Varför var Spitfire ' s elliptiska vinge nästan okopierad av andra flygplan under andra världskriget?
On januari 24, 2021 by adminSpitfire var en av de mest framgångsrika designerna på sin tid, med flygkvaliteter av samma standard som de andra bästa designerna i eran. Under sitt decennium av produktion från 1936 växte det större , starkare och snabbare .
Ändå verkar det finnas nästan ingen aptit från något av de större flygplanen -tillverkningskrafter för att efterlikna dess mest ikoniska funktion. I själva verket finns det bara ett massproducerat flygplan av den tiden med en elliptisk vinge, den amerikanska P-47 Thunderbolt . Inget tyskt eller japanskt, och ingenting mer från britterna heller.
Under en period där varje tillverkare försökte få varje sista fördel, verkar det konstigt att en förstklassig designfunktion lockade så lite aptit att kopiera .
Det finns bra förklaringar här på aerodynamik eller prestanda av den elliptiska vingen. Varför är det så sällsynt när det bevisligen fungerar så bra?
Kommentarer
- Observera att även Spitfires var tillverkad i ” klippt vinge ” varianter under kriget som hade vingtopparna kvadrerade. Detta var för att förbättra den låga höghastigheten och rullhastigheten, vilket är en viktig faktor i luftstrid men inte så mycket i andra typer av luftfart.
- Observera att din länk om prestanda innehåller det accepterade svaret: ” Både vikt och stallkaraktäristika för elliptiska vingar är mindre än optimala ; den låginducerade dragkoefficienten köps med högre strukturell massa och därmed lyft. ”
- Intressant artikel om Luft & Utrymme .
Svar
Intressant kunde jag inte hitta något svar på denna fråga på webbplatsen, men jag har hittat ett svar från Peter Kämpf på Quora . Han tar fram samma argument som jag ville nämna, så jag upprepar dem här.
Elliptiska vingar är väldigt bra – aerodynamiskt. Om du vill minimera inducerad dragning för ett visst lyftbehov, hamnar du med en elliptisk vinge.
Men ett plan är inte bara aerodynamik. Du måste också tänka på:
- Vikt, en elliptisk vinge är inte strukturellt effektiv och kommer att leda till en högre vikt, vilket leder till högre lyftkrav som leder till mer inducerat drag, även med en mycket effektiv vinge.
- Kontrollerbarhet, var och hur vingarna avgör om du kan återhämta dig från en bås. Elliptiska vingar stannar först, vilket leder till dåligt stallbeteende.
- Tillverkningsförmåga, en helt elliptisk vinge är mycket svår att göra, med sina dubbla kurvor. Detta kommer att göra vingen dyrare.
Om du inkluderar dessa faktorer kommer du att se att du slutar med en kompromiss. Om du använder vingavsmalning (som ligger nära den aerodynamiska optimala formen) men mycket lättare att göra och mycket lättare kommer du att se att du kommer att få en bättre design övergripande.
En analys av hur designen av en vinge förändras om du tar med de strukturella kraven gjordes av Jones och kan hittas här .
Kommentarer
- Den verkliga mördaren var tvungen att göra sammansatta stansningsformar för LE-vingarna. P-47 kom en hel del dit genom att bara göra TE eliptisk, vilket möjliggjorde bara raka böjda framkanter. Sammantaget hade Spit, precis som Merlin, det typiska brittiska kännetecknet för mycket höga delar, av komponenter som tillverkades av 5 delar där ett amerikanskt flygplan skulle göra dem från en eller två. Kroppsformare gjorda av många små bitar etc.
- ” Elliptiska vingar är mycket bra – aerodynamiskt. Om du vill minimera inducerat drag för ett visst lyftbehov får du en elliptisk vinge. ” Det är felaktigt.
- Om du går massor snabbare, du minimerar inducerat drag. Få människor förstår vindkraften på 300 km / h, och de var redan på väg till 400 km / h. Tanken bakom denna typ av vinge ersattes helt enkelt av nyare designkrav med fokus på framkant och komprimerbarhet. De fick dock en sak rätt, de gjorde den tunn och Spitfire-linjen varade fram till 1950-talet.
- Bör ” återhämta sig från en vinge ” kanske har varit ” … från en snurrning ”?
- @ RoiMaison.Det återupplivar den gamla myten att elliptiska planformer ger elliptiska tryckfördelningar. De gör inte ’ t. Och jag önskar att folk skulle sluta sprida det nonsens.
Svar
Tja, det korta svaret är att den elliptiska vingen var används på mycket mer flygplan än vad den här artikeln tillåter.
Följande alla använde en elliptisk vinge och det finns andra också:
- Tyska Heinkel 112-fighter
- Tyska Heinkel 111-bombplan
- Tyska Heinkel 70
- US P35
- US P43
- Italienska Reggiane 2000
- Japansk Aichi D3A ”Val” dykbomber
- British Hawker Tempest
Kommentarer
- I ’ har aldrig hört talas om någon av dem. Och jag tvivlar på att jag ’ någonsin har hört talas om en Spitfire om den inte ’ inte har ” dess mest ikoniska funktion ” inuti den , Rolls-Royce Merlin
- @Mazura He 111 och Tempest är mycket välkända flygplan. Han 111 var den största tyska bombplanen och ett viktigt mål för Spitfires. Och även om RR Merlin också är välkänt är det knappast anledningen att känna till Spitfire om du inte är en flygmotornörd (dvs. Lancasters och Mosquitos skulle behöva vara mycket mer kända än de är.).
- Tack men jag föreslår att ’ är en ganska bred definition av både elliptisk och massproducerad.
- Jag skulle inte ’ t beskriva P43 som elliptisk vinge
- @PartyArk Hur definierar du elliptisk att du tycker att svaret använder en bred definition?
Svar
Kort svar: Elliptiska vingar är för dyra att tillverka. En trapesformad vinge med en definierad geometrisk eller aerodynamisk vridning kan komma mycket nära en elliptisk lyftfördelning (optimal lyftfördelning över vingbredden, därför det främsta målet för vingdesignen).
Kommentarer
- Välkommen till Aviation.SE! Att lägga till några källor genom att redigera ditt svar skulle verkligen förbättra ditt svar.
- Precis som hus som inte är ’ t gjorda av rektanglar; svårare att göra och därmed dyrare.
Svar
Många plan använder fortfarande elliptiska vingar – sortera av.
Vad matematiken berättar för oss är att den mest effektiva vingkonfigurationen för ett visst vingspänn bör ha en elliptisk lyftfördelning *. Det mest uppenbara sättet att genomföra detta är att göra dina vingar elliptiska.
Men flygplanets konstruktörer lärde sig av erfarenheten av att tillverka Spitfire att elliptiska vingar är svårare att tillverka vilket leder till ökade kostnader och tillverkningstid.
Så senare i kriget när resurserna blev snäva och alla antog att de tävlade med tyskarna för att bygga bättre, snabbare plan designade medvetet att använda raka vingar för att underlätta produktionen och minska kostnaderna. P51 Mustang designades på detta sätt.
Men vi har lärt oss att göra din vinge elliptisk inte är det enda sättet att ha elliptisk hissfördelning. För att få elliptisk hissfördelning kan du:
- Gör din vinge mer elliptisk
- Lägg till tvätt för att ställa in lyftfördelningen längs vingen
- Ändra profilprofil från rot till spets för att ändra lyftfördelning
- Gör någon kombination av ovanstående (t.ex. tvätt + rundade tips)
Så många plan använder fortfarande elliptiska vingar. Speciellt när bränsleekonomi är ett av de viktigaste målen för kördesign. Det ” s bara att de inte ”t ser elliptisk.
*
Obs: Det finns bevis för att detta kanske inte är korrekt. Det är sant att om du fixar din vingbredd matematiken kommer en elliptisk fördelning men om du fixar din vikt ( dvs. lyft vid kryssning) den mest effektiva distributionen visar sig vara något annat (något klockformat) men du behöver förlänga ditt vingbrett
Kommentarer
- Detta är för exakt för att vara användbart. Vilka matematik pratar du om? Har du några citat (från ansedda källor) som säkerhetskopierar dina uttalanden?
- @Lysistrata Standardmatematiken vid beräkning av hissfördelning: Prandtl ’ s lyftlinje teori (google ” tejp för lyftlinjer ”)
- Tack. Lyftlinjeteorin är särskilt felaktig nära vingspetsarna. Det är ett mycket dåligt val för vingar med så små bildförhållanden som Spitfire.
Svar
Den största nackdelen med Spitfires elliptiska vinge var mängden arbete som krävs för att bygga den.Sammantaget krävde Spitfire cirka fem gånger så många arbetstimmar för att bygga som närmaste tyska motsvarighet, Messerschmitt Bf 109.
Kommentarer
- Att ’ är väldigt intressant – har du en källa för de fem gånger arbetstimmar?
- Corelli Barnett, i Audit of War, jämför olyckligt de 13 000 arbetstimmar som behövs för att göra en Spitfire Mk V-flygplansskiva med 4000 för en Me 109G. (Spitfire tog också två och en halv gånger så lång tid att göra som en orkan, även om Barnett inte nämner detta.)
- 13 000 arbetstimmar för Spitfire jämfört med 4000 för Bf 109 skulle vara 3,25 gånger så många arbetstimmar, men de faktiska siffrorna skulle ha varierat under den period av flera år då båda flygplanen var i produktion.
- En internetkälla citerar siffror på 15 200 arbetstimmar för Spitfire, 10 000 för orkanen och 6000 för Bf 109 i början av 1940, också en variabel siffra mellan 2000 och 10000 arbetstimmar för de olika modellerna av Bf 109.
Lämna ett svar