Gibt es Fälle, in denen ein doppeltes Höhenleitwerk sinnvoll ist?

Der aerodynamische Hauptzweck des horizontalen Stabs (oder bestimmter Canards ) besteht darin, Längsstabilität bereitzustellen .

Wenn der Heckflügel mit dem 5. und 6. Triebwerk wie der Hauptflügel „auf“ fliegt, wirkt er der Längsstabilität des Höhenleitwerks entgegen. Wenn der Heckflügel wie beim H-Stab nach unten fliegt, dann ist das nur nebensächlich, da der H-Stab so groß wie nötig gemacht werden kann.

Wenn Sie nur zusätzliche Triebwerke hinzufügen möchten, können diese wie im achtmotorigen B-52-Bomber am Hauptflügel montiert werden:

oder der sechsstrahlige Frachtjet Antonov An-225:

@rbp hat eine gute Antwort. Ich möchte dem etwas hinzufügen.

Bei den meisten Flugzeugen bietet der horizontale Stab Stabilität und Luftwiderstand, aber relativ wenig Auftrieb. Der Flügel liefert 100 % des Auftriebs und alles andere da draußen sorgt für Stabilität. Und natürlich sorgt alles im Luftstrom (abgesehen von den Triebwerken, die für Schub sorgen) für Luftwiderstand.

Vergleichen Sie dies mit einem Canard, der Stabilität und Auftrieb bietet (und etwas Luftwiderstand, der mit dem Auftrieb zusammenfällt). Der Canard liefert normalerweise 10 - 20% des Auftriebs, während der Hauptflügel den Rest liefert. Indem Sie den Canard nach vorne stellen und ihn so konstruieren, dass er vor dem Hauptflügel abwürgt, kann der Canard die Nase nicht hoch genug heben, um den Hauptflügel zum Abwürgen zu bringen. Es ist nicht 100 % sicher; Es gibt immer noch Fälle, in denen ein Canard-Flugzeug ins Stocken geraten kann, aber sie sind wirklich obskur. Dick Rutan, der als Testpilot für Burt Rutans Canard-basierte Flugzeugdesigns diente, scherzte einmal, dass er eines von Burts Flugzeugen hochheben und wie verrückt versuchen könnte, es zum Stehen zu bringen, aber „keine Freude; alles, was ich je hatte, war Bewegung.“

Bereits in den späten 1980er Jahren begann Airbus mit der Konstruktion des Höhenleitwerks, um einen erheblichen Auftrieb zu erzielen. Nach dem Start verlagern sie einen Teil des Gewichts nach hinten (normalerweise durch Verschieben von Kraftstoff) und nutzen dies aus. Airbus nutzt dies seit über einem Jahrzehnt, um eine höhere Treibstoffeffizienz seiner Flugzeuge zu erreichen. Mit verbesserten Fly-by-Wire-Flugsteuerungen haben sie den Punkt erreicht, an dem sie nicht mehr bis nach dem Start warten müssen. Auch die C-17 nutzt diese Idee (einschließlich Fly-by-Wire). Aber nach meinem Verständnis liefert das Leitwerk nicht mehr als 10% des Auftriebs des Hauptflügels.

Für das fiktive Flugzeug wollten sie, dass das Flugzeug schweben kann. Sie haben also Hauptmotoren, die nach unten schwenken können. Beim Schweben benötigen Sie jedoch etwas Auftrieb vor und hinter dem Schwerpunkt (CG), um Stabilität und Übersetzung nach vorne / hinten zu gewährleisten. Das Anbringen von Motoren am Heck bietet dies. Das Höhenleitwerk zu einem Flügel mit 1/2 Spannweite zu machen, mit angemessenem Auftrieb, garantiert, dass ca. 1/3 des Gesamtauftriebs vom Höhenleitwerk bereitgestellt wird. Das heißt, wenn die Motoren zum Schweben nach unten schwenken, werden 2/3 des gesamten Schwebeauftriebs vom Flügel und 1/3 vom Höhenleitwerk bereitgestellt. Auf diese Weise wird das Flugzeug im Normalflug und im Schwebeflug ausbalanciert.

Ich hätte gerne ein großes Flugzeug mit dem Hauptflügel hinter CG und Canards gesehen, mit Triebwerken auf den Canards (oder vielleicht am Rumpf montiert, in der Nähe der Canards). Aber sie gingen mit einem "vertrauteren" Aussehen; Es gibt da draußen kein Schwerlastflugzeug mit Canards, wie ich sie beschreibe. Die Tu-144 und Valkyrie haben beide Canards, aber nicht annähernd so groß.

Bei einer F-35 schwenkt das Heck des Triebwerks nach unten, hinter dem Schwerpunkt, und hat einen "Hublüfter" vor dem Schwerpunkt. Ein Harrier hat insgesamt 4 nach unten gerichtete Luftsäulen, die beim Schweben aus dem Motor kommen, zwei vor dem Schwerpunkt, zwei nach hinten.

Haben sie eine schändliche Superwaffe im Heck des Rumpfes? Dies könnte den zusätzlichen Auftrieb und, was noch wichtiger ist, das Verschieben dieses Auftriebs weiter nach hinten erfordern, um den Auftriebsschwerpunkt in der Nähe des Schwerpunkts zu halten. Das würde auch die zusätzlichen Motoren erklären, da die Mehrleistung benötigt wird.

Es benötigt auch die zusätzlichen Motoren, um bei der Durchführung von VTOL-Manövern den Eindruck des Gleichgewichts aufrechtzuerhalten (obwohl dies wiederum darauf hindeuten würde, dass das Gewicht stark nach hinten hinter den "normalen" Flügel verlagert wurde).

Insgesamt ist es jedoch ein schlechtes Design, das nicht der ideale Weg wäre, um mit diesen Dingen umzugehen - es dient hauptsächlich dem Cool-Faktor.

Doppelte horizontale Stabilisatoren wurden kürzlich auch in der Hubschrauberwelt mit dem H160 eingeführt, jedoch aus einem etwas anderen Grund.

Horizontaler Stabilisator beim H160. Quelle https://en.m.wikipedia.org/wiki/Airbus_Helicopters_H160#/media/File%3AH160_Tail.JPG

Der horizontale Stabilisator in Hubschraubern bietet hauptsächlich eine Nickstabilisierung wie in einem herkömmlichen Flugzeug sowie einige andere nützliche Funktionen, wie zum Beispiel die Begrenzung der Nicklage des Rumpfes im Vorwärtsflug, wodurch weniger Luftwiderstand entsteht.

Die Standardposition des horizontalen Stabilisators befindet sich am anderen Ende des Heckauslegers, da diese Position seine strukturellen und aerodynamischen Eigenschaften maximiert; Jedenfalls hat es auch einige Nachteile. Beim Schweben erreicht der Nachlauf des Hauptrotors den Stabilisator nicht, da er sich zusammenzieht und sich nach unten bewegt:

Nachlauf des Hauptrotors im Schwebeflug. Der horizontale Stabilisator würde sich ganz rechts vom Heckausleger befinden, kurz vor dem Heckrotor und außerhalb des Kielwassers.

Mit zunehmender Vorwärtsgeschwindigkeit wird der Nachlauf jedoch immer mehr nach hinten verschoben und trifft ab einer bestimmten Geschwindigkeit auf das Höhenleitwerk:

Nachlauf des Hauptrotors im Vorwärtsflug. Beides Bilder aus dieser Präsentation , die wiederum Bilder von JG Leishman, Prinzipien der Helikopter-Aerodynamik, verwendet.

An diesem Punkt erzeugt der Stabilisator, der bereits einen stabilisierenden Auftrieb nach unten erzeugt, einen noch größeren Druck, der den Rumpf mehr oder weniger plötzlich aufrichten lässt. Das Gegenteil ist der Fall, wenn der Hubschrauber langsamer wird und der Stabilisator das Kielwasser verlässt. Dieses Phänomen nennt man … nun ja, Pitch-up.

Ein horizontaler Stabilisator sollte also Folgendes haben:

1. eine große Fläche, um genug Auftrieb zu erzeugen, um den Helikopter aber zu stabilisieren
2. eine kleine (idealerweise null) Oberfläche, um die Tonhöhe zu minimieren.

Eine intelligente Lösung für diesen Widerspruch ergibt sich aus der Feststellung, dass:

1. der stabilisierende Auftrieb ist dabei proportional zur (hauptsächlich horizontalen) Fluggeschwindigkeit
2. Die Aufstellkraft ist proportional zum (hauptsächlich vertikalen) Nachlauf des Hauptrotors.

Das Aufteilen der Stabilisatoroberfläche in eine Doppeldeckerkonfiguration löst diesen Widerspruch: Die stabilisierende Kraft in der Steigung bleibt unverändert, da der gesamte stabilisierende Auftrieb derselbe ist, aber der Rotornachlauf sieht jetzt nur die obere Hälfte des Stabilisators, da die untere Hälfte im Schatten des liegt obere. In der Tat klug.

Um die Antworten von @Meower68 und @rbp zu ergänzen: Die Konfiguration des Fahrzeugs ist im Grunde ein herkömmlicher Flügel mit einem Doppeldecker-Heck. Solche Leitwerke stammen noch aus der Pionierzeit der Luftfahrt. Die genaue Variante hier ist eine freitragende umgekehrte seqsuiplane; Sowohl Cantilever-Doppeldecker als auch umgekehrte Sesquiplanes sind seitdem erfolgreich geflogen.

Ein weiteres Konzept aus dieser Zeit ist das Lifting Tail. Vorausgesetzt, es arbeitet nicht so hart, dass es das Flugzeug destabilisiert, kann ein angehobenes Leitwerk den Flügel sinnvoll entlasten. Ein anhebender unterer Stabilisator wäre im fiktiven Design sicherlich nützlich gewesen, um das Gewicht der zusätzlichen Motoren zu tragen, ohne die Trimmung zu stören.

Jemand sagte, dass sich die Motoren vorwärts bewegen, wenn sie in den vertikalen Modus schwenken. In der Tat wären auch dann zusätzliche Motoren in einer achteren Position erforderlich, um die Trimmung aufrechtzuerhalten.

Alles in allem ist das Design verrückt, aber nicht verrückt.

Mein einziger Gedanke ist, dass, wenn dieser Heckflügel wirklich viel Auftrieb erzeugt und wenn die Front bauchiger (und damit schwerer) ist, dieses Flugzeug im Flug einfach nach vorne kippen wird (falls es jemals vom Boden abgehoben hat) und Kopf über Kopf fahren, bis es kracht.

Grundsätzlich wird das Auftriebszentrum (zwischen den beiden Flügeln) weit hinter dem Massenmittelpunkt (weit vor den Flügeln) liegen, und das endet normalerweise nicht gut.

Ein doppelter horizontaler Stabilisator war in den frühen Tagen der Luftfahrt aus strukturellen Gründen bei schweren Bombern nützlich.

Flugzeuge wie Vickers Vimy oder Handley Page Typ O hatten ein Doppeldecker-Horizontalleitwerk, das ungefähr die Größe eines Nieuport 11 -Jägers hatte, und es verwendete die gleichen Konstruktionsprinzipien wie andere dünne Tragflügel dieser Zeit, nämlich eine leichte, starre Fachwerkstruktur.

Ein Doppeldecker-Aufzug war nützlich, um den Schusswinkel für einen Richtschützen zu verbessern, wenn sich der Richtschütze in der Nähe des Flügels befindet – wie bei den Hannover CL.II, III und IV, aber es war eine sehr seltene Lösung, und sogar bei ihrem CL .V sie haben es aufgegeben. Bei einem Transportflugzeug führt dies möglicherweise zu weniger Kollisionen zwischen Bodenfahrzeugen und dem Heck, bietet jedoch keine flugtechnischen oder strukturellen Vorteile.

In jedem Fall würde dies zu mehr Luftwiderstand und Gewicht und weniger aerodynamischer Effizienz führen. Jedes Mal, wenn ein Profil über ein anderes gelegt wird, stören sich der Niederdruckbereich darüber und der Hochdruckbereich darunter, wodurch der Auftrieb drastisch verringert und gleichzeitig der Luftwiderstand erhöht wird. Sie zu versetzen hilft nicht viel, und der Abstand, der erforderlich ist, um dies zu verringern, muss im Vergleich zur Sehne der Tragflächen sehr groß sein. Schlimmer noch, es fügt auch zwei zusätzliche Spitzen hinzu, an denen Wirbel erzeugt werden, wenn die Luft mit hohem und niedrigem Druck über die Enden strömt und sich vermischt, weshalb in vielen Fällen die Ruder als Wirk- und Endplatten platziert werden.