Erhöhen Fenster an der Seite des Rumpfes den Luftwiderstand?

Die lange Rumpflänge eines Verkehrsflugzeugs sorgt für eine turbulente Strömung an der Station der Kabinenfenster, sodass ihr einziger Beitrag zum Reibungswiderstand die Lücken zwischen Metall und Polycarbonat sind. Der Übergang von einer laminaren zu einer turbulenten Grenzschicht findet vor Beginn der Fenster statt. In Sighard Hörners Klassiker Fluid Dynamic Drag finden wir in Kapitel V diese Zahlen zum Widerstand von Oberflächenfehlern:

Die Größe der Lücken und der dynamische Druck an ihrer Stelle bestimmen ihren Widerstandsbeitrag. Nehmen wir an, die Fenster sind 0,4 m hoch, die Rillen 2,5 mm (0,1") breit und flach genug, um einen Luftwiderstandsbeiwert von 0,008 zu haben. Nehmen wir weiter an, wir sprechen von einer Boeing 747-200 mit 100 solcher Fenster pro Seite und begrenzen den Luftwiderstand Berechnung zur Querströmung über den senkrechten Teil der Lücken Die volle Öffnungsfläche aller Lücken ist$2\cdot100\cdot2\cdot0.4\cdot0.0025$= 0,4 m² oder 0,078 % der Referenzfläche der 747. Wikipedia gibt den parasitären Luftwiderstandsbeiwert der Boeing 747 mit 0,022 an, die Fenster tragen also ein Dreitausendfünfhundertstel dieses Luftwiderstands bei. Vernachlässigbar, mit anderen Worten.

Aber es gibt eine andere Quelle des Luftwiderstands: Die Fenster sind schwerer als das Metall, das sie ersetzen , und wenn sie herumgetragen werden, erhöht sich der induzierte Luftwiderstand. Wenn wir für eine Boeing 747-200 noch einmal von 200 Fenstern à 7 kg ausgehen (diese stammen aus Vor-Polycarbonat-Zeiten!), wiegen sie insgesamt 1,4 Tonnen. Dies entspricht 0,8 % seiner Leermasse und entspricht 12-14 Passagieren . Um den Einfluss dieser Masse auf einen Langstreckenflug über 6000 NM zu finden, können wir die Breguet-Gleichung verwenden ; einmal mit und einmal ohne die 1,4 Tonnen Zusatzmasse. Die Leermasse der Boeing 747-200 plus 50 Tonnen Nutzlast beträgt 228.100 kg, ihr L/D 16, der spezifische Treibstoffverbrauch ihrer JT-9D-7-Triebwerke$b_f$= 0,0000184 kg/Ns und die Reisegeschwindigkeit beträgt Mach 0,84, was entspricht$v$= 250 m/s in FL 350:

Wenn wir verwenden$R$ = 11.112 km und laufe diese einmal mit Landemassen$m_2$ = 228.100 kg und wieder mit$m_2$ = 226.700 kg, die Differenz in$m_1$um den Faktor 1,65 größer (die Abflugmassen$m_1$sind 376.584 kg mit und 374.237 kg ohne Fenster), also kostet das Herumtragen der Fenster die Boeing 747-200 911 kg Treibstoff oder 0,61 % der gesamten Treibstoffmasse pro Flug. Das ist einhundertsechzig Drittel des Gesamtwiderstands – immer noch nicht viel, aber vierzig Mal so viel wie der absolute Beitrag der Fenster zum Reibungswiderstand (wenn wir davon ausgehen, dass die 747 am Polarpunkt für optimale Reichweite fliegt ).

Dies erklärt, warum Umbauten von Verkehrsflugzeugen zu Frachtflugzeugen fast immer die Fenster durch Metallplatten ersetzen, sich aber nicht so sehr um die Lücken kümmern, die sie hinterlassen. Bei der unten abgebildeten 747 sind sie jedenfalls groß genug, um weithin sichtbar zu sein.

Ein Umbau einer Boeing 747 von Japan Airlines in einen Frachter mit Fensterstopfen aus Aluminium. (Bildnachweis: Flickr)

Die einfache Antwort ist ja, aber es ist nicht das Material, das den Unterschied in der Drag-Produktion ausmacht. Der Unterschied zwischen lackierten Aluminium- oder Composite-Oberflächen und Glas ist vernachlässigbar.

Wo Fenster vorhanden sind, gibt es wahrscheinlich Nähte, Übergänge und andere Variationen in der Außenhaut des Flugzeugs. Diese Schwankungen können Turbulenzen in der Luft verursachen, die über die Haut strömt, was einen Widerstand hervorrufen kann.

Segelflugzeuge haben deshalb so glatte Oberflächen und Konturen. Der Luftstrom bleibt in laminarer Strömung an der Oberfläche haften, was den Luftwiderstand minimiert. Sogar Insekten, die an der Vorderkante des Flügels haften, können die Leistung beeinträchtigen.