DE3800110A1

DE3800110A1 - Verfahren zur minderung des induzierten widerstandes an flugzeugen

Info

Publication number: DE3800110A1
Application number: DE19883800110
Authority: DE
Inventors: Dieter Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-01-05
Filing date: 1988-01-05
Publication date: 1989-07-20
Also published as: DE3800110C2

Description

Flugzeug-Tragflügel erzeugen ihren Auftrieb dadurch, daß an ihrer Unterseite ein Luft-Überdruck, und an ihrer Oberseite ein Luft- Unterdruck entsteht. Infolge dieser Druckdifferenz strömt die Luft unter dem Flügel nach außen zu den Randbögen, umströmt diese zu der Oberseite des Flügels hin, um dort das herrschende Unterdruckgebiet aufzufüllen. Durch diesen Vorgang entstehen an beiden Randbögen sogenannte Randbogenwirbel, die sich als Wirbelschleppen hinter den Randbögen ablösen. Diese Wirbel bestehen, abhängig von der Größe eines Flugzeuges, seiner Geschwindigkeit und Flächenbelastung, aus vielen kg Luft, sie sekundlich in schnelle Rotation versetzt werden. Damit entziehen die Wirbel dem Flugzeug Leistung, die in mkg/s ausgedrückt werden kann. Dieser Leistungsentzug wirkt sich in Form eines erhöhten Flugzeugwiderstandes, des "induzierten Widerstandes" aus. Im Gegensatz zum quadratisch mit der Geschwindigkeit steigendem schädlichen Widerstand z. B. des Leitwerks, ist der Anteil des induzierten Widerstandes bei kleinen Anstellwinkeln und höheren Geschwindigkeiten klein und wächst mit höheren Anstellwinkeln.

Es sind bisher verschiedene Wege zur Minderung des induzierten Widerstandes beschritten worden. Bekannt ist die Vergrößerung der Flügelstreckung, d. h. die Verwendung schmaler Flügel mit großer Spannweite. Eine scheinbare Spannweiten-Vergrößerung läßt sich aber auch durch Anbringen von Endscheiben, Winglets oder Turbulenzkeulen am Randbogen erreichen. So ist bei Nurflügelflugzeugen mit um die Querachse eigenstabilen Tragflügeln die Anordnung der Seitenleitwerke als Endscheiben bekannt. Doch die Bedingung der Eigenstabilität um die Querachse mindert den Flügelauftrieb.

In dem Buch "Chronik eines Flugzeugwerkes 1932-1945" (Motorbuch-Verlag 1. Auflage 1979) beschreibt H. Pohlmann die Blohm & Voss-Projekte 208, 212 und 215, bei denen unterschiedliche Leitwerks-Anordnungen an den Flügelrandbögen vorgesehen waren. Aus der auf Seite 181 zitierten Projektbeschreibung geht jedoch hervor, daß der Zweck dieser Anordnung in der Verkleinerung der Leitwerksflächen lag und damit in der Reduzierung des schädlichen Leitwerkwiderstandes.

Im deutschen Patent Nr. 27 26 589 wird die Anbringung mehrerer kleiner, profilierter und zueinander versetzter Flächen am Randbogen vorgeschlagen. Doch diese Flächen besitzen ihrerseits zusätzlichen Widerstand, so daß nur ein Kompromis möglich ist.

Im deutschen Patent Nr. 31 33 957 wird für Entenflugzeuge die Anordnung des Entenflügels vor dem Flügelrandbogen vorgeschlagen, derart, daß der Abwind dem Randbogenwirbel entgegenwirkt. Diese Anordnung bezieht sich nur auf die spezielle Enten-Bauweise.

Zur Vermeidung der vorstehend dargelegten Mängel wird erfindungsgemäß eine unverzichtbare Baugruppe des Flugzeuges, nämlich das Leitwerk mit unvermeidbarem Widerstandsanteil, herangezogen, um durch Aufteilung und Verlegung an die Randbögen den induzierten Widerstand zu mindern, ohne dabei an die Nurflügel- oder Entenbauweise gebunden zu sein oder zusätzliche widerstandsbehaftete Flächen oder Körper wie Winglets und Turbulenzkeulen anwenden zu müssen. Dem Randbogenwirbel wird dadurch ein großer Umweg um das Leitwerk herum aufgezwungen, der einer Vergrößerung der Flügelstreckung entspricht. Der induzierte Widerstand wird dadurch reduziert. Um dabei den Leitwerks-Hebelarm, der normalerweise durch die Länge des Rumpfes oder Leitwerkträgers bestimmt wird, zu erhalten, ist es zweckmäßig, dem Flügel eine Pfeilung zu geben. Dies verschlechtert zwar die Auftriebsverteilung über der Spannweite und würde den induzierten Widerstand noch erhöhen, doch zeigten Windkanalmessungen, daß dieser Nachteil mehr als aufgewogen wird.

Bei einer Bauweise entsprechend dieser Erfindung können gedrungenere Tragflügel verwendet werden, die aber aerodynamische Qualitäten von solchen größerer Streckung, somit geringerem induzierten Widerstand, aufweisen. Gedrungenere Flügel bieten bautechnisch große Vorteile. Durch die größere Profilhöhe werden nicht nur bessere Unterbringungsmöglichkeiten für z. B. Tanks und Geräte geschaffen, sondern insbesondere ergeben sich höhere Holme. Da deren Festigkeit quadratisch mit ihrer Höhe steigt, sinkt entsprechend das Baugewicht des Flügels. Da außerdem durch Verringerung der Spannweite der Hebelarm kürzer wird, sinken auch die an der Flügelwurzel auftretenden Biegemomente, was eine weitere Verringerung des Baugewichtes ermöglicht.

Eine übliche Leitwerkanordnung am Rumpf bewirkt, insbesondere beim Abfangen, eine Addition des Leitwerkmomentes zu dem vorhandenen Tragflügelmoment. Bei einer erfindungsgemäßen Leitwerkanordnung an den Randbögen wird dagegen die vorhandene Torsion des Flügels um das Leitwerkmoment verringert. Auch dies ermöglicht eine leichtere Bauweise. Schließlich ermöglicht der Fortfall des Leitwerkes am Rumpfheck den dortigen Triebwerkseinbau mit dem Vorteil insbesondere des ungehinderten Luftstrahl-Abflusses.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Bauweise sind besonders:
1. Verringerung des induzierten Widerstandes bei
2. Minderung des Strukturgewichtes und dadurch Verkleinerung der benötigten Flügelfläche mit Folge eines
3. verkleinerten Flügelwiderstandes.
4. Reduzierung der Flügeltorsion.
5. Bei Motorflugzeugen freier Luftstrahl-Abfluß.
6. Verwendung kleinerer Triebwerke und
7. Reduzierung des benötigten Treibstoffes.
8. Im Fluge bessere Manövriereigenschaften bei geringeren Ruderkräften wegen geringerer Massenträgheit.
9. Am Boden bessere Manövrier- und Unterstellmöglichkeit wegen kleinerer Abmessungen.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Entwurf eines Motorseglers. Der Leitwerk-Hebelarm ist mit "1" bezeichnet.

Claims

1. Verfahren zur Minderung des induzierten Widerstandes von Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die für die aerodynamische Stabilität und/oder Steuerung erforderlichen, üblicherweise an Rumpf oder Leitwerksträger angeordneten, Leitwerke flächenmäßig aufgeteilt und an den Tragflügelrandbögen angeordnet werden, derart, daß den Randbogenwirbeln große Umwege um die Leitwerke herum aufgezwungen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhaltung des nötigen Leitwerk-Hebelarmes der benutzte Tragflügel gepfeilt sein kann.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jegliche Leitwerksform, wie z. B. Kreuz-, T- oder V- Leitwerk, verwendet werden kann.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch feste Profilierung und/oder Winkelstellung teilweiser oder ganzer Leitwerkflächen im Leitwerksbereich Druckverhältnisse geschaffen werden, die dem Druckausgleich zwischen Tragflügelober- und unterseite entgegenwirken.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung und/oder Winkelstellung in Abhängigkeit vom Flugzustand erfolgt.