(7) Flügelparameter Flashcards
Anforderungen an ein Flügelprofil
- kleiner Widerstand über einen weiten Auftriebsbereich
- große Profildicke (geringes Strukturgewicht, Integration von Systemen, Kraftstoffvolumen)
- hoher Maximalauftrieb
- geringes Nickmoment
- Stoßfreiheit bei hohen Machzahlen (hohes M(krit))
- gutmütiges Überziehverhalten
Eigenschaften symmetrischer Profile
- Sehne ist gleich der Skelettlinie —>keine Wölbung —> Bei alpha = 0° kein Auftrieb
- einfacher Aufbau und damit leicht zu realisieren
- gleichbleibende Eigenschaften bei negativem Anströmwinkel —>Kunstflug
Einflussgrößen (Profilparameter) auf ein symmetrisches Profil
- Profildicke
- Dickenrücklage
- Nasenradius
- Transitionslage
Was bewirkt eine Vergrößerung der Profildicke?
- Vergrößerung des minimalen Widerstandsbeiwertes
- Vergrößerung des Maximalauftriebs
- Verringerung des Strukturgewichtes
Was bewirkt eine Vergrößerung der Dickenrücklage?
- Vergrößerung der laminaren Anlaufstrecke
- Verkleinerung des minimalen Druckbeiwertes
Was beeinflusst eine Variation des Nasenradius?
- den Unterdruck an der Profilvorderkante
- das Ablöse- und Überziehverhalten
Was beeinflusst der Umschlagepunkt von laminarer zur turbulenter Strömung (Transitionslage)?
Reibungswiderstand
Wo werden symmetrische Profile verwendet?
- Steuerflächen
- Seitenleitwerk
- teilweise Höhenleitwerk
- Tragflächen für Überschallanwendungen
- Tragflächen bei Militär- und Kunstflugzeugen
Druckverteilung symmetrischer Profile
Eigenschaften gewölbter Profile
- Sehne und Skelettlinie fallen nicht zusammen
- bei einem Anstellwinkel alpha = 0° wird auch Auftrieb erzeugt
- Nullauftriebsrichtung bei negativem Anstellwinkel
Was ist die Skelettlinie?
Verbindung der Kreismittelpunkte
Was ist die Sehne?
Verbindung der Punkte (x/L)=0 und (x/L)=1
Einflussgrößen (Profilparameter) auf ein gewölbtes Profil
- Wölbung
- Wölbungsrückenlage
Was bewirkt eine Vergrößerung der Wölbung?
- asymmetrisches Profilverhalten
- steigender Auftriebsbeiwert, welcher ab einem bestimmten Wölbungswert wieder sinkt
Was bewirkt eine Vergrößerung der Wölbungsrücklage?
- Eine Verschiebung des Druckminimums zur Hinterkante —> Reduktion des Nullmoments
- bei zusätzlicher Vergrößerung von alpha eine abrupte Ablösung der Strömung
Wo werden gewölbte Profile verwendet?
- Alle heutigen Verkehrsflugzeuge und GA- Flugzeuge
- Meist über Spannweite verschiedene Profile
- Oft Aufdickung der Profile im Bereich der Flügelwurzel
NACA - Profile
Verwendung von NACA - Profilen
- Bei älteren Flugzeugtypen aufgrund der Standardisierung
- In der GA und Homebuilts auch heute noch verbreitet
- Vorteil: Es sind umfassende Profilkataloge mit Messwerten verfügbar
Wodurch wird der Umschlag von laminarer zu turbulenter Profilströmung hervorgerufen?
- Hohe, positive Druckgradienten
- Hohe Reynoldszahlen
- Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche, z.B. Nieten, Spalte, Verschmutzungen
Methoden zur Laminarerhaltung
- aktive Methode: Laminar Flow Control (LFC)
- Absaugen oder Aufblasen der Grenzschicht
- technisch komplex
- höheres Gewicht
- passive Methode: Laminarprofile erlauben eine natürliche Laminarhaltung der Strömung (NFL - Natural Laminar Flow)
Prinzip der Laminarprofile
Vergleich: Laminarprofile - konventionelles Profil
- flacheres Druckminimum beim Laminarprofil
- früher positiver Druckgradient beim konventionellen Profil
Gegenüberstellung Profile
Transsonische Profile
Ziel ist die Erhöhung von M(DD) und damit die Erhöhung der wirtschaftlich fliegbaren Reisegeschwindigkeit
- Anpassung der Druckverteilung
- Übergeschwindigkeiten müssen minimiert werden
- flachere Saugspitzen —> höhere Belastung der Hinterkante, um den gleichen Auftrieb zu erzielen
Weswegen verwenden moderne Flugzeuge meist abgewandelte Formen der originalen transsonischen Profile?
Hohe Empfindlichkeit gegenüber Anstellwinkel- und Machzahländerung der originalen Profile
Nenne geometrische Besonderheiten transsonischer Profile
- flache Oberseite zur Erzeugung eines Druckplateaus
- konkave Krümmung (S-Schlag) im hinteren Teil der Profilunterseite
- größerer Nasenradius für bessere Hochauftriebswerte
- im Bereich der Unterkante nimmt die Bauhöhe stark ab
Welches Problem tritt durch die geringe Bauhöhe im hinteren Bereich transsonischer Profile auf?
Unterbringung von Klappensystemen ist schwierig
Wozu dient der „S-Schlag“ bei transsonischen Profilen?
Er erzeugt einen stärkeren Druckanstieg und somit einen höheren Auftrieb im hinteren Teil (rear-loading)
Vergleich: Transsonisches - konventionelles Profil
- mit einem transsonischen Profil kann die kritische Machzahl M(krit) bzw. „Drag Divergence Mach Number“ M(DD) zu höheren Werten verschoben werden
- weil im Reiseflug oft M(cruise)>M(krit), werden Profile auch als „superkritisch“ bezeichnet
Vorteile transsonischer Profile:
- bei gleicher Profil-/Flügeldicke sind höhere Reiseflugmachzahlen ohne signifikante Widerstandserhöhung möglich —> M(krit) Erhöhung um bis zu 5%
- bei gleicher Reiseflugmachzahl sind größere Profil-/Flügeldicken möglich
- höhere Treibstoffkapazität
- leichtere Struktur
- größere Profilnase führt bei Landebedingungen zu einem verbesserten Auftriebsverhalten
Nachteile transsonischer Profile
- hoher Auftrieb an der Hinterkante führt zu Rear-Loading-Effekten —> höherer Trimmwiderstand
- unvorteilhafte Dickenverteilung an der Hinterkante —>schwierige Integration von Klappensystemen
Geometrische Eigenschaften supersonischer Profile
- meist sehr dünne, symmetrische Profile
- Flügeldicken zwischen 3% und 6%
Strömungsverlauf supersonischer Profile
Vorteile supersonischer Profile
- Positionen der auftretenden Stöße sind durch die Profilgeometrie festgelegt –> weniger Vibrationen, da kein „Wandern“ des Stoßes erfolgt
- Geschwindigkeit sinkt nach einem Stoß nicht schlagartig in den Unterschallbereich —> kein abruptes Ablösen der Strömung
Nachteile supersonischer Profile
dünnere Profile —> geringeres Torsions- und Biegesteifigkeit, hohes Gewicht —> kein Nutzvolumen für beispielsweise Treibstofftanks
Hyperschallprofile
Körpernahe Stöße
- kleine Stoßwinkel
- „schwache Lösung“
- supersonische Strömung nach dem Stoß
Widereintrittskörper
- Widereintrittskörper wie beispielsweise das Space Shuttle weisen relativ dicke Profile auf
- Es bildet sich vor dem Profil ein abgelöster Stoß (bzw. Shock) —> Die Wärmeenergie wird über eine große Fläche verteilt —> Bei Widereintrittskörpern ist ein hoher Widerstand erwünscht (Gleitzahl des Space Shuttle liegt bei ca. 1)
Nenne einige Kriterien bei der Flügelauslegung
- Flugleistungen
- Flugeigenschaften
- geringes Strukturgewicht
- großes Volumen für Treibstofftanks und andere Systeme
- niedrige Kosten und niedriges Entwicklungsrisiko
Wichtige geometrische Flügelentwurfsparameter
Vorteile einer hohen Streckung
- Reduktion des induzierten Widerstandes
- Erhöhung des Auftriebsgradienten
Nachteile einer hohen Spannweite/Flügelstreckung
- zunehmendes Strukturgewicht infolge zunehmender Biegemomente um die Flügelwurzel
- Spanweitenlimits für Bodenoperationen auf Flughäfen
- empfindlicher gegenüber Böen und Auskippen
Nachteile einer großen Flügelpfeilung
- Querströmungen in Spannweitenrichtung (Cross Flow) mit Grenzschichtaufdickung
- Tendenz zum Abreißbeginn im Bereich der Flügelspitze
- Abreißen außen erzeugt aufnickendes Moment (pitch up) mit weiterer Anstellwinkelvergrößerung
- Laminarhaltung durch Querströmungsinstabilität erschwert —> Grenzschichtzaun als Abhilfe gg. Cross Flow Ungünstige Auftriebsverteilung, daher:
- Erhöhung des induzierten Widerstands
- Abreißgefahr im Außenbereich -> Auftriebsgradient und Maximalauftrieb nehmen ab
Weswegen werden Flügel gepfeilt?
Pfeilung bei Flugzeugen, die im Reiseflug im hohen Unterschallbereich fliegen, um die kritische Machzahl und die „Drag divergence“ Machzahl bei starkem Widerstandsanstieg zu höheren Werten zu verschieben
Zuspitzung
Verwindung
- Annäherung der Auftriebsverteilung an eine elliptische Verteilung
- Vorteil: Die Ablösung der Strömung beginnt am Innenflügel. Die Querruder bleiben noch wirksam.
Was ist die V-Stellung (dihedral angle)?
Die V-Stellung beschreibt den Winkel zwischen Flügel und der x-y-Ebene bzw. der Horizontalen.
Auf welchen Anforderungen basiert die V-Stellung?
- positive V-Stellung begünstigt die natürliche statische Rollstabilität:
- Rollmoment infolge positivem Schiebewinkel muss negativ sein
- Konfiguration Anforderungen, z.B. Ground Clearance des Triebwerks
Anordnung von Steuerelementen
Flap- und Slatparameter
Was ist die Flügelstreckung und was sind die Vor- und Nachteile einer grossen Flügelstreckung
geometrische Eigenschaften transsonischer Profile
Was ist die Transitionslage?
Umschlagpunkt von laminarer zu turbulenter Strömung
Wie wirken Flügeldicke und Pfeilung auf Mkrit?
Mkrit steigt (positiver Effekt) mit
- Abnehmender Flügeldicke
- Zunehmender Pfeilung
Was ist die Traglinientheorie?
- Berechnung von Auftriebsverteilungen von Tragflügeln endlicher Spannweite
- Flügel wird durch eine tragende Linie mit variabler Zirkulationsverteilung ersetzt. Die abgehenden Wirbel erzeugen Abwind am Ort dieser tragenden Linie
- Gilt nur für Flügel mit gerader l/4-Linie
- Einflüsse verschiedener geometrischer Veränderungen wie Zuspitzung und Streckung auf die Auftriebsverteilung und den induzierten Widerstand können abgeschätzt werden
Was gibt der Oswalt-Faktor e an?
Abweichung des induzierten Widerstands von dem bei idealer elliptischer Auftriebsverteilung
