nachricht

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rückblick auf die vorherige ausgabe: populärwissenschaft: wie viele arten von tragflächenprofilen gibt es in flugzeugflügeln (1)

die start-, landegeschwindigkeit und manövrierfähigkeit des variablen flügels, des deltaflügels und des trapezflügels sind nicht so gut wie die des geraden flügels. allerdings ist der hochgeschwindigkeitsflugwiderstand des geraden flügels zu groß mit mechanischen mitteln kann der hintere flügel des flügels hergestellt werden. der streifwinkel kann während des flugs nach bedarf geändert werden. wäre das nicht das beste aus beiden welten? dies ist der ursprung des variablen pfeilflügels.

das konzept der variablen pfeilflügel erscheint einfach, bei seiner umsetzung gibt es jedoch viele probleme. da ist zunächst die frage der flugstabilität. wenn der flügelschwenkwinkel zunimmt, verschiebt sich das auftriebszentrum allmählich nach hinten, und bald wird es ein problem geben, dass das auftriebszentrum weit vom schwerpunkt entfernt ist. selbst wenn das supergroße horizontale heck dies unterdrücken kann, wird es einen enormen widerstand mit sich bringen , und der gewinn wird den verlust nicht wert sein. um die bewegung des auftriebszentrums zu reduzieren, kann der variable pfeilflügel nur in zwei abschnitte unterteilt werden. das scharnier ist außerhalb des festen innenabschnitts angeordnet, während der bewegliche außenabschnitt reduziert ist, wodurch die wirkung des variablen pfeilflügels verloren geht vereinfachen sie das technische design.

um flugstabilitätsprobleme zu minimieren, macht der bewegliche abschnitt der su-17 nur die hälfte der flügelspannweite aus; der bewegliche abschnitt der f-14 ist zwar größer, verfügt aber immer noch über einen großen festen abschnitt. es gibt viele spezifische probleme mit dem variablen pfeilflügel: es ist nicht einfach, einen platz für das unterflügelfahrwerk zu finden, der treibstofftank im flügel kann nicht im beweglichen abschnitt konstruiert werden, was die gesamtfläche im flügel erheblich reduziert der treibstofftankraum und die waffenmasten unter den flügeln müssen sich synchron mit dem beweglichen abschnitt drehen, um das fahrwerk aufrechtzuerhalten. die getragenen waffen sind nach vorne gerichtet und mit den inhärenten mechanischen problemen des flügels mit variabler schwenkbewegung verbunden der flügel wird mit der zeit sehr schwer, was die aerodynamischen vorteile des flügels mit variabler pfeilung stark zunichte macht.

nach einem kurzen auftauchen in den 1960er und 1970er jahren werden flügel mit variabler pfeilung heute nur noch selten eingesetzt. die tu-160, die erstmals 1981 flog, war das letzte neu produzierte flugzeug mit variabler pfeilung.

bei nach vorne gepfeilten flügeln, großen pfeilflügeln und deltaflügeln wird der luftwiderstand durch den pfeilwinkel verringert, aber die luft interessiert sich tatsächlich nur für den schrägen pfeilwinkel und kümmert sich nicht darum, ob der flügel nach hinten oder nach vorne gepfeilt wird. was sind also die vorteile von nach vorne geschwungenen flügeln? der luftstrom in spannweitenrichtung eines nach vorne gepfeilten flügels verläuft nach innen, und der körper blockiert schließlich auf natürliche weise den luftstrom in spannweitenrichtung, wodurch die effizienz des flügels bei der auftriebserzeugung verbessert wird.

noch wichtiger ist, dass nach vorne gepfeilte flügel das problem des strömungsabrisses an den flügelspitzen deutlich verzögern. luft ist viskos und diese viskosität bildet eine grenzschicht (auch grenzschicht genannt) auf der oberfläche des flügels. in der grenzschicht ist der luftstrom träge und die wirkung der auftriebserzeugung geht verloren. beim fliegen mit einem hohen anstellwinkel strömt der luftstrom entlang der spannweite des gepfeilten flügels, wodurch sich die grenzschicht zur flügelspitze hin ansammelt, wodurch die flügelspitze zuerst abreißt und sich das auftriebszentrum in richtung der flügelwurzel verschiebt. dies führt dazu, dass die nase des flugzeugs weiter ansteigt und schließlich das gesamte flugzeug zum strömungsabriss führt.

nach vorne gepfeilte flügel sind anders. die flügelspitzen befinden sich in einer „sauberen“ luftströmung, an den flügelwurzeln kommt es zu einer grenzschichtansammlung, der auftriebsverlust ist gering und die querruder sorgen für eine effektive rollkontrolle. bei nach vorne gepfeilten flügeln tritt erst dann ein strömungsabriss an der flügelspitze auf, wenn fast der gesamte flügel zum stillstand gekommen ist, was viel später der fall ist als bei nach hinten gepfeilten flügeln. dies ist vorteilhaft für die verbesserung der manövrierfähigkeit.

die luft ist nur an der „schwenkung“ des flügels interessiert. dabei spielt es keine rolle, ob er nach vorne oder nach hinten geschwenkt wird. das bild unten sollte die amerikanische x-29 zeigen, was ein anderes ist forschungsflugzeug mit vorwärtspfeilflügel.

vorwärtsgepfeilte flügel weisen jedoch auch einen wesentlichen fehler auf: aeroelastische divergenz. die flügel sind nicht starr, weisen aber eine gewisse flexibilität auf.

der luftstrom über der flügeloberfläche erzeugt auftrieb, und der auftrieb wirkt auf den flügel, sodass die flügelspitze dazu neigt, sich nach oben zu drehen, wobei die flügelwurzel als drehpunkt dient. da der drehpunkt des nach vorne gepfeilten flügels hinter der flügelspitze liegt, hat die flügelspitze des nach vorne gepfeilten flügels eine natürliche tendenz, sich nach hinten und oben zu drehen. die aufwärtsbewegung führt dazu, dass der lokale anstellwinkel des flügels zunimmt, was zu einem größeren auftrieb führt das verdrehen nach hinten und oben verschlimmert.

ohne kontrolle können konstruktionen durch übermäßige verwindung schnell beschädigt werden. der drehpunkt des gepfeilten flügels liegt vor der flügelspitze, und die flügelspitze hat eine natürliche tendenz, sich unter der wirkung des auftriebs nach vorne und oben zu drehen. dieses problem tritt nicht auf, wenn der lokale anstellwinkel verringert wird. aufgrund von materialbeschränkungen konnten in der anfangszeit nach vorne gepfeilte flügel das problem der aeroelastischen divergenz nicht lösen, und nach hinten gepfeilte flügel waren die einzige option. nach dem aufkommen von verbundwerkstoffen kann das sogenannte „aeroelastische tailoring“ eingesetzt werden, d. h. durch geschickte anordnung der faserrichtungen ist die struktursteifigkeit in normalrichtung höher als in spannrichtung und die dadurch verursachten probleme aeroelastische divergenz kann geschickt überwunden werden.

über schrägen flügel

sowohl die gepfeilten flügel als auch die vorwärts gepfeilten flügel sind symmetrisch, entweder sind die beiden seiten zusammen nach hinten gepfeilt, oder beide seiten sind zusammen nach vorne gepfeilt. aber aus sicht der widerstandsreduzierung gibt es keinen grund, warum nicht eine seite nach vorne und die andere seite nach hinten geschwenkt werden kann, um einen asymmetrischen schrägen flügel zu bilden.

da es keine rolle spielt, ob man vorwärts oder rückwärts schwenkt, ist es auch in ordnung, vorwärts und rückwärts zu schwenken. dies ist ein schräger flügel. dies ist das amerikanische forschungsflugzeug ad-1.

(beim start und bei der landung ist es flach, genau wie ein gewöhnliches flugzeug mit geradem flügel. nach dem start wird es beim fliegen mit hoher geschwindigkeit zu einem schrägen flügel, bei dem ein ende nach vorne und das andere ende nach hinten geschwenkt ist.)

im vergleich zu gepfeilten flügeln und nach vorne gepfeilten flügeln ist die gesamtquerschnittsflächenverteilung schräger flügel entlang der rumpfachse relativ gleichmäßig, was der erfüllung des transsonischen flächengesetzes und der reduzierung des transsonischen luftwiderstands zuträglich ist.

feste schräge flügel haben vorteile, aber variabel gepfeilte schräge flügel sind ihr vorteil.

herkömmliche flügel mit variabler krümmung haben probleme mit der scharnierposition, aber die scharniere von schrägen flügeln mit variabler krümmung haben nur eine ideale position: in der mitte, und andere positionen sind überflüssig. da das gewicht auf beiden seiten ausgeglichen ist, ist die mechanische konstruktion des nach hinten geschwungenen schrägflügels etwas einfacher, was dem unterschied zwischen dem ausstrecken der hände nach außen zum direkten tragen eines eimers oder dem tragen einer last auf der schulter gleicht. aerodynamisch gesehen bleibt durch änderungen des neigungswinkels auch die bewegung des auftriebszentrums nahezu unverändert, was die gestaltung der flugstabilität vereinfacht.

der schräge flügel löst unerwartet das problem des wechsels des gepfeilten flügels, aber der ort, an dem der schräge flügel seine überlegenheit besser demonstrieren kann, ist der fliegende flügel.

die flügel und der rumpf herkömmlicher flugzeuge sind getrennt, wobei die flügel auftrieb erzeugen und der rumpf personen und fracht befördert. der rumpf erzeugt jedoch keinen auftrieb und ist „eigengewicht“. dieses problem verursacht eine hohe belastung der flügelwurzeln und ist strukturell ineffizient. der beste weg besteht darin, die gesamte last im inneren des flügels zu belassen, wo die anforderungen an die strukturelle festigkeit minimal sind. wenn auftrieb und schwerkraft an jedem punkt des flügels genau ausgeglichen sind, kann theoretisch ein flugzeug aus papier gebaut werden, wodurch das strukturgewicht minimiert wird. das ist in der realität natürlich unmöglich, bevor es den himmel erreicht, hat sich das gewicht bereits durch die papierhaut gedrückt. dies zeigt jedoch, dass die allgemeine richtung des nurflüglers, der keinen rumpf und nur flügel hat, korrekt ist.

der fliegende flügel nutzt die flügelstruktur, um die last zu tragen, was die aerodynamische effizienz der struktur maximiert und probleme mit der flügelwurzelbelastung eliminiert. dies ist die amerikanische b-2

x47b

elliptischer flügel

wenn kein schub erzeugt wird, bildet die gesamte vom flugzeug in die luft übertragene energie einen widerstand, und wirbel an den flügelspitzen sind ein sehr wichtiger teil des flugwiderstands. entwerfen sie die auftriebsverteilung so, dass in der nähe der flügelspitzen weniger auftrieb erzeugt wird und der durch die strömung um die flügelspitzen erzeugte widerstand auf natürliche weise verringert wird. dies ist die idee eines elliptischen flügels. die berühmte elliptische form des britischen spitfire-jägers jet im zweiten weltkrieg so entstand der formflügel.

der berühmte elliptische flügel des britischen kampfflugzeugs spitfire wurde entwickelt, um die strömung an den flügelspitzen zu reduzieren und die auftriebsverteilung zu optimieren, wie im bild oben gezeigt.

eine natürliche erweiterung des elliptischen flügels ist der rundflügel. der rundflügel konzentriert nicht nur die auftriebserzeugenden teile zur flügelwurzel hin, sondern entspricht auch stärker dem flächengesetz, insbesondere bei einem rundflügel ohne rumpf. diese art von flugscheibe eignet sich nicht nur theoretisch für alle geschwindigkeitsbereiche vom schwebeflug bis zur überschallgeschwindigkeit, sie ist auch ein favorit von science-fiction-leuten. es handelt sich jedoch um ein ideales design, das im flugzeugdesign nur schwer aufgegeben werden kann das problem der flugsteuerung ist schwieriger zu lösen. kurz gesagt, das design des motors, der düse und der steuerfläche muss überdacht werden.

die extremere variante ist natürlich die fliegende untertasse. sie wurde für die us air force entworfen und ist daher in der us air force lackiert, wie im bild oben zu sehen ist.

winglets

eine andere möglichkeit, das problem der flügelspitzenströmung zu lösen, besteht in der verwendung von winglets, also vertikalen winglets, die auf den flügelspitzen stehen und die flügelspitzenströmung direkt verhindern. aerodynamisch verlängern winglets die effektive flügelspannweite und erhöhen den auftrieb. bei richtiger konstruktion können winglets eine effektive flügelspannweite erreichen, die über die tatsächliche „flügelspannweite“ hinausgeht. winglets erhöhen jedoch auch den luftwiderstand und das gewicht und bringen auch aerodynamischen interferenzwiderstand am flügeloberflächenübergang mit sich.

ohne elliptische flügel oder fliegende untertassen können winglets die auswirkungen der strömung um die flügelspitzen wirksam reduzieren.

die winglets können gleichzeitig nach oben und unten ausgefahren werden, oder sie können nur nach oben ausgefahren werden. die wahl zwischen beiden ist natürlich ein kompromiss zwischen erhöhung des auftriebs und reduzierung von gewicht und luftwiderstand. winglets sind ein sehr effektiver ansatz, wenn das potenzial alter designs ausgeschöpft werden soll oder wenn die flügelspannweite durch flughafenbedingungen begrenzt ist. wenn man jedoch einen flügel von grund auf neu entwirft, ist es oft einfacher und effektiver, die spannweite zu vergrößern.

eine kurze geschichte der entwicklung von winglets

die winglets können nicht nur nach oben geklappt werden, sondern auch nach unten. dies ist das winglet des a320.