Mục tiêu: để mô tả một số hình dạng máy bay phổ biến và thuận lợi, khó khăn và các vấn đề phát sinh trong việc lựa chọn một hình dạng phù hợp, để thảo luận về thiết kế cho tốc độ cao bay, với tốc độ hạ cánh thấp

GIỚI THIỆU

Hình dạng của một chiếc máy bay cực kỳ quan trọng, bởi vì nó ra lệnh như thế nào nó có thể thực hiện một chức năng cụ thể. Đối với một chiếc máy bay bay chậm mà cần phải nâng tải nặng, cần 1 đôi cánh lớn, cùng với một cấu trúc nhẹ. Đối với các máy bay phản lực, yêu cầu là một cánh nhỏ hơn nhiều, và máy bay sẽ được sắp xếp hợp lý hơn. Cấu trúc của máy bay sẽ được mạnh mẽ hơn và cứng hơn, để mang tải cao phát sinh khi bay tốc độ cao và tight turn. Chương này sẽ mô tả làm thế nào hình dạng máy bay được quyết định và các yếu tố khác ảnh hưởng đến việc thiết kế

TẢI CÁNH

Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong một thiết kế máy bay là trọng tải cho cánh của nó. Điều đó chỉ đơn giản là tổng trọng lượng bay của nó được chia theo diện tích cánh của nó. Đó là thông thường để có tổng diện tích cánh bao gồm cả những phần cánh được xây dựng vào thân máy bay, bời vì một số lực nâng được tạo ra từ những diện tích đó. Với đôi cánh đơn giản này có thể đúng là đơn giản, nó không phải là luôn luôn rõ ràng là đường biên của cánh, do đó một mức độ cách nhìn ​​là cần thiết.

 Các tải được tạo ra bởi trọng lượng của máy bay thay đổi trong chuyến bay, tùy thuộc vào tải và nhiên liệu đang mang theo. Ngoài ra, điều khiển đòi hỏi phải thay đổi các lực nâng được tạo ra, khi lực quán tính ảnh hưởng trên các khối lượng máy bay cần được khắc phục (bay tại chế độ 4g làm cho trọng lượng của máy bay lên bốn lần trọng lượng bình thường của nó, do đó lực nâng sản xuất là những đôi cánh phải thay đổi ).

Máy bay hạng nhẹ thông thường sẽ có với trọng tảỉ cánh thấp nhất, và nhanh nhất ở máy bay phản lực, với máy bay vận tải ở tầm trung.

MÁY BAY 1 TẦNG CÁNH VÀ 2 TẦNG CÁNH

Mặc dù vẫn còn 1 số ít máy bay 2 tầng cánh ở khắp nơi, nhưng hầu hết máy bay hiện nay là máy bay 1 tầng cánh, có 1 cánh duy nhất. Điều này đòi hỏi độ cứng và khỏe của cánh, nhưng tránh gánh lấy hậu quả của lực cản do sự bố trí ở máy bay 2 tầng cánh. Một vài máy bay 2 tầng cánh hiện đại là Pitts Special : máy bay nhỏ này sử dụng 2 cánh để cung cấp diện tích cánh lớn, với 1 sải cánh nhỏ, điều này cho phép tốc độ quay nhanh – đặc tính nhào lộn của nó là suất xắc. Hai cánh được nối vs nhau, tạo thành cấu trúc đặc biệt cứng.

Nhiều máy bay hạngnhẹ 1 tầng cánh đượcđặt các giằng chống, có thanh giằng chéo giữa cánh và thân máy bay. Nếu không có thanh chống này, đôi cánh sẽ cần phải được đủ cứng để chống lại tất cả các tải trọng uốn được tạo ra bởi lực nâng trên cánh, do đó đỏi hỏi cấu trúc hơn để tăng trọng lượng, các thanh chống làm đi mất một số của tải nâng, giúp một cấu trúc nhẹ hơn trong các cánh, nhưng kéo theo các chi phí tăng. Vì tốc độ bay chậm của máy bay, lực cản thêm gây ra là nhỏ, và do đó cái nhìn được thừa nhận để  tiết kiệm trọng lượng

Bởi vì hậu quả gây ra lực cản từ các giằng chống, do đó cánh dầm đỡ  thuần túy được sử dụng cho tất cả các máy bay của tốc độ trung bình và cao. Một dầm đỡ đơn giản chỉ là kết cấu xà được hỗ trợ chỉ ở một đầu - đó là giải thích chi tiết hơn trong Chương 4. Sự sắp xếp dầm đỡ cánh có thể được phân loại như cánh thấp, thân giữa máy bay. Thông thường, cánh thấp có vẻ được bố trí  phù hợp cho máy bay vận chuyển phản lực và nhiều máy bay hạng nhẹ, cánh cao cho máy bay vận tải tuabin cánh quạt và cả cánh thấp và trung bình cho máy bay chiến đấu, nhưng có rất nhiều trường hợp ngoại lệ,

Mộtdầm đỡ cánh phải đủ mạnh và đủ cứng để mang toàn bộ trọng lượng của máy bay, và tải khí động của nó, mà không cần thanh giằng bên ngoài. Đối với một chiếc Boeing 747 trọng lượng 350 tấn, cánh sẽ cần phải có khả năng chống tải hơn 1000 tấn mà không có trục trặc hay biến dạng quá mức. Điều này là do điểu khiển và gió giật gây ra tải mà gấp nhiều lần trọng lượng máy bay. Chương 6 cho thấy điều này có thể đạt được như thế nào. Nó cũng phải có khả năng đối phó với tốc độ cao nhất và tải cơ động của máy bay mà không làm chệch hướng quá nhiều, có thể gây ra rung khí động và có thể dẫn đến sự gãy vụn hoặc mất kiểm soát.

Nói chung, tốc độ cao đòi hỏi phải có sải cánh nhỏ hơn và diện tích cánh thấp, do đó một tải cánh cao. Ngược lại, sải cánh lớn và diện tích cánh cao, tức là tải cánh thấp, là tốt nhất cho tốc độ thấp. Trong cất cánh và hạ cánh, nó có thể thay đổi diện tích cánh và một phần cánh ở một mức độ bằng cách sử dụng cánh tà sau ở mép sau. Điều này làm cho các cấu trúc cánh phức tạp hơn nhưng là mong muốn hoặc thậm chí cần thiết nếu máy bay nó hạ cánh tại một tốc độ an toàn. Thiết kế của cánh cho một máy bay tốc độ cao, chẳng hạn như Tornado, sẽ được chủ yếu do yêu cầu về độ cứng, để tránh rung ở tốc độ cao. Tốc độ cao cũng yêu cầu lực cản tối thiểu, vì vậy thu hệ thống càng và diện tích phía trước thấp được yêu cầu. Thậm chí một với máy bay hình dạng khí động, tốc độ cao đòi hỏi lực đẩy cao, và động cơ tubin cánh quạt và động cơ tubin phản lực sẽ là cần thiết, ưu tiên cho các động cơ turbo cánh quạt hiệu quả nhất cho tốc độ thấp hơn. Ở tốc độ rất cao, mặt cắt ngang của thân máy bay và cánh với nhau được thiết kế rất cẩn thận, bằng cách sử dụng quy định khu vực để đạt được lực cản thấp, và dẫn đến một số hình dạng máy bay rất phức tạp. Các nguyên tắc quy định khu vực xem xét các diện tích mặt cắt ngang của thân máy bay cộng với cánh - nếu diện tích này tương ứng với đó của thân lực cản tối thiểu của mặt cắt ngang tương tự, sau đó lực cản siêu âm hoăc cận âm sẽ được giảm thiểu.

Hệ số sức bền theo trọng lượng

Bởi vì máy bay tốc độ cao cần đôi cánh nhỏ làm cho lực cản thấp, tải trọng trên những cánh sẽ rất cao, vì vậy cánh sẽ phải được làm cứng hơn và khỏe hơn để mang tải trọng cánh. Điều này dẫn đến tăng trọng lượng, mà các nhà thiết kế cố gắng để tránh. Tải cánh đang có xu hướng tăng qua các năm, nhưng các nhà thiết kế đảm bảo rằng các vật liệu, được sử dụng để hiệu quả tốt nhất, và sử dụng các vật liệu khỏe hơn và nhẹ nhất. Bằng cách này, hệ số sức bền theo trọng lượng của cấu trúc được cải thiện,. Vật liệu được cải thiện cũng có thể đóng một vai trò trong việc cho phép ứng suất cao hơn sẽ được sử dụng, và mặc dù họ có thể đăt hơn nhiều  họ có thể tiết kiệm chi phí bằng cách làm cho các thiết kế đơn giản và hiệu quả hơn. Điều quan trọng là nhận ra rằng vật liệu hệ số sưc bền theo trọng lượng cao không tự động tạo ra một cấu trúc với những đặc tính tương tự. Điều quan trọng là các vật liệu thích hợp nhất được sử dụng, cùng với một thiết kế đơn giản và hiệu quả, Vật liệu phải có tải lớn ,

Hệ số vững theo trọng lượng

Một điều đặc biệt quan trọng trong 1 số máy bay, ví dụ ở cánh,,là hệ số độ cứng theo trọng lượng. Một cánh đủ khỏe để chịu tải trọng trên nó, nhưng có thể thiếu độ vững cần thiết để giữ hình dạng nó chính xác khi bay. Đây là vấn đề chính, yêu cầu tăng độ cứng có thể sử dụng vật liệu tốt hơn, trọng lượng tăng. Trong một số ứng dụng, chủ yếu là bộ phận nhỏ, vật liệu vs hệ số bên theo trọng lượng có thể ko phải là tốt nhất để sử dụng, bởi vì vật liệu có thể cần phải mỏng để giữ cho đủ vững. Một ví dụ điển hình của điều này là chiếc máy bay mô hình hiện đại- họ sử dụng balsa ( loại gỗ nhẹ ) nó cũng ko được sử dụng trong cấu trúc máy bay có thích thước đầy đủ. Nếu các nhà chế tạo sử dụng hơp kim nhôm, các thành phần yêu cầu mỏng, họ sẽ làm cho chúng mỏng và vững điều này có thể                                   sẽ làm mô hình trở lên nặng đê bay. Vì vậy, độ vững của một cấu trúc phụ thuộc vào cả 2 là thiết kế và vật liệu, sẽ đc đê cập trong chương 4

SWEEP BACK, SWING WINGS AND DELTA WINGS

Máy bay bay ở hay gần vận tốc siêu âm, các luồng khí trên máy bay là rất khác biệt so với bay ở cận âm, các nhà thiết kế có những vẫn đề quan trọng mới cần giải quyết. Một chiếc máy bay bay qua không khí sẽ tạo ra song áp, nó di chuyển vs tốc độ âm thanh. Ở tốc độ thấp hơn tốc độ âm thanh cục bộ các song áp cảnh báo rằng không khí đang gần đến khi máy bay đang tiến tới. Khi tốc độ máy bay tiếp cận gần vận tốc âm thanh, các song áp không còn nhanh hơn đáng kể so vs máy bay, và một song va đang bắt đầu hình thành trên các bộ phận máy bay. Áp suât không khí,tốc độ và nhiệt độ thay đổi đột ngột qua song va này, và dòng chảy sau nó khá hỗn loạn. Hiệu ứng trên máy bay là làm giảm lực nâng, tăng lực cản, nhưng thay đổi trong tinh chỉnh và có thể ảnh hưởng đến điều khiển. Nhà thiết kế đã làm giảm tác động của các vấn đề bằng cách tốt hơn, cụ thể là cánh cụp. Để hiểu làm thế nào để đạt được điều này, hãy xem xét các luồng khí gồm 2 thành phần, 1 là vuông góc vs cạnh trước của cánh, 1 là song song vs cạnh trước. Bằng cánh cuộn các cánh trở lại ( hay chuyển tiếp )các thành phần vuông góc vs cạnh trước đc giảm như cosin góc quét. Lớn hơn góc mũi tên tốc độ cao hơn mà các thành phần này sẽ vẫn là cận âm. Cánh cụp cao hơn cung cấp cho nhưng vẫn đề khác, đặc biệt là kết cấu, và có nhiều khó khăn và tốn kém cho việc xây dựng hơn so vs cánh thẳng đơn giản. Vấn đề khí đông kết hợp vs cánh cụp bao gồm tăng khả năng thất tốc của sự chao đảo , có thể dẫn đến quay, và tỉ số giữa lực nâng và lực cản giảm.

 Khi bay vs vận tốc trên âm, luồng khí thay đổi để trở lên ổn định một lần nữa, mặc dù hoàn toàn khác vs điệu kiện cận âm. Sóng va có dạng mỗi khi có sự thay đổi hướng luồng khí,và hình dạng cong không còn tạo ra lực cản thấp nhất cạnh sắc tạo ra        sóng va duy nhất.và nói chung là hiệu quả hơn các đường cong . Các phương án dạng của cánh trở lên rất quan trọng, tỉ số dài và cạnh cụp cao là phù hợp nhất. Giảm tỉ số dài của cánh làm cho cuộc song dễ dàng hơn cho nhà thiết kê kết câu, nhưng tải sẽ lớn hơn,và kết cấu phải khỏe và cứng.

 Bất lợi chính của cánh cụp là, ở một góc tấn nhất định, lực nâng sẽ được sinh ra ít hơn so vs cánh ko cụp khi chúng cùng kích thước. Điều này do hình dạng của góc mũi tên hoạt động làm giảm hữu ích của góc tấn. Vì vậy, khi máy bay đang bay từ từ, ví dụ trong quả trình cất cánh và hạ cánh, góc tấn lớn hơn là cần thiết để cung cấp đủ lực nâng. Góc tấn lớn trong quá trình hạ cánh và cất cánh có thể gây ra vấn đề với khoảng cách tới mặt đất tại phía đuôi, và với tầm nhìn hạn chế của phi công. Concorde là một ví dụ tốt về điều này, và vượt qua những vấn đề tầm nhìn 1 cách duy nhất vs “droop snoot” của nó. Một cánh lớn hơn có thể được sử dụng - điều này cũng sẽ nâng cao đặc tính  lần lượt cho một máy bay chiến đấu, ví dụ, nhưng sẽ làm giảm tốc độ của nó vì lực cản và trọng lượng lớn hơn

Nếugóc mũi tên có thể thay đổi trong chuyến bay (cánh cụp, xòe), hình dạng máy bay có thể được tối ưu hóa cho nhiều tốc độ bay. Điều này được thực hiện trên một số máy bay quân sự tốc độ cao, trong vị trí duỗi ra ( không cụp )  nó được một cánh thẳng của hệ sô dãn dài của cánh để làm cho vận tốc chậm. Vị trí duỗi ra cho phép quay nhỏ hơn tại tốc độ thấp cũng làm cho cánh tà có hiệu quả tốt cho cất cánh và hạ cánh. Tại vị trí cụp nó phù hợp cho máy bay tốc độ cao.

Một tùy chọn khác cho máy bay mà cần phải bay ở vận tốc lớn nhưng cũng cần bán kính  nhỏ hơn tại mọi tốc độ là cánh delta. Điều này có thuận lợi là có góc mũi tên lớn,  nhưng dây cung lớn tại gốc cánh ( gần vs thân ) cung cấp cho cánh có 1 hệ số dãn dài cánh thấp là sẽ rất khỏe và vững. Chúng thích hợp cao để mang theo vũ khí đc gắn trên cánh . bởi vì cánh cũng rất vững khi xoắn. Bởi vì các dây cung như vậy là lớn hơn, cánh có thể tương đối dày, cung cấp 1 khối lượng lớn để lưu trữ nhiên liệu. So sánh điều này vs English Electric Lightning, vs cánh cụp lớn của nó, mà cần có thùng đặt ở bụng lớn vì nó có thể mang theo rất ít nhiên liệu ở cánh, Nó là tấm cản lưng rất hiệu quả, vì hiều rất lên cao vượt trội, nhưng ngay cả khi thay đổi có thể ở lại trong không khí thời gian ngắn.

Vì khí động học của cánh delta, nó có khả nằng tạo lực nâng tại góc tấn lớn hơn so vs cánh có hình dạng khác, và như vậy phù hợp cho những máy bay chiến đấu rất nhanh nhẹn. Cánh delta trở lên phổ biến hơn ở máy bay chiến đấu hiện tại, và nhiều ví dụ có thể thấy, thường kết hợp vs cánh canard để điều khiển

HỆ SỐ GIÃN DÀI CỦA CÁNH

Hệ số giãn dài cánh của 1 chiếc máy bay là một đặc điểm quan trọng khi thiết kế, và chỉ đơn giản là tỉ số giữa sải cánh đến dây cung động học trung bình của nó ( khoảng cánh trung bình cạnh trên và cạnh dưới ) Dây cung khí đông trung bình cùng vs thực tiễn chuẩn và yêu cầu hoạt động của người sử dụng tất cả nhưng tác động thiết kế cuối cùng.