Аэродинамический профиль Клайна-Фоглемана

Конструкция аэродинамического профиля

Профиль Клайна-Фогльмана или профиль КФ — это простая конструкция профиля с одним или несколькими шагами по длине крыла. Первоначально он был разработан в 1960-х годах для бумажных самолетов.

В XXI веке аэродинамический профиль KF вновь обрел интерес среди любителей-строителей радиоуправляемых самолетов из-за простоты его конструкции. ^[1] Однако он не был принят для полноразмерных самолетов, способных перевозить пилота, пассажиров или другие значительные полезные грузы.

История

Профиль крыла KF был разработан Ричардом Клайном и Флойдом Фоглеманом.

В начале 1960-х годов Ричард Клайн хотел сделать бумажный самолетик, который мог бы выдерживать сильный ветер, подниматься высоко, выравниваться самостоятельно, а затем входить в долгое нисходящее планирование. После множества экспериментов ему удалось достичь этой цели. Он представил бумажный самолетик Флойду Фоглеману, который увидел, как он летает и не сваливается. Затем двое мужчин подали заявку на патент на ступенчатый аэродинамический профиль.

Дальнейшее развитие привело к двум патентам и семейству аэродинамических профилей, известных как аэродинамический профиль KF и аэродинамические профили KFm (для модифицированного Клайна–Фоглемана). Два патента, патент США № 3,706,430 и патент США № 4,046,338, относятся к введению ступеньки либо снизу (KFm1), либо сверху (KFm2) аэродинамического профиля , или и сверху, и снизу (KFm4). Разновидности включают аэродинамические профили с двумя ступеньками сверху (KFm3) или двумя ступеньками сверху и одной снизу (KFm7).

Целью ступеньки, как утверждается, является позволить части вытесненного воздуха попасть в карман за ступенькой и стать частью формы аэродинамического профиля в качестве захваченного вихря или прикрепления вихря. Это якобы предотвращает разделение и поддерживает поток воздуха над поверхностью аэродинамического профиля.

Прием

2 апреля 1973 года журнал Time опубликовал статью « The Paper-Plane Caper »^[2] о бумажном самолетике и его аэродинамическом профиле Клайна-Фогльмана.

Также в 1973 году CBS 60 Minutes сделал 15-минутный сегмент о KF airfoil. CBS повторил шоу в 1976 году. ^{[ необходима цитата ]}

В 1985 году Клайн написал книгу под названием « The Ultimate Paper Airplane» (Последний бумажный самолетик) . ^[3] Чтобы рекламировать книгу, Клайн отправился в Килл-Девил-Хиллз, Северная Каролина , место, где братья Райт впервые совершили полет, где совершили свой первый пилотируемый полет на высоте 122 фута (37 м). Съемочная группа Good Morning America засняла это событие. Самый длинный полет Клайна на его бумажном самолетике составил 401 фут 4 дюйма (122,33 м).

Независимые научные испытания

Аэродинамический профиль KFm2, демонстрирующий предполагаемый вихревой ламинарный поток

В 1974 году финансируемое НАСА исследование, вызванное заявлениями Клайна и Фогельмана и получившее последующее освещение в стране, показало, что аэродинамический профиль имеет худшее отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению , чем плоский пластинчатый аэродинамический профиль в испытаниях в аэродинамической трубе. ^[4]

В 1990-х годах, после истечения срока действия первоначальных патентов , исследователи вернулись к теме ступенчатых крыльев. Исследование 1998 года, проведенное Фати Финаишем и Стивеном Уизерспуном в Университете Миссури, протестировало многочисленные конфигурации ступеней в аэродинамической трубе. ^[5] Хотя многие конфигурации ступеней ухудшали характеристики крыла, многообещающие результаты были достигнуты с обращенными назад ступенями на нижней поверхности крыла, в некоторых случаях показывая значительное улучшение подъемной силы без значительного снижения сопротивления. Однако исследователи обнаружили, что одна конфигурация не может быть лучшим решением для каждого угла атаки и скорости полета; вместо этого они пришли к выводу, что «во время одного маневра могут потребоваться совершенно разные конфигурации». Идея работает, заключили Финаиш и Уизерспун, но только при активной автоматической реконфигурации формы ступеней во время полета. Исследование 2008 года, проведенное Фабрицио Де Грегорио и Джузеппе Фрайоли в CIRA и Римском университете в Италии, развило эту идею дальше. ^[6] Модельные аэродинамические профили, используемые в их испытаниях в аэродинамической трубе, были оснащены многочисленными небольшими отверстиями, через которые воздух мог активно продуваться или всасываться. Они пришли к выводу, что захваченный вихрь, образованный полостью или ступенькой, не мог удерживаться на месте без такого активного контроля. Простого пассивного доверия к форме крыла было недостаточно — вихрь отделялся, возможно, давая худшие характеристики, чем исходный аэродинамический профиль без ступени. Но когда для удержания вихря на месте использовались активные элементы управления, они нашли результаты «действительно обнадеживающими».

Исследование случая, проведенное в рамках данного исследования, было сосредоточено на БПЛА RQ-2 Pioneer, используемом в конфигурации ступенчатого профиля, путем сравнения его аэродинамических характеристик с обычным профилем NACA 4415, изначально использовавшимся на этом самолете. Основной целью исследования случая было определить и наметить график шагов для диапазона полета БПЛА Pioneer, использующего конфигурацию ступенчатого профиля, в то же время применяя активное управление потоком для получения улучшенных аэродинамических характеристик по сравнению с обычным профилем NACA 4415, изначально использовавшимся, и, следовательно, улучшить летные характеристики, такие как дальность и выносливость самолета. ^[7]

Применение профиля KF сегодня

Низкие показатели аэродинамического качества при испытаниях в аэродинамической трубе привели к тому, что на сегодняшний день аэродинамический профиль KF не использовался ни в одном полноразмерном самолете. Однако аэродинамический профиль KF и производные от него «ступенчатые» аэродинамические профили в последние годы приобрели популярность в мире радиоуправляемых моделей самолетов из пенопласта. Низкие числа Рейнольдса позволяют ступенчатым аэродинамическим профилям создавать значительную подъемную силу для сопротивления, что делает их все более популярными среди любителей радиоуправляемых моделей.

Простая форма аэродинамического профиля KF хорошо подходит для изготовления из листов различных пенопластов, обычно из вспененного полистирола (EPS) или вспененного полипропилена (EPP). Полученное ступенчатое крыло может иметь улучшенные эксплуатационные и летные характеристики по сравнению с более простым крылом «плоской пластины», используемым в некоторых радиоуправляемых моделях. Аэродинамические профили, показанные в этой статье, являются примерами тех, которые используются в радиоуправляемых моделях из пенопласта.

Первый пилотируемый самолет на основе аэродинамического профиля KF был успешно запущен в 1987 году ^{[ требуется ссылка ]} Ричардом Вудом в Канаде. (The Recreational Flyer Magazine, ноябрь, декабрь 1991 г.) Максимальная скорость была выше, а сваливание — медленнее ^{[ требуется разъяснение ]} (The Recreational Flyer Magazine, ноябрь/декабрь 1991 г.). Аэродинамический профиль был испытан на сверхлегком самолете Vector 600.

Аэродинамический профиль KF был применен к ветровой турбине Darrieus с использованием захваченного вихря. Эксперименты показали, что ротор KF демонстрирует более высокий статический и динамический крутящий момент при низком числе Рейнольдса и лучшую производительность при ветровых условиях ниже 0,8 м/с ^{[ необходимо разъяснение ]} . Это рассматривается как потенциальное решение для самозапуска ветровой турбины Darrieus.

Первый полет человека на аэродинамическом профиле Клайна Фогельмана состоялся 7 июля 1987 года в Эссексе, Онтарио, Канада, Ричардом (Диком) Вудом. Это первая и единственная известная попытка установки этого аэродинамического профиля на полноразмерный самолет. После обсуждения с изобретателем Диком Клайном было решено сделать 2 выемки на крыло. Это привело к полезному побочному эффекту для крыла, поскольку воздушный поток сохранялся прикрепленным к крылу при больших углах атаки. Vector 600 Ultralight был восстановлен в авиационной ткани, и выемки были встроены, но закрыты. Первые полеты проводились с выемками, закрытыми для получения обычного аэродинамического профиля. Последующие полеты имели вырезанные и открытые выемки. Было отмечено увеличение максимальной скорости и более низкую скорость сваливания. Обычный полет, по-видимому, не пострадал. https://www.youtube.com/watch?v=A1zy57S5DUQ

Патенты

Патент США 3,706,430 АЭРОПРОФИЛЬ ДЛЯ САМОЛЕТА , подан 17 марта 1970 г., выдан в декабре 1972 г.
Патент США 4,046,338 Аэродинамический профиль для самолета с улучшенным устройством создания подъемной силы , поданный 14 октября 1975 г., выдан 6 сентября 1977 г.

Смотрите также

Ссылки

^ Пример обсуждения на форуме RC Groups
^ "Science: The Paper-Plane Caper". TIME. 1973-04-02. Архивировано из оригинала 24 октября 2008 года . Получено 2012-05-13 .
^ Ричард Клайн (1985). The Ultimate Paper Airplane: With Step-by-Step Manuals for Seven Different Models . Simon and Schuster. ISBN 978-0-671-55551-1.
^ Ламсдейн, Эдвард (1974-12-15). «Исследование профиля Клайна-Фогльмана для применения в лопастях ротора» (PDF) .
^ Аэродинамические характеристики аэродинамического профиля с вихрем, создаваемым ступенькой, для увеличения подъемной силы, Журнал аэрокосмической техники, январь 1998 г.
^ "Управление потоком на аэродинамическом профиле большой толщины с помощью захваченной вихревой полости, 14-й Международный симпозиум по применению лазерных технологий в механике жидкостей, Лиссабон, июль 2008 г." (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2012-03-20 . Получено 13-05-2012 .
^ Voona, Ranganadhan (2012). Enhancing the aerodynamichieskie produkty of step airfoils Numerical and Experimental Study (1. Aufl. ed.). Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. С. 45–54 . ISBN 978-3-659-26600-3.

Внешние ссылки

Испытание аэродинамического профиля KF
Видеоролики YouTube об энтузиастах, строящих и летающих на самолетах с аэродинамическим профилем KF
Интервью с Ричардом Клайном о том, как он придумал этот дизайн
Фотографии самолетов с профилем KF
Fancy Flights, Скотт Моррис, статья в журнале Omni 1984 года об исследованиях в США профиля KF

[1] Пример обсуждения на форуме RC Groups

[2] "Science: The Paper-Plane Caper". TIME. 1973-04-02. Архивировано из оригинала 24 октября 2008 года . Получено 2012-05-13 .

[3] Ричард Клайн (1985). The Ultimate Paper Airplane: With Step-by-Step Manuals for Seven Different Models . Simon and Schuster. ISBN 978-0-671-55551-1.

[4] Ламсдейн, Эдвард (1974-12-15). «Исследование профиля Клайна-Фогльмана для применения в лопастях ротора» (PDF) .

[5] Аэродинамические характеристики аэродинамического профиля с вихрем, создаваемым ступенькой, для увеличения подъемной силы, Журнал аэрокосмической техники, январь 1998 г.

[6] "Управление потоком на аэродинамическом профиле большой толщины с помощью захваченной вихревой полости, 14-й Международный симпозиум по применению лазерных технологий в механике жидкостей, Лиссабон, июль 2008 г." (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2012-03-20 . Получено 13-05-2012 .

[7] Voona, Ranganadhan (2012). Enhancing the aerodynamichieskie produkty of step airfoils Numerical and Experimental Study (1. Aufl. ed.). Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. С. 45–54 . ISBN 978-3-659-26600-3.