Gibt es Flugzeugdesigns, die keine Flugfläche beinhalten, die Abtrieb bietet?

Es sind mehrere Konfigurationen mit Heck oder Canard möglich, die basierend auf ihren Positionen und ob sie Auftrieb oder Abtrieb erzeugen, zu einem stabilen oder instabilen Flugzeug führen (unter Berücksichtigung des Flugzeugschwerpunkts). Die folgenden Abbildungen zeigen einige der möglichen Konfigurationen.

Quelle: f-16.net

Im allgemeinsten Fall ist nicht einmal ein Canard oder ein horizontales Heck erforderlich, solange auf irgendeine Weise eine (nach unten oder nach oben gerichtete) Kraft erzeugt wird. Ein gutes Beispiel ist der Boeing Bird of Prey, wo die Chines (Wirbel) Auftrieb und damit eine stabilisierende Kraft erzeugen. Die auf die Flugzeuglängsachse wirkenden Kräfte sehen in etwa so aus, was zu einem statisch stabilen Flugzeug ohne Auftriebsfläche außer dem Flügel führt.

Profil von bj-o23.deviantart.com, andere eigene Arbeiten.

Natürlich einfach den Schwerpunkt wieder an seine hintere Grenze bringen und langsam fliegen. Dann werden alle von ihnen einen positiven Auftrieb an ihren Schwänzen erzeugen.

Stabilität wird nicht durch Abtrieb am Heck erzeugt . Das neueste Buch, das ich gelesen habe und das behauptet, dass dies aus dem Jahr 1911 stammt (ich habe zufällig die Ausgabe von 1913 gelesen). Stabilität wird erzeugt, indem der Auftrieb pro Fläche der vorderen Teile höher gemacht wird als der der hinteren Teile. Wenn der Auftrieb am vorderen Flügel hoch genug ist, kann der hintere Flügel mit positivem Auftrieb für Stabilität sorgen.

Canards sollten dies am einfachsten beweisen: Ihr Hauptflügel erzeugt einen positiven Auftrieb, und dennoch können sie dazu gebracht werden, stabil zu fliegen.

Wenn Sie nach einem Design suchen, das von diesem Grundprinzip abzuweichen scheint, ist vielleicht das Fauvel AV.36 das Richtige :

Fauvel AV.36 im Flug (Foto von Daniel-Wales-Images )

Charles Fauvel entwarf mehrere Nurflügler, von denen der AV.36 der beliebteste ist. Alle hatten eine positive, natürliche Tonhöhenstabilität. Es gibt nur einen Flügel, und der muss Auftrieb erzeugen, sonst könnte das Flugzeug nicht fliegen, richtig?

Die einzige Möglichkeit, dieses Prinzip wirklich aufzuheben, besteht darin, die natürliche Längsstabilität aufzugeben. Gewicht und Gleichgewicht würden so beeinflusst, dass der Schwerpunkt hinter dem neutralen Punkt liegt, wo die anstellwinkelabhängige Auftriebskraft wirkt. Diese Art von Flugzeug wäre jedoch sehr schwer manuell zu fliegen .

Ein Flugzeug mit Tandemflügeln hat zwei Sätze von Flügeln, die jeweils Auftrieb bieten. Einer befindet sich in der Nähe der Vorderseite des Flugzeugs, einer in der Nähe der Rückseite, und der Schwerpunkt liegt zwischen ihnen.

(Quelle: nurflugel.com )

Die Rutan Quickie ist ein solches Flugzeug:

(Quelle: Wikimedia )

Dieses Design ist eigentlich ziemlich alt; es geht sogar auf den (erfolgreichen) Flug schwerer als Luft zurück, wie es auf dem Langley Aerodrome eingesetzt wurde, einem experimentellen Versuch eines bemannten Fluges in den 1890er Jahren.

Diese Antwort nähert sich der Frage, indem sie sich auf einen engeren Fall konzentriert:

„Ist es möglich, dass ein Flugzeug in einer konventionellen Tragflächen- und Leitwerkskonfiguration stabil bleibt, selbst wenn das Leitwerk eher Auftrieb als Abtrieb erzeugt?“

Das Auftriebszentrum (oder Druckzentrum) ist der Punkt, an dem wir den Auftriebsvektor des Flügels als wirkend behandeln können, ohne auch ein zusätzliches Nickmoment aufbringen zu müssen, um die inhärente Tendenz zum Neigen mit der Nase nach unten eines gewölbten Flügels zu berücksichtigen.

Das Zentrum des Auftriebs ist nicht festgelegt – ein Punkt, der aus dem Diagramm in der ursprünglichen Frage nicht ersichtlich ist.

Wenn wir uns dafür entscheiden, das Auftriebszentrum als Drehpunkt in einer Nickdrehmomentberechnung zu verwenden (was eine gültige Wahl ist), müssen wir die Auftriebskraft des Flügels nicht direkt in unserer Berechnung berücksichtigen, aber wir müssen das anerkennen Der Gewichtsvektor ist zwar in seiner Größe konstant (zumindest wenn wir unsere Berechnungen auf den 1-G-Fall beschränken), wirkt jedoch nicht in einem festen Abstand vom Auftriebszentrum, und daher ist das gewichtsbedingte Nickmoment mit der Nase nach unten nicht vorhanden Konstante. Daher ist die Situation viel komplexer als das Diagramm in der ursprünglichen Frage vermuten lässt.

Das Auftriebszentrum bewegt sich nach vorne, wenn wir den Anstellwinkel erhöhen, und nach hinten, wenn wir den Anstellwinkel verringern. Das Auftriebszentrum kann sogar außerhalb der physikalischen Ränder des Flügels selbst liegen.

Dies macht es sowohl intuitiver als auch bequemer, den Auftriebsvektor des Flügels so zu behandeln, als würde er an einem festen Punkt wirken, der als aerodynamisches Zentrum des Flügels bezeichnet wird, und gleichzeitig ein zusätzliches Nickmoment mit der Nase nach unten anwenden, das von der Fluggeschwindigkeit abhängt (dh das Nickmoment). Der Koeffizient ist fest, aber das resultierende Nickmoment mit der Nase nach unten nimmt mit zunehmender Fluggeschwindigkeit zu.)

Aber da die ursprüngliche Frage den Center of Lift-Ansatz verfolgt, werden wir in dieser Antwort dasselbe tun.

Da das Auftriebszentrum nach vorne wandert, wenn wir den Anstellwinkel vergrößern, und nach hinten, wenn wir den Anstellwinkel verkleinern, neigt das Flugzeug dazu, sich nach oben zu neigen, wenn wir langsamer werden, und neigt dazu, sich nach unten zu neigen, wenn wir beschleunigen. Das ist destabilisierend – das ist der Grund, warum wir ein horizontales Leitwerk brauchen. Aber muss das Heck immer Abtrieb erzeugen, um einen stabilen Flug zu ermöglichen?

Wenn sich der Schwerpunkt bei jeder gegebenen Fluggeschwindigkeit hinter dem Auftriebszentrum des Flügels befindet, muss das Heck eher einen Auftrieb als einen Abtrieb erzeugen. Da sich das Zentrum des Auftriebs nach vorne bewegt, wenn wir den Anstellwinkel erhöhen, folgt daraus, dass wir beim Experimentieren mit zunehmend nach hinten gerichteten CG-Positionen sehen werden, dass das Heck bei niedriger Fluggeschwindigkeit einen Auftrieb erzeugt, bevor wir sehen, dass das Heck bei hoher Fluggeschwindigkeit einen Auftrieb erzeugt Fluggeschwindigkeit.

Das Auftriebszentrum des Flügels sollte nicht mit dem Neutralpunkt des Flugzeugs verwechselt werden. Der Neutralpunkt ist der Punkt, an dem das Flugzeug keine statische Nickstabilität hat. Wenn der Schwerpunkt vor dem Neutralpunkt liegt, ist das Flugzeug statisch stabil in der Neigung, und wenn der Schwerpunkt hinter dem Neutralpunkt liegt, hat das Flugzeug eine statisch instabile Neigung. Der letztere Fall ist im Grunde nur der Bereich computerstabilisierter Fly-by-Wire-Flugzeuge, die Stabilität für verbesserte Manövrierfähigkeit oder verbesserte Reiseeffizienz opfern.

Im Gegensatz dazu haben viele Flugzeuge anhebende Leitwerke. Zum Beispiel haben viele alte "Freiflug"-Modellflugzeuge große, positiv gewölbte Leitwerke. (Siehe zum Beispiel dieses Bild .) Offensichtlich können diese Flugzeuge nicht statisch instabil in der Neigung sein. Der Schwerpunkt muss immer noch vor dem Neutralpunkt liegen, auch wenn er hinter dem Auftriebszentrum des Flügels liegt.

Es kann argumentiert werden, dass ein großes anhebendes Ende im Allgemeinen nicht so effizient ist wie ein kleines neutral anhebendes oder leicht nach unten anhebendes Ende. Dieses Argument würde den Rahmen dieser Antwort sprengen, daher sollten wir uns die weitere Untersuchung für eine andere ASE-Frage sparen.

Außerdem haben viele Flugzeuge eine Tandemflügelkonfiguration , bei der das Heck eigentlich ein großer Hubflügel ist.

Hier ist eine gute Beschreibung eines Experiments, das bestätigte, dass das horizontale Leitwerk im Flug mit einer Cessna 172 mit einem Schwerpunkt, der sich innerhalb, aber nahe der hinteren Kante der vorgeschriebenen Hülle befand, einen Auftrieb erzeugte – siehe die letzten beiden Absätze des Abschnitts – - https://www.av8n.com/how/htm/aoastab.html#sec-pitch-equilibrium

Hier ist eine weitere ASE-Antwort, die den Unterschied zwischen Druckzentrum (oder Auftriebszentrum), aerodynamischem Zentrum und Neutralpunkt gut behandelt. Was ist der Unterschied zwischen Druckzentrum, aerodynamischem Zentrum und Neutralpunkt?

Zusammenfassend ist der Neutralpunkt nicht der Punkt, an dem das Flugzeug mit dem Heck im Gleichgewicht ist und keinen Auftrieb oder Abtrieb erzeugt. Vielmehr ist der Auftriebs- oder Druckmittelpunkt des Flügels (oder, um so genau wie möglich zu sein, der Druckmittelpunkt des gesamten Flugzeugs mit Ausnahme des Hecks, einschließlich Auswirkungen von versetzten Schublinien, Luftwiderstand von Schwimmern usw.) der Punkt wo das Flugzeug mit dem Heck balanciert und keinen Auftrieb oder Abtrieb erzeugt. Es ist sehr gut möglich, dass sich der Schwerpunkt hinter dem Auftriebszentrum des Flügels (oder dem Druckzentrum des gesamten Flugzeugs), aber vor dem Neutralpunkt des Flugzeugs befindet, wodurch das Heck einen Auftrieb erzeugt und dennoch eine positive statische Nickstabilität ermöglicht.

Die Grundvoraussetzung für statische Nickstabilität ist einfach, dass das Heck mit einem weniger positiven Anstellwinkel oder zumindest einem weniger positiven Auftriebskoeffizienten als der Flügel fliegt. Dies schließt Fälle ein, ist aber nicht darauf beschränkt, in denen das Heck in einem negativen Anstellwinkel fliegt und einen Abtrieb erzeugt. Sie können mehr darüber in diesem Abschnitt einer externen Website lesen – https://www.av8n.com/how/htm/aoastab.html#sec-teeter .

Diese verwandte ASE-Antwort ist ebenfalls aufschlussreich : Gibt es Flugzeugkonstruktionen, die keine Flugfläche beinhalten, die Abtrieb bietet?