere a unui plus de portanta ( precum greutatea in plus sau factor de sarcina g intr-o manevra precum virajul ) va genera o crestere a vitezei limita indicate.

Viteza de care depinde performata avionului, si viteza pe care pilotul o poate citi in cabina, este viteza indicata ( IAS ). La unghiul de atac critic:

Viteza limita depinde de radacina patrata a portantei necesare si portanta necesara depinde de greutate si de factorul de sarcina.

Daca portanta necesara este crescuta cu 44% de 1,44 ori mai mult decat portanta initiala, atunci viteza limita va creste cu radacina patrata de 1,44, adica cu 1,2ori mai mult decat viteza limita initiala in zborul rectiliniu orizontal - o crestere de 20%. O viteza limita in zbor rectiliniu orizontal de 50 kt ar deveni 60 kt ( o crestere de 20% ) daca, pentru vreun motiv, o crestere de 44% a portantei este necesara.

O portanta crescuta este necesara pentru a efectua un viraj la orizontala cu inclinare mare, sau pentru iesirea din zborul in picaj accentuat sau, oricand exista un factor de sarcina crescut. O alta denumire pentru factorul de sarcina sau fortele g este sarcina ( incarcatura ) dinamica.

Unghiul de atac critic ramane neschimbat dar viteza limita creste oricand sarcina dinamica sau factorul de sarcina creste.

Acum, desigur, nu puteti sta in cabina si sa calculati diferite radacini patrate - dar trebuie sa stiti urmatorul lucru:

Viteza limita creste cand factorul de sarcina creste.

Daca simtiti fortele g atunci viteza limita este crescuta.

Estimarea vitezei limita cand apare efectul unui factor de suprasarcina g

Daca factorul de sarcina este mai mare de 1, atunci viteza limita va fi crescuta. Cand faceti manevre in timpul zborului nu aveti timp pentru calcule precise, dar trebuie sa stiti ca viteza limita va fi crescuta destul de semnificativ in anumite ocazii.

La o suprasarcina de 4g ( dincolo de limita majoritatii avioanelor de antrenament ), viteza limita este dublata, adica creste cu un factor egal cu radacina patrata a lui 4, care este 2.

La o suprasarcina de 2g ( sa zicem intr-un viraj la 60 ), viteza limita este crescuta cu un factor egal cu radacina patrata a lui 2, adica 1.41, ceea ce repezinta o crestere de 41%. Acest lucru este ilustrat pe graficul de mai jos.

O portanta crescuta este necesara intr-un viraj ( pentru ca forta de portanta este oblica si totusi o componenta verticala egala cu greutatea trebuie sa fie produsa in continuare ), portanta intr-un viraj trebuie sa depaseasca greutatea, si de aceea factorul de sarcina este mai mare de 1.

Cu cat un viraj este mai inclinat, cu atat factorul de sarcina este mai mare ( fortele g ) si valoarea vitezei limita este mai ridicata. Este folositor si practic de stiut cresterea in procente a vitezei limita la zborul rectiliniu orizontal la cateva unghiuri de inclinare a virajului.

Intr-un viraj cu o inclinare de 30, viteza limita creste cu 7%. Intr-un viraj cu o inclinare de 30, portanta trebuie crescuta de la 100% la 115% fata de valoarea celei de la zborul rectiliniu orizontal, adica de 1.15 ori mai mare decat valoarea initiala. De aceea viteza limita va creste de 1.07 ori ( radacina patrata a lui 1.15 ), adica o crestere de 7%. Viteza limita de 50 kt in zborul rectiliniu orizontal devine 54 kt intr-un viraj inclinat la 30.

Intr-un viraj cu o inclinare de 45, viteza limita creste cu 19%. Intr-un viraj cu o inclinare de 45, portanta este de 1.41 ori mai mare decat portanta in zborul rectiliniu orizontal. Factorul de sarcina este de 1.41. De aceea viteza limita va creste de 1.19 ori mai mult decat valoarea initiala ( radacina patrata a lui 1.41 ). O viteza limita de 50 kt in zborul rectiliniu orizontal devine 60 kt intr-un viraj orizontal cu inclinare de 45.

Intr-un viraj cu o inclinare de 60, viteza limita creste cu 41%. Intr-un viraj cu o inclinare de 60, portanta trebuie dublata pentru a mentine altitudinea. Factorul de sarcina este 2. De aceea viteza limita va creste de 1.41ori fata de valoare initiala ( radacina patrata a lui 2 ). O viteza limita de 50 kt din zborul rectiliniu orizontal devine 71 kt intr-un viraj cu o inclinare de 60.

Factorul de sarcina

De cate ori forta de portanta a aripilor este crescuta, factorul de sarcina creste si viteza limita creste. Acest lucru va avea loc in viraje, la iesirea din picaje accentuate, la rafale de vant si in turbulente.

Viteza limita creste odata cu cresterea factorului de sarcina, la aceeasi greutate

Greutatea

In zborul rectiliniu orizontal, portanta generata trebuie sa fie suficient de mare pentru a echilibra greutatea. Un avion greu are nevoie de o forta portanta mare.

Am observat mai devreme faptul ca viteza limita variaza cu radacina patrata a portantei. Daca greutatea scade 20% la doar 0.8 din valoarea sa initiala, atunci viteza limita va scadea ( radacina patrata a lui 0.8 ) = de 0.9 ori din valoarea sa initiala ( 9x9=81, deci radacina patrata a lui 80 este aproape de 9, si radacina patrata a lui 0.8 este aproape de 0.9 ).

Daca viteza limita la greutatea maxima ( sa zicem 2.000 kg ) a fost mentionata in Manualul de zbor ca fiind 50 kt, atunci la 1.600 kg ( 20 % mai putin, si numai 80% din greutatea maxima ), viteza limita este de numai 90% din viteza limita initiala ( o scadere de 10% ) adica 45 kt.

In mod asemanator, o crestere in greutate va da o crestere a vitezei limita.

Valoarea vitezei limita creste cu greutatea, unghiul de atac critic ramamind acelasi.

Manualul de zbor al aeronavei mentioneaza valoarea vitezei limita cu motorul oprit la greutatea maxima permisa de la decolare ( MTOW ).

Altitudinea

Viteza limita este o functie a lui C_Liftmax ( care apare la unghiul de atac critic ) si viteza indicata a avionului ( care este determinata de ρ V² ).

O variatie in altitudine nu va afecta C_Liftmax si astfel unghiul de atac critic va fi atins ( la zbor rectiliniu orizontal ) la aceeasi viteza limita indicata.

Puterea motorului

Cu motorul pornit suflul elicei adauga energia cinetica ( a miscarii ) la curentul de aer. Separarea curentului de aer de zona superioara a aripii este intarziata, si astfel viteza limita are loc la o viteza indicata mai scazuta.

Pe masura ce avionul cu motorul functionand se apropie de unghiul de atac critic, atitudinea cu botul ridicat permite tractiunii sa aiba o componenta verticala care se va opune partial greutatii. De aceea, aripile sunt putin descarcate si este nevoie de mai putina portanta de la ele. Mai putina portanta inseamna o viteza limita scazuta.

Pe masura ce avionul cu motorul functionand se apropie de viteza limita, elicea va genera un curent de aer cu o viteza mai mare peste coada avionului. Directia si profundorul vor ramane eficiente, dar eleroanele, nefiind afectate de curentul elicei, vor deveni mai putin eficiente.

Daca curentul elicei genereaza producerea de portanta pe partile interioare ale aripii, atunci pe suprafetele exterioare ale aripii este posibil sa apara mai devreme fenomenele specifice vitezei limita. Orice producere inegala de portanta pe suprafetele exterioare ale celor doua aripi va duce la o inclinare rapida.

Torsiunea aripii

Daca are loc o pierdere de portanta inegala pe suprafetele exterioare ale aripii langa varfurile acestora, pentru ca una din ele ajunge mai devreme la viteza limita, atunci are loc un moment puternic de rotire ( inclinare ) datorat momentului creat de lungimea bratului dintre suprafetele exterioare ale aripii pana la centrul de gravitatie. De asemenea, este afectata eficienta eleroanelor.

Este de preferat atingerea vitezei limita la baza aripii permitand sa fie resimtita bataia mansei in profunzime ( datorata curentului de aer turbulent de pe intradosul aripii ) in timp ce extradosul aripii produce in continuare portanta si eleroanele pot fi in continuare eficiente. O pierdere inegala de portanta pe intradosul aripii, daca o aripa ajunge la viteza limita inaintea celeilalte, nu are un moment de rotire la fel de puternic.

Aripa poate avea constuctiv o torsiune un unghi de incidenta mai scazut ( si prin urmare un unghi de atac scazut ) la varful aripii comparativ cu baza aripii. Acest lucru inseamna ca zona de la baza aripii va ajunge la unghiul de atac critic inaintea varfului aripii.

Aparitia vitezei limita mai intai la baza aripii poate fi obtinuta de proiectant prin mai multe modalitati. De exemplu, placi mici de metal pot fi plasate la bordul de atac pe partea de jos pentru a facilita aparitia timpurie a vitezei limita la baza aripii.

Gheata, chiciura si alte contaminari ale aripii

Formarea givrajului are doua efecte:

1.     Gheata pe aripi ( indeosebi jumatatea din fata a zonei superioare unde este generata cea mai multa portanta ) va cauza o rupere prematura a curentului de aer laminar la unghiuri de atac sub valoarea unghiului de atac critic normal. De aceea, viteza limita va avea loc la valori de viteze mai ridicate.

2.     Givrajul mareste greutatea, si astfel viteza limita va fi crescuta.

Oricat de putina gheata ar fi, chiar daca avionul este numai brumat, trebuie indepartata de pe aripa inaintea zborului.

Givrajul indiferent de amploarea lui cat si alte forme de contaminare ale aripii cresc valoarea vitezei limita.

Flapsurile

Scoaterea flapsurilor da o noua forma suprafetei portante cu un C_Liftmax crescut adica o suprafata portanta noua care are o capacitate de portanta mai mare si poate duce aceeasi incarcatura la o viteza mai mica. Viteza poate scadea la o valoare mai mica inainte de atingerea lui C_Liftmax si inainte de aparitia fenomenelor asociate vitezei limita pe aripi.

Micsorarea valorii vitezelor limita este marele avantaj al flapsurilor. Asigura un zbor sigur la viteze mai mici foarte folositoare pentru decolari, aterizari ( pe piste mai scurte ) si la zboruri de cautare la viteze reduse. Scoaterea flapsurilor de la bordul de fuga permite atitudini ale avionului cu botul mai jos. Nu numai ca vizibilitatea din cabina este crescuta, dar unghiul de atac critic va fi de asemenea atins la o atitudine scazuta a botului avionului.

Viteza limita cu flapsurile scoase poate fi insotita de o inclinare a aripii. Folositi directia pentru a preveni miscarile laterale in plus ale botului avionului, nu eleroanele. Din cauza cresterii rezistentei la inaintare cu flapsurile scoase, orice scadere a vitezei in special cu motorul oprit, poate fi destul de rapida, pilotul fiind avertizat cu putin timp in avans despre o iminenta aparitie a vitezei limita.

La viteza limita cu flapsurile scoase, turbulenta deasupra cozii avionului poate cauza un control slab al profundorului cunoscut ca umbrirea profundorului. Unele avioane de antrenamnet au o coada in T cu stabilizatorul orizontal amplasat sus pe stabilizatorul vertical pentru a reduce umbrirea profundorului la viteza limita.

Scoaterea flapsurilor scade valoarea vitezei limita.

Folositi directia pentru a corecta inclinarile reduse ale aripii.

Dispozitive de avertizare a vitezei limita

Majoritatea avioanelor sunt echipate cu un dispozitiv ca un pinten la bordul de atac al aripii sub forma unei placute actionata de curentul de aer care stabileste un contact electric aprinzand un bec cu lumina rosie si/sau un sistem acustic pentru a avertiza pilotul asupra aparitiei iminente a vitezei limita. Un astfel de mecanism este secundar fata de avertizarile aerodinamice despre aparitia simptomelor caracteristice vitezei limita pe care trebuie sa invatati sa le recunoasteti, precum scaderea vitezei, efectul fortelor g sau factorul de sarcina, si comenzile din cabina mai putin eficiente.

Vria

Vria este conditionata de zborul la viteza limita, in care avionul urmeaza un traseu de coborare in spirala, avand o miscare laterala a botului si o inclinare pe aripa din interiorul rotirii datorat ajungerii la unghiul critic al vitezei limita al acesteia.

Intr-o vrie avionul :

q      Este la viteza limita;

q      Se invarte;

q      Are o miscare laterala a botului;

q      Se inclina;

q      Aluneca in lateral; si

q      Pierde rapid in inaltime

Fazele vriei

Vria este conditionata de zborul la viteza limita, astfel ca prima cerinta este ca aripile sa se afle la un unghi de atac ridicat. Acest lucru este obtinut prin miscarea mansei progresiv inapoi, ca intr-o intrare normala in zborul la viteza limita.

O inclinare a aripii este esentiala pentru a intra intr-o vrie si acest lucru poate avea loc in mod necontrolat sau ( mai degraba ) sa fie comandat de pilot prin actionarea directiei in partea dorita de rotire sau foloseste gresit ( comanda brusca laterala inversa rotirii ) eleroanele chiar inainte de a atinge viteza limita a avionului. In timpul unei intrari comandate in vrie, pe masura ce pilotul da comanda de inclinare a avionului aproape de punctul vitezei limita :

q      Aripa exterioara are o viteza mai mare si genereaza mai multa portanta, facind-o sa se ridice; unghiul sau de atac scade ducindu-l mai departe de unghiul critic al vitezei limita; si

q      Aripa interioara are o viteza mai mica si genereaza mai putina portanta, facand-o sa coboare; unghiul sau de atac creste si pe aripa in coborare scade viteza ( sau daca este deja ajunsa la viteza limita atunci se duce mai departe dincolo de unghiul critic )

Autorotirea va incepe pe aripa aflata in coborare care devine mai afectata de efectul vitezei limita, cu o scadere in consecinta a portantei si o crestere a rezistentei la inaintare. Avionul se va roti, aparand o alunecare in lateral si botul avionului va cobori. Daca nu are loc nici o actiune de corectare, rata de rotatie va creste si vria se va accentua. Initial va fi o evolutie nesigura, cu avionul parand a fi cu botul foarte jos. Rata de rotire poate creste foarte rapid si pilotul va resimti o crestere a factorului de sarcina g.

Un avion nu va trece de obicei direct de la viteza limita intr-o vrie propriu-zisa. Exista de obicei o perioada de tranzitie care poate varia de la avion la avion, in mod normal efectuand doua sau trei rotiri intr-un mod instabil si abrupt, inainte de a intra intr-o vrie completa si stabila ( vria plata-avionul cade asemanator unei frunze dintr-un copac ).

Folosirea gresita a eleroanelor

Incercarea de a ridica aripa coborata cu eleronul opus, poate avea efectul invers cand avionul se afla in zona vitezei limita mai ales atunci cind comanda data este ampla si brusca. Daca, pe masura ce eleronul coboara, unghiul de atac al vitezei limita este depasit, in loc ca aripa sa se ridice, ea poate cobori brusc, rezultind o intrare in vrie. Aceasta este tehnica de intrare intr-o vrie pentru unele avioane.

La unele avioane, folosirea gresita a eleroanelor poate cauza intrarea in vrie.

Intr-o vrie aeronava se comportaa ca un giroscop. Asadar, distributia masei va avea un efect considerabil asupra formei pe care o va lua vria si cat de usor se va putea iesi din aceasta evolutie.

Indicatii ale instrumentelor de bord

Cel mai bun instrument de folosit pentru a afla directia rotirii intr-o vrie este indicatorul de viraj.

Indicatorul de atitudine ( giroorizontul ) poate sa se fi rasturnat si sa fie nefolositor.

Bila de la indicatorul de viraj nu va fi luata in considerare, dar de obicei se deplaseaza in coltul de jos de langa mana stanga al instrumentului indiferent de directia vriei.

Daca vria este inversata ( din zbor pe spate ), indicatorul de viraj va fi de asemenea necredibil. Pilotii de acrobatie aeriana trebuie sa fie avertizati.

Acum completati Exercitiul 14 Viteza limita