¿Hay alguna situación en la que sería beneficioso tener una gran sustentación pero una baja relación sustentación/resistencia?

La fase de aterrizaje se beneficiaría de una alta sustentación pero de una baja relación sustentación-resistencia. En la mayoría de las fases del vuelo, necesita aproximadamente la misma cantidad de sustentación para mantener el avión en el aire. Sin embargo, durante el aterrizaje, debe reducir la velocidad a la velocidad de aterrizaje. Por lo tanto, reduce la relación de elevación a resistencia al mantener la misma cantidad de elevación pero aumenta la cantidad de resistencia. Esto generalmente se logra mediante la selección de una gran cantidad de aletas.

En crucero: No. Menos resistencia significa menos empuje, lo que siempre es beneficioso para la operación práctica de un avión.

Solo hay una condición, excepto para la aproximación y el aterrizaje, donde ayuda la alta resistencia, y tampoco durante el crucero: en aviones acrobáticos durante las maniobras verticales.

Si, por ejemplo, la pantalla acrobática incluye una inmersión vertical, la alta resistencia reducirá la velocidad de inmersión que puede alcanzar la aeronave, por lo que las cargas de inercia al final de la inmersión serán menores. Además, las velocidades más bajas significan que las maniobras se pueden realizar con mayor precisión en beneficio de los espectadores.

Aparte de eso: No, menos arrastre siempre es mejor.

Una gran sustentación a expensas de una resistencia aún mayor significa que el avión no podrá volar muy rápido, ya que la resistencia aumenta bruscamente con la velocidad. Pero la sustentación adicional sigue siendo útil en varias situaciones y, a menudo, la proporcionan dispositivos de alta sustentación que crean resistencia. Algunas de estas situaciones incluyen:

• STOL (despegue y aterrizaje cortos) y rendimiento de vuelo a baja velocidad, donde la sustentación alta a baja velocidad es la capacidad crítica. Los dispositivos de gran sustentación, como listones grandes y/o flaps grandes, se despliegan y, a menudo, se retraen para el crucero.

• Tasa de ascenso rápido, donde el exceso de sustentación es esencial pero la velocidad de avance no lo es tanto. Algunos aviones desplegarán parcialmente sus flaps para mejorar la velocidad de ascenso.

• Planos de altura extrema. Todos los aviones tienen una altitud limitada porque la velocidad de pérdida aumenta con la altitud y finalmente alcanza la velocidad máxima del avión. La reducción de la velocidad de pérdida, generalmente agregando área alar, permite que el avión vuele más alto. En altitudes más bajas, estas enormes alas se arrastrarán, aunque la sustentación sea la misma en todas las altitudes.

La pregunta muestra cierta confusión en torno a la diferencia entre las fuerzas y sus coeficientes .

Abordemos primero las fuerzas .

La clave de las fuerzas es que en un estado no acelerado (que excluye el vuelo de giro) tenemos que poder reorganizar los vectores de fuerza en un triángulo cerrado, un cuadrado u otra figura cerrada .

Como en los diagramas vectoriales que se muestran en estas respuestas de ASE:

¿Podemos mostrar a través de geometría simple en lugar de fórmulas o gráficos que la mejor relación de planeo se produce en la relación máxima de elevación a arrastre?

¿Podemos mostrar a través de geometría simple en lugar de fórmulas o gráficos que la mejor relación de planeo se produce en la relación máxima de elevación a arrastre?

¿Levanta el mismo peso en una escalada?

¿Se necesita un exceso de sustentación o un exceso de potencia para escalar?

Puedes ver que en el caso simple donde el vector de Empuje es paralelo a la ruta de vuelo (o es cero), Ascensor = Peso * (coseno de planeo o ángulo de ascenso), entonces Ascensor es menor que Peso si estamos descendiendo o subiendo . La elevación solo es igual al peso cuando estamos volando nivelados.

Continuaremos simplificando las cosas suponiendo que el vector de empuje actúa paralelo a la trayectoria de vuelo y, por lo tanto, directamente opuesto al vector de arrastre, en el resto de esta respuesta. (Consulte el último enlace anterior para obtener un tratamiento más detallado del caso en el que, de hecho, está presente un empuje hacia arriba o hacia abajo significativo, en relación con la dirección de la trayectoria de vuelo) .

Para ángulos de ascenso o planeo pequeños, la disminución en el vector de sustentación es pequeña, pero no es cero.

Dado que una fuerza es proporcional a su coeficiente * velocidad aerodinámica al cuadrado, no hay problema con que el coeficiente de sustentación sea mayor en un ascenso lento que en un crucero rápido. Los coeficientes de sustentación y arrastre están correlacionados con el ángulo de ataque . Si hemos aumentado el ángulo de ataque, sabemos que hemos aumentado el coeficiente de sustentación. Pero no la fuerza de elevación . El exceso de Empuje, es decir, más Empuje que Arrastre, no exceso de Elevación, es el sello clave de una escalada.

Un excelente lugar para comenzar a aprender más sobre los coeficientes de sustentación y arrastre es la sección 4.5 del libro en línea "See How It Flies" de John Denker .

Ver especialmente la línea verde en la figura 4.14 , coeficiente de sustentación versus alfa, figura 4.16 , coeficiente de sustentación versus velocidad aerodinámica, y figura 4.17 , fuerza de sustentación versus velocidad aerodinámica. Puede ver cómo en vuelo nivelado, la sustentación se mantiene igual al peso, aunque el coeficiente de sustentación cambia a medida que cambian el ángulo de ataque y la velocidad aerodinámica.

Después de terminar de leer esta respuesta, el lector puede tener una buena idea de cómo modificar estos gráficos para escalar vuelos en algún ángulo de ascenso determinado. Los cambios clave son: la fuerza de sustentación total se reduce por un factor igual al coseno del ángulo de ascenso, y la velocidad aerodinámica para cualquier ángulo de ataque dado se reduce por un factor igual a la raíz cuadrada del coseno del ascenso. ángulo. Todo porque parte del peso lo soporta el vector de empuje en lugar del vector de elevación.

Muchas personas encuentran que la idea de que la elevación es menor que el peso en una escalada es muy contraria a la intuición. ¿Qué sucede cuando hacemos la transición de un crucero de alta velocidad a un ascenso tirando hacia atrás de la palanca de control o del yugo para reducir la velocidad y acercarnos a Vx, sin cambios en el empuje?

El sello distintivo clave de una escalada es el exceso de empuje en comparación con la resistencia. Si Thrust es constante, tenemos que reducir Drag si queremos escalar ¹ . ¿Cómo podemos hacer eso? Mejorando la relación L/D. Aumentamos el ángulo de ataque, de modo que aumenta el coeficiente de sustentación. El coeficiente de arrastre también aumenta, pero no tanto, por lo que mejora la relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre. La relación L/D es aritméticamente igual a la relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre, por lo que la relación L/D también mejora. Cuando la velocidad del aire termina de ajustarse (disminuir) para que el vector de elevación no exceda el vector de peso, y más específicamente se vuelve igual a Elevación * coseno (ángulo de ascenso), encontramos que la Arrastre ahora es menor que el Empuje, y hacia arriba ir. ²

Podemos ver en los diagramas vectoriales en ¿Levanta el mismo peso en una escalada? que nuestro ángulo de ascenso será igual al arcotangente de ((Thrust-Drag) / Lift)), que también es igual al arcoseno de ((Thrust-Drag) / Weight)). Tenga en cuenta la última expresión: es importante comprender que el ángulo de ascenso se puede expresar en una fórmula que no hace ninguna referencia al vector de elevación. Optimizar el ángulo de ascenso tiene que ver con maximizar el valor de (Empuje-Arrastre).

Un punto clave es que aumentar el ángulo de ataque en realidad no mejora el coeficiente de resistencia . Entonces, ¿cómo puede reducir la fuerza de arrastre ? Porque el aumento del coeficiente de sustentación provoca una disminución en la velocidad del aire que provoca una reducción neta en la fuerza de arrastre .

Por supuesto, hay un breve intervalo inmediatamente después de que hayamos movido la palanca o el yugo hacia atrás, pero antes de que la velocidad del aire haya tenido tiempo de disminuir sustancialmente, donde la sustentación es en realidad mayor que el peso. Durante este tiempo, la ruta de vuelo se curva hacia arriba en la subida. Esta es una condición acelerada. La curva puede ser tan suave que el piloto ni siquiera puede sentir la carga G adicional, pero de hecho hay algo de carga G adicional presente durante la transición. Durante esta transición, también hemos aumentado el arrastre. El aumento de la fuerza de arrastre, más el hecho de que a medida que la trayectoria de vuelo comienza a curvarse hacia arriba, el vector de peso comienza a ganar un componente que actúa en contra de la dirección del vector de velocidad aerodinámica, son responsables de la pérdida de velocidad aerodinámica durante esta transición hacia el ascenso.

Con esos antecedentes en nuestro haber, dirijamos nuestra atención a algunos aspectos específicos de la pregunta original.

Según tengo entendido, una alta relación sustentación/resistencia podría hacer que un avión sea eficiente durante las condiciones de crucero. Esto es cuando la aeronave está en equilibrio, la sustentación es igual al peso y el empuje es igual a la resistencia, y dado que hay menos resistencia, se requiere menos empuje. Es esto correcto

¡Sí!

Por ejemplo, si la sustentación generada fuera de alrededor de 10000 N con 700 N de arrastre (14,29 l/d) en comparación con menos sustentación y arrastre, 8000 N de sustentación con 600 N de arrastre (13,33 l/d), sería menos arrastre a expensas de menos sustentación valdría la pena en el contexto de las condiciones de crucero (donde el empuje tendría que ser igual al arrastre para mantener una velocidad constante)?

Aquí está la respuesta irónica:

¡Absolutamente! Has reducido el Peso en 2000 Newtons, por lo que necesitarás menos Empuje. Tu fuerza de arrastre ahora es de solo 600 Newtons, así que esa es la cantidad de empuje que necesitarás. Reducir el peso siempre es útil, si el objetivo es minimizar el empuje requerido en el vuelo de crucero.

Pero si la intención era que el peso en realidad permaneciera constante, bueno, esperemos que a estas alturas el lector entienda que hay un paradigma defectuoso en juego aquí. Si el peso es constante, no importa lo que hagamos con la relación L/D , no podemos variar el tamaño del vector de sustentación en un vuelo de crucero. La elevación está restringida al mismo peso. Pero podemos optimizar la relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre, es decir, la proporción entre Elevación y Arrastre, de modo que se minimice el Arrastre y, por lo tanto, también se minimice el requisito de Empuje.

Por otro lado, como han señalado otras respuestas, una relación baja entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre y, por lo tanto, una relación baja entre sustentación y arrastre, es beneficiosa para hacer que la trayectoria de planeo sea más pronunciada durante la aproximación. Pero también queremos una velocidad aerodinámica baja y, por lo tanto, un coeficiente de sustentación alto , a medida que nos acercamos al aterrizaje. Estos objetivos no son inconsistentes: los flaps los cumplirán muy bien. Los flaps aumentan el coeficiente de sustentación, pero aumentan aún más el coeficiente de arrastre.

En retrospectiva, la idea de reducir la sustentación (sin reducir el peso) en un vuelo de crucero puede parecer un poco tonta. Pero la verdad es que los pilotos muy a menudo imaginan que la sustentación es mayor que el peso en un ascenso, lo cual es un concepto igualmente erróneo. ³ Entonces la confusión es comprensible. Lo que en realidad aumentamos a menudo para entrar en un ascenso no es la sustentación, sino el coeficiente de sustentación . Y la razón fundamental por la que hacemos esto no es porque necesitemos más sustentación, sino porque queremos una mejor relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre y, por lo tanto, una mejor proporción entre sustentación y arrastre. Todo porque necesitamos reducir Drag, para maximizar nuestro ángulo de ascenso para una determinada cantidad de empuje.

Asimismo, los pilotos a menudo hablan de un "ala de gran sustentación". Sería más claro, y podría ayudar a evitar parte de la confusión contenida en la pregunta original, hablar de un ala con un alto coeficiente de sustentación máxima .

Una pregunta relacionada: ¿qué está pasando con un avión STOL con listones, mucha inclinación de las alas, etc.? Si escalar se trata de minimizar la resistencia en lugar de maximizar la sustentación, entonces, ¿cómo puede ayudar toda esa resistencia al ángulo de ascenso?

Respuesta: el objetivo principal de esas características de diseño es aumentar el coeficiente de sustentación y ayudar a que la aeronave aterrice y despegue lentamente . Si el empuje es constante, entonces el ángulo de ascenso máximo de la aeronave se produce en la relación máxima de Cl/Cd y L/D, donde se minimiza la resistencia y se maximiza (Empuje-Resistencia). Muchas de esas características de diseño aumentan tanto el coeficiente de arrastre que disminuyen la relación máxima de Cl/Cd y L/D. Sin embargo, en el mundo real, para los motores de pistón y turbohélice, hay mucho más empuje disponible a una velocidad aerodinámica más baja que a una velocidad aerodinámica más alta, por lo que, después de todo, algunas de esas características pueden ofrecer una mejora neta en el ángulo máximo de ascenso. ⁴Considere también que hay un beneficio en el franqueamiento de obstáculos si el ángulo máximo de ascenso se logra poco después del despegue, en lugar de después de un largo período de aceleración. Pero la razón fundamental por la que esas características existen es para permitir despegues y aterrizajes lentos, es decir, cortos.

Notas al pie--

1. Por supuesto, en realidad, el empuje en realidad no se mantiene constante a medida que aumentamos el ángulo de ataque y disminuimos la velocidad del aire, especialmente en un avión con motor de pistón, que tiende a producir una cantidad de potencia aproximadamente constante . Por lo general, hay más empuje disponible a medida que reducimos la velocidad aerodinámica, que es otra razón por la cual el ángulo de ascenso mejora a medida que disminuimos la velocidad para acercarnos a la velocidad aerodinámica Vx.

2. Consulte la nota al pie 3 para obtener una descripción completamente diferente, y errónea, de lo que sucede cuando movemos la palanca o el yugo hacia atrás para comenzar a ascender, tomada de los materiales de entrenamiento de vuelo de la FAA.

3. Por ejemplo, en la página 3-16 del "Manual de vuelo de aviones" de la FAA (2016), leemos " Cuando un avión ingresa a un ascenso, se debe desarrollar un exceso de sustentación para superar el peso o la gravedad. Este requisito para desarrollar más sustentación da como resultado más arrastre inducido, lo que da como resultado una velocidad aerodinámica reducida y/o un ajuste de potencia aumentado para mantener una velocidad aerodinámica mínima en el ascenso. Un avión solo puede mantener un ascenso cuando hay suficiente empuje para compensar el aumento de arrastre... " respuesta, esto simplemente no es cierto. Si hacemos la transición de un vuelo nivelado a un ascenso sin hacer algo (como reducir la velocidad a Vy o Vx) para reducir la fuerza de arrastre a un nivel más bajovalor que teníamos un vuelo nivelado, sin duda tendremos que aumentar el empuje, pero ese exceso de empuje se está utilizando para ayudar a soportar el peso de la aeronave, no para contrarrestar el aumento de arrastre debido al aumento de sustentación. Los materiales de capacitación de la escuela de tierra de la FAA de esta naturaleza a menudo se consideran fuentes deficientes de información fáctica sobre las fuerzas reales presentes en varios escenarios en vuelo. Consulte, por ejemplo, la descripción deficiente de las fuerzas en el vuelo deslizante en el "Manual de vuelo del planeador" (2013) como se analiza cerca del final de esta respuesta ASE relacionada , y la descripción deficiente de las fuerzas en el vuelo de deslizamiento o derrape en el "Manual del piloto of Aeronautical Knowledge" (2016) que aparece en esta pregunta ASE relacionada .

4. A veces, hay tanta potencia disponible que el ángulo de ascenso máximo disponible simplemente no es motivo de preocupación (vea el avión con esteroides "Draco" en este video de YouTube), pero observe la diferencia en la configuración entre la aproximación y el aterrizaje y el despegue y subir .)