(5) Auftrieb Flashcards
Definition Auftriebskraft
- Auftriebskraft wirkt entgegen dem Gewicht des Flugzeugs
- Auftrieb kann grundsätzlich von jeder umströmten Flugzeugkomponente erzeugt werden
- Hauptauftriebskomponente ist der Flügel
- Auftriebsvektor greift im Druckpunkt des Flügels an und steht senkrecht zur Anströmrichtung
- Winkel zwischen Anströmung und Flügelsehne ist definiert als Anstellwinkel alpha
Faktoren, die den dynamischen Auftrieb beeinflussen:
- das umströmte Objekt —> Größe und Form des Flügels
- die Bewegung —> Geschwindigkeit und Anstellwinkel
- das Medium —> Dichte, Reibung, Kompressibilität
Welche Arten von Kräften können Fluide auf Körper ausüben?
- Scherkräfte
- Druckkräfte
Was sind Scherkräfte?
- Resultierend aus der Scherkraftverteilung tau
- wirkt tangential auf den Körper
Was ist eine Druckkraft?
- resultierend aus der Druckkraftverteilung p
- wirkt normal zum Körper
Wodurch wird Auftrieb erzeugt?
Durch die Zirkulation des Geschwindigkeitsfeldes in der Umgebung des Tragflügels
Satz von Kutta-Joukowski
Kutta‘sche Abflussbedingung
Physikalische Erklärung des Auftriebs
Wovon hängt der Auftriebsanstieg ab?
- Anstellwinkel
- Profilform
- Reynoldszahl
Unterschiedliches Abreißverhalten
Hinterkantenablösung/Trailing edge stall
- tritt bei relativ dicken Profilen mit großem Nasenradius auf
- Ablösung beginnt an der Hinterkante und wandert mit zunehmendem Anstellwinkel kontinuierlich stromaufwärts
- kein plötzlicher, sondern allmählicher Auftriebsabfall nach Überschreiten von C(Amax)
- keine abrupte Nickmomentänderung
- auch in Kombination mit laminarer Ablöseblase —> combined Leasing edge and trailing edge Stall
Vorderkantenablösung/leading edge stall
- bei schärfer werdender Profilnase (Krümmung an Vorderkante stark)
- steile Druckanstiege hinter der Profilnase führen zum Ablösen der laminaren Grenzschicht bei größeren Anstellwinkeln
- in abgelöster Strömung erfolgt Umschlag in turbulente Strömungsform —> Wideranlegen der Strömung stromab der Blase
- Entstehung laminarer Ablöseblase, deren Ausdehnung mit wachsendem alpha abnimmt
- schließlich löst laminare Grenzschicht unmittelbar an der Nase ab. Krümmung ist dort so groß, dass ein Wideranlegen nicht möglich ist —> Ablösung am gesamten Profil
- plötzlicher starker Auftriebsabfall
- abrupte Momentänderung
Ablösung am dünnen Profil, Vorderkantenablösung/thin airfoil stall
- spezielle Ablösecharakteristik bei Profilen mit scharfer Vorderkante oder sehr kleinen Nasenradien
- bereits für kleine Anstellwinkel erfolgt beim Umströmen der dünnen Vorderkante eine Ablösung unmittelbar an der Profilnase mit anschließendem Wideranlegen
- der Wideranlegepunkt wandert mit zunehmendem Anstellwinkel stromabwärts
- kontinuierliche Auftriebsabnahme nach überschreiten von C(Amax)
- keine abrupten Momentänderungen
Wie muss ein Profil tendentiell aussehen, damit es einen möglichst hohen CAmax-Wert hat?
- großer Nasenradius
- mäßige Dickenrücklage
- große Wölbung
- Profildicke von 13 - 15%
- hohe Reynoldszahlen
Definition Hochauftrieb
Bei Start und Landung gilt auch in etwa „Auftrieb = Gewicht“, d.h., der Begriff „Hochauftrieb“ bezieht sich vielmehr auf den „höheren Auftriebsbeiwert“ im Langsamflug
Welche Maximalauftriebswerte kann ein „Clean-Flügel“ erreichen?
Ca. 1,6
Was ist das Ziel von Hochauftriebssystemen?
Erhöhung des maximalen Auftriebswertes C(Amax) durch den Einsatz von Klappen/Hilfsflügeln an der Vorder- und Hinterkante des Hauptflügels —> nur so können akzeptable Start- und Landegeschwindigkeiten erreicht werden
Möglichkeiten zur Erhöhung des Maximalauftriebsbeiwertes
- Erhöhung der Profilwölbung
- Erhöhung der effektiven Flügelfläche
- aktive Beeiinflussung der Grenzschicht durch Absaugen bzw. Aufblasung, um Ablösung zu verhindern
Welchen Anforderungen muss ein Hochauftriebssystem genügen?
- Bereitstellung ausreichender High-Lift Performance
- geringer Widerstand beim Start
- geringes Systemgewicht & geringe Systemkomplexität
- zufriedenstellende „Handling Qualities“ —> aus unterschiedlichen Anforderungen ergibt sich ein multidisziplinäres Entwurfsproblem
Welche weiteren Aspekte müssen bei der Auslegung von Hochauftriebssystemen berücksichtigt werden?
- Beeinflussung des Nickmoments
- gutmütiges Überziehverhalten
- Tail-Clearance bei Start und Landung
- Integrationsmöglichleit weiterer Systeme (z.B. De-/Anti-Icing oder Absaugsysteme in Flügelnase)
- Belastbarkeit bei Vogelschlag
- Wartungsaufwand
- geringe Störanfälligkeit
- geringe Zusatzkosten
Wirkungsweise von Hinterklappen
Parallelverschiebung des Auftriebsbeiwertes zu höheren Werten i.W. durch Erhöhung der Profilwölbung
Wirkungsweise Vorflügel
Verlängerung des linearen Verlaufs der Auftriebskurve und damit Erzielung höherer Maximalauftriebsbeiwerte bei größeren Anstellwinkeln
Spreizklappe
- hoher Auftriebsgewinn
- hoher Zusatzwiderstand
- einfaches System
- verursacht Vibration
Spaltklappe
- hoher Auftriebsgewinn bei akzeptablen Widerstandszuwächsen
- Grenzschichtbeeinflussung durch Spalt
- komplexes System
Wölbklappe
- Erhöhung der Profilwölbung
- mäßiger Auftriebsgewinn
- einfaches System
- als Ruder mit Ausschlag nach beiden Seiten
Fowler-Klappe
- Ausfahren bewirkt Flächenvergrößerung
- bei anschließender Drehung zusätzliche Spaltklappenwirkung
- großer Auftriebsgewinn
- komplexes System
- starke Druckpunktverschiebung nach hinten —> Trimmwiderstand
Wirkungsweise eines Vorflügels mit Schlitz
Vorflügel Slot(fixend Slat)
- Spalt in Flügelnase baut Saugspitzen ab
- relativ einfaches System als fester Spalt
Vorflügel mit Ausfahren/Slat
- Spaltwirkung
- erhöht Wölbung und Flügelfläche
- hoher maximaler Auftriebsgewinn
- erhöhte Systemkomplexität
- mehrere Stellungen möglich
Knicknase/Droopnose
- Widerstandsreduktion durch „Drehung der Saugkraft“
- geringer Auftriebsgewinn
- Anwendung insbesondere bei dünnen Flügeln
Krügerklappe/Krügerflap
- Ausklappen einer vorne abgerundeten Platte aus der Profilkontur —> Erhöhung des Maximalauftriebs durch Verzögerung des Ablösevorgangs durch veränderte Profilform
- einfacheres System
- normalerweise ohne Spalt
Anforderungen an den Hochauftrieb
- A = rho/2 *V2*S*CA
- Reiseflug
- H = 11.000m
- Ma = 0,85
- V = 251 m/s = 902 km/h
- CA = 0,55
- Start/Landung
- H = 0m
- Ma = 0,2
- V = 68 m/s = 245 km/h
- CA = 2
Druckverteilung in Abhängigkeit des Anstellwinkels
