Wing loading

قوة الرفع L المؤثرة على جناح مساحته A ، يتحرك بسرعة جوية حقيقية v، تُعطى بالعلاقة التالية: $${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}\rho v^{2}AC_{L},}$$ حيث ρ هي كثافة الهواء، و _CL هو معامل الرفع . معامل الرفع هو رقم بلا أبعاد يعتمد على شكل المقطع العرضي للجناح وزاوية الهجوم . ^{[ 12 ]} في الطيران المستقر، لا صعودًا ولا هبوطًا، تتساوى قوة الرفع مع الوزن. باستخدام المعادلة L / A = Mg / A = WSg ، حيث M هي كتلة الطائرة، و WS ₌ M _/ A هو حمل الجناح (بوحدات الكتلة/المساحة، أي رطل/قدم² ^أو كجم/م² ^{، وليس القوة/المساحة)} ، و g هو تسارع الجاذبية الأرضية، تعطي هذه المعادلة السرعة v . ^{[ 13 ]}$${\displaystyle v^{2}={\frac {2gW_{S}}{\rho C_{L}}}.}$$ ونتيجة لذلك، فإن الطائرات التي لها نفس معامل _الرفع عند الإقلاع في ظل نفس الظروف الجوية ستكون سرعات إقلاعها متناسبة مع${\displaystyle {\sqrt {W_{S}}}}$لذا، إذا زادت مساحة جناح الطائرة بنسبة 10% دون تغيير أي شيء آخر، فإن سرعة الإقلاع ستنخفض بنحو 5%. وبالمثل، إذا  زاد وزن طائرة مصممة للإقلاع بسرعة 150 ميلاً في الساعة بنسبة 40% أثناء التطوير، فإن سرعة إقلاعها ستزداد إلى${\displaystyle 150{\sqrt {1.4}}}$≈ 177  ميلاً في الساعة.

تعتمد بعض الطيور على قوة عضلاتها لاكتساب السرعة اللازمة للإقلاع فوق اليابسة أو الماء. يجب أن تكون الطيور التي تعشش على الأرض والطيور المائية قادرة على الجري أو التجديف بسرعة الإقلاع قبل أن تتمكن من الانطلاق. وينطبق الأمر نفسه على طياري الطائرات الشراعية ، مع إمكانية حصولهم على مساعدة من الجري على منحدر. بالنسبة لجميع هذه الطيور، يُعد انخفاض حمولة الجناح _أمرًا بالغ الأهمية، بينما تستطيع الطيور المغردة والطيور التي تعيش على المنحدرات الطيران بحمولة جناح أعلى.

To turn, an aircraft must roll in the direction of the turn, increasing the aircraft's bank angle. Turning flight lowers the wing's lift component against gravity and hence causes a descent. To compensate, the lift force must be increased by increasing the angle of attack by use of up elevator deflection, which increases drag. Turning can be described as "climbing around a circle" (wing lift is diverted to turning the aircraft), so the increase in wing angle of attack creates even more drag. The tighter the turn radius attempted, the more drag induced; this requires that power (thrust) be added to overcome the drag. The maximum rate of turn possible for a given aircraft design is limited by its wing size and available engine power: the maximum turn the aircraft can achieve and hold is its sustained turn performance. As the bank angle increases, so does the g-force applied to the aircraft, this having the effect of increasing the wing loading and also the stalling speed. This effect is also experienced during level pitching maneuvers.^[14]

As stalling is due to wing loading and maximum lift coefficient at a given altitude and speed, this limits the turning radius due to maximum load factor. At Mach 0.85 and 0.7 lift coefficient, a wing loading of 50 lb/sq ft (240 kg/m²) can reach a structural limit of 7.33g up to 15,000 feet (4,600 m) and then decreases to 2.3g at 40,000 feet (12,000 m). With a wing loading of 100 lb/sq ft (490 kg/m²) the load factor is twice smaller and barely reaches 1g at 40,000 ft (12,000 m).^[15]

تميل الطائرات ذات حمولة الجناح المنخفضة إلى امتلاك أداء دوران مستدام فائق، لأنها قادرة على توليد قوة رفع أكبر لكمية محددة من قوة دفع المحرك. تُعرف زاوية الميل اللحظية التي يمكن للطائرة تحقيقها قبل أن يؤدي السحب إلى انخفاض كبير في سرعتها الجوية بأداء الدوران اللحظي . قد تتمتع الطائرة ذات الجناح الصغير ذي الحمولة العالية بأداء دوران لحظي فائق، ولكن بأداء دوران مستدام ضعيف: فهي تستجيب بسرعة لحركات التحكم، لكن قدرتها على الحفاظ على دوران حاد محدودة. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك طائرة إف-104 ستارفايتر ، التي تتميز بجناح صغير جدًا وحمولة جناح عالية تبلغ 723 كجم/م² ⁽ 148 رطل/ قدم مربع) .   

على النقيض تمامًا، كانت طائرة كونفير بي-36 الضخمة : فقد نتج عن أجنحتها الكبيرة حمولة جناح منخفضة تبلغ 269 كجم/م² ⁽ 55 رطل/ قدم مربع)، مما مكنها من القيام بانعطافات أكثر حدة على ارتفاعات عالية مقارنةً بالطائرات المقاتلة النفاثة المعاصرة، بينما كانت طائرة هوكر هنتر ، التي ظهرت لاحقًا بقليل، تتمتع بحمولة جناح مماثلة تبلغ 344 كجم/م² ⁽ 70 رطل/ قدم مربع) . أما النموذج الأولي لطائرة بوينغ 367-80، فكان قادرًا على القيام بانعطافات حادة على ارتفاعات منخفضة بحمولة جناح تبلغ 387 كجم/م² ⁽ 79 رطل/ قدم مربع) عند أقصى وزن.         

مثل أي جسم يتحرك حركة دائرية ، فإن الطائرة السريعة والقوية بما يكفي للحفاظ على طيران أفقي بسرعة v في دائرة نصف قطرها R تتسارع نحو المركز بمعدل${\displaystyle v^{2}/R}$ينتج هذا التسارع عن المركبة الأفقية الداخلية للمصعد.${\displaystyle Lsin\theta }$، أين${\displaystyle \theta }$هذا هو الجانب المصرفي. ثم من قانون نيوتن الثاني ، $${\displaystyle {\frac {Mv^{2}}{R}}=L\sin \theta ={\frac {1}{2}}v^{2}\rho C_{L}A\sin \theta .}$$ بحل المعادلة لإيجاد قيمة R نحصل على $${\displaystyle R={\frac {2Ws}{\rho C_{L}\sin \theta }}.}$$ كلما انخفض حمل الجناح، كلما كان الانعطاف أكثر حدة.

تحتاج الطائرات الشراعية المصممة لاستغلال التيارات الهوائية الصاعدة إلى دائرة دوران صغيرة للبقاء ضمن عمود الهواء الصاعد، وينطبق الأمر نفسه على الطيور المحلقة. كما تحتاج الطيور الأخرى، مثل تلك التي تصطاد الحشرات أثناء الطيران، إلى قدرة عالية على المناورة. جميعها تحتاج إلى حمولة جناح منخفضة.

Wing loading also affects gust response, the degree to which the aircraft is affected by turbulence and variations in air density. A small wing has less area on which a gust can act, both of which serve to smooth the ride. For high-speed, low-level flight (such as a fast low-level bombing run in an attack aircraft), a small, thin, highly loaded wing is preferable: aircraft with a low wing loading are often subject to a rough, punishing ride in this flight regime. The F-15E Strike Eagle has a wing loading of 650 kg/m² (130 lb/sq ft) (excluding fuselage contributions to the effective area), whereas most delta-wing aircraft (such as the Dassault Mirage III, for which W_S = 387 kg/m²) tend to have large wings and low wing loadings.

Quantitatively, if a gust produces an upward pressure of G (in N/m², say) on an aircraft of mass M, the upward acceleration a will, by Newton's second law be given by $${\displaystyle a={\frac {GA}{M}}={\frac {G}{W_{S}}},}$$ decreasing with wing loading.

A further complication with wing loading is that it is difficult to substantially alter the wing area of an existing aircraft design (although modest improvements are possible). As aircraft are developed they are prone to "weight growth"—the addition of equipment and features that substantially increase the operating mass of the aircraft. An aircraft whose wing loading is moderate in its original design may end up with very high wing loading as new equipment is added. Although engines can be replaced or upgraded for additional thrust, the effects on turning and takeoff performance resulting from higher wing loading are not so easily reconciled.

Modern gliders often use water ballast carried in the wings to increase wing loading when soaring conditions are strong. By increasing the wing loading the average speed achieved across country can be increased to take advantage of strong thermals. With a higher wing loading, a given lift-to-drag ratio is achieved at a higher airspeed than with a lower wing loading, and this allows a faster average speed across country. The ballast can be ejected overboard when conditions weaken or prior to landing.

يساعد تصميم الجناح والهيكل المدمج، مثل ذلك الموجود في طائرة جنرال دايناميكس إف-16 فايتينغ فالكون أو ميكويان ميغ-29 فولكروم، على تقليل حمل الجناح؛ في مثل هذا التصميم، يولد الهيكل قوة رفع ديناميكية هوائية، مما يحسن حمل الجناح مع الحفاظ على الأداء العالي.

تستخدم طائرات مثل غرومان إف-14 تومكات وبانافيا تورنادو أجنحة متغيرة الانحناء . ومع تغير مساحة الجناح أثناء الطيران، يتغير حمل الجناح (مع أن هذه ليست الميزة الوحيدة). عندما يكون الجناح في الوضع الأمامي، يتحسن أداء الإقلاع والهبوط بشكل كبير. ^{[ 16 ]}

كما هو الحال مع جميع رفارف الطائرات، تزيد رفارف فاولر من تقوس الجناح ، وبالتالي تزيد من قيمة معامل الرفع الأقصى ( CLmax ) _، مما يقلل من سرعة الهبوط. كما أنها تزيد من مساحة الجناح، مما يقلل من حمل الجناح، وبالتالي يقلل من سرعة الهبوط. ^{[ 17 ]}

تتيح أجهزة الرفع العالي، مثل بعض اللوحات، استخدام أجنحة أصغر في التصميم لتحقيق سرعات هبوط مماثلة لتلك التي يحققها تصميم بديل يستخدم جناحًا أكبر بدون جهاز رفع عالي. تسمح هذه الخيارات بزيادة حمولة الجناح في التصميم، مما قد ينتج عنه مزايا مفيدة، مثل سرعات طيران أعلى أو تقليل الاهتزازات أثناء الطيران بسرعات عالية على ارتفاعات منخفضة (وهذه الميزة الأخيرة بالغة الأهمية لطائرات الدعم الجوي القريب). على سبيل المثال، تستخدم طائرة ستارفايتر من لوكهيد لوحات داخلية قابلة للنفخ لتحقيق تصميم ذي حمولة جناح عالية (723 كجم/م² ⁾ ، مما يسمح لها بطيران أكثر سلاسة على ارتفاعات منخفضة بأقصى سرعة مقارنةً بتصاميم دلتا ذات حمولة جناح منخفضة مثل ميراج 2000 أو ميراج 3 (387 م² ⁾ . أما طائرة إف-16، التي تتميز بحمولة جناح عالية نسبيًا تبلغ 689 م² ^، فتستخدم امتدادات الحافة الأمامية لزيادة رفع الجناح عند زوايا الهجوم العالية.

• Anderson, John D. Jnr. (1999). Aircraft Performance and Design. Cambridge: WCB/McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8.
• Spick, Mike (1986). Jet Fighter Performance-Korea to Vietnam. Osceola, Wisconsin: Motorbooks International. ISBN 0-7110-1582-1.