¿Cuál es el rendimiento de un ala de placa plana?

No puedo responder a todas sus preguntas, pero tal vez señalarle algunos hechos para acercarse a una respuesta.

Lo más importante es el grosor de su paralelepípedo : más de un pequeño porcentaje solo aumentará la resistencia, sin beneficiar el rendimiento. Debe ser lo más delgado estructuralmente posible. Hay muchos modelos de aviones que usan placas planas para levantarse. Los más populares son los discos voladores como el siguiente:

( fuente de la imagen )

Elevar

La pendiente de la curva de sustentación de una placa plana es la misma que la de los perfiles aerodinámicos normales, con pérdida completa. Tienen un ángulo de ataque de elevación cero de 0° (obviamente) y flujo separado en el lado de succión. El coeficiente de elevación máximo de 0,7 a 0,8 se alcanza en ángulos de ataque moderados; los detalles dependen de la relación de aspecto .

Su perfil aerodinámico NACA típico de cuatro dígitos tendrá un coeficiente de sustentación máximo de 1,2 a 1,6, según la inclinación y el número de Reynolds ( fuente de la imagen ).

Arrastrar

Debido a la falta de empuje de la nariz, el vector de fuerza aerodinámica permanecerá casi perpendicular al plano de la placa. Estará ligeramente inclinado hacia atrás debido a la fricción, pero el flujo separado en el lado de succión significa que la fricción ocurrirá principalmente en el lado de presión. Como una aproximación aproximada, el coeficiente de arrastre de la placa plana es

$$c_D = c_L \cdot \sin\alpha + \frac{0.43}{log\left(\frac{100}{R}\right)^{2.56}} + 0.3 \cdot\delta\cdot\cos\alpha$$ con $R$la rugosidad relativa de la superficie, $\delta$el espesor relativo y $\alpha$el ángulo de ataque. La primera parte es causada por la dirección del vector de sustentación, la segunda parte es la contribución de fricción y será eclipsada por la parte de presión, y la tercera parte es una aproximación de la succión a lo largo del borde de salida grueso. A $\alpha$= 5° y un coeficiente de sustentación de 0,5, el coeficiente de arrastre estará ya alrededor de 0,05.

Los perfiles aerodinámicos regulares de NACA tendrán un$c_{D0}$de 0,004 a 0,01, dependiendo del número de Reynolds, y su$c_D$en pérdida es normalmente entre 0.02 y 0.025.

Actuación

De lo anterior, es justo suponer que la resistencia en condiciones de crucero será fácilmente 4 veces mayor (la resistencia inducida no se ve afectada), y la condición de crucero óptima será a una velocidad más baja debido a la mayor resistencia de sustentación cero. Además, el avión necesitará un motor más grande para mantenerse en el aire, lo que reducirá su carga útil. Espere que el consumo de combustible aumente en línea con el aumento de la resistencia.

La velocidad de pérdida de un avión con un ala plana será de aprox. 50% más alto que con un perfil aerodinámico adecuado en el ala, y la resistencia aumentará mucho más con coeficientes de sustentación altos de lo habitual, lo que se traduce en índices de giro sostenidos y factores de carga muy bajos.

Solo el rango del ángulo de ataque permanecerá similar. Todos los demás parámetros se verán notablemente afectados.

Una última nota: las alas de placa plana funcionan muy bien en longitudes de pequeña escala, como por ejemplo en el mundo de los insectos. Considere que una libélula puede flotar, realizar giros planos a gran velocidad, volar invertida y acelerar de cero a 30 MPH en un par de segundos con dos pares de alas planas, y 250 millones de años +/- de presión de selección no han mejorado su diseño. mucho.

Debido a que las alas de una libélula se tuercen significativamente durante la operación, no son estrictamente hablando sin comba, pero cualquiera que las haya visto sacar mosquitos del aire no puede dejar de sorprenderse de lo que pueden lograr, aerodinámicamente hablando.

Depende, por supuesto: flujo laminar o turbulento, y en qué número de Reynolds.$C_D$para AoA cero se ve así (encontrado aquí)

La aerodinámica de placa plana es relevante para las palas de los helicópteros y las turbinas eólicas, y se han realizado mediciones de 0 a 360 grados de AoA con resultados que también son de interés para las alas fijas. Por ejemplo, de este documento :

Él$C_L$de NACA 0012 sobre 180 grados muestra que la ganancia real en sustentación está dentro de los primeros 10 grados de AoA, después de lo cual el perfil aerodinámico se detiene, pero$C_L$comienza a elevarse nuevamente después de su comportamiento de pérdida inicial debido a la aerodinámica de placa plana. El perfil 0012 es bastante delgado, y el máximo$C_L$se alcanza a 45 grados; sin embargo, si observamos 10 grados AoA, el 0012$C_L$es alrededor de 1 mientras que la placa plana equivalente$C_L$sería alrededor de 0.4 (extienda el gráfico de onda sinusoidal 15 < AoA < 170 a cero).

$C_D$sigue un patrón similar, nuevamente mostrando grandes ganancias hasta que se produce la pérdida y luego continúa de acuerdo con la aerodinámica de placa plana. a 10 grados,$C_D$está apenas por encima de cero en lugar del valor de 0,12 obtenido cuando se extiende la curva sinusoidal.

Por lo tanto, el perfil NACA tiene una elevación mucho mayor para una resistencia mucho menor que una placa plana equivalente. Para llegar a un$C_L$de 1, el AoA de una placa plana debe ser de 30 grados en lugar de los 10 grados de la NACA. A 30 grados,$C_D$del ala es 0,6 en lugar del 0,02 de la NACA, ¡30 veces mayor! Por lo tanto, la velocidad de giro y otros parámetros solo son de interés si los motores pueden generar 30 veces más empuje.

Las respuestas ya proporcionadas discuten la aerodinámica con cierto detalle.

Otra característica significativa no discutida hasta ahora es la integridad estructural. En una estructura como un ala, habrá compensaciones entre fuerza, delgadez y ligereza: cuanto más se tiene de uno, menos se puede tener de los demás.

Cuando se trata de estructuras muy delgadas, incluso la elección de materiales más fuertes pero más pesados ​​no ayudará lo suficiente para ser útil en un ala que tiene que soportar un avión en el aire.

Incluso si un ala de placa plana tuviera propiedades aerodinámicas ventajosas, sus debilidades estructurales la excluirían de muchas aplicaciones.