Kann ein Überschallflugzeug einen Unterschallflügel verwenden, wenn der Nasenkegelstoß einen Unterschallluftstrom um den Flügel herum erzeugt?

Normalerweise ist die Strömungsgeschwindigkeit am Flügel etwa gleich der Geschwindigkeit vor dem Bugstoß. Nur wenn der Rumpf noch konisch ist und sich an der Flügelstation ausdehnt, wäre die lokale Strömungsgeschwindigkeit kleiner. Um Unterschall zu sein, bräuchten Sie einen absurd stumpfen Rumpf bei Mach 1,5. Aber der Flügel ist in gewisser Weise immer noch Unterschall, wenn seine Vorderkantenpfeilung ausreichend ist.

Wenn Sie genau hinsehen, hat jeder Stoß einen Unterschallbereich, der jedoch normalerweise sehr klein ist. Die Größe des Unterschallbereichs hängt von der Strömungsgeschwindigkeit und der Stumpfheit des den Stoß verursachenden Körpers ab. Siehe das Diagramm unten für die Teile eines klassischen schrägen Schocks.

_{Diagramm eines Schrägstoßes und seiner drei Bereiche ( Bildquelle )}

Überschallflugzeuge sind auf das vordere Ende gerichtet, um den Bereich des starken Stoßes zu minimieren, was effektiv zu einem anhaftenden Stoß führt. Je steiler der Stoßwinkel bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit ist, desto höher sind die Verluste. Nur bei Hyperschallfahrzeugen werden stumpfe Nasen gezielt eingesetzt, aber nicht zum Bremsen, sondern zur Begrenzung lokaler Wärmebelastungen.

Warum verschwindet der Unterschallbereich so schnell? Denn der Querschnitt des Körpers wächst nicht mehr in Strömungsrichtung, und die Druckenergie über den starken Stoß hinaus wird in Expansionswellen wieder in Geschwindigkeit umgewandelt.

Das bedeutet, dass die Flügel immer noch in Überschallströmung fliegen. Wenn der Rumpf entlang der Flügelsehne einen konstanten Querschnitt hat, ist die Strömungsgeschwindigkeit sogar gleich der Geschwindigkeit vor dem Stoßdämpfer. Andernfalls hätte der Heckstoßdämpfer einen kleineren Kegelwinkel, den er nicht hat; Die Strömung beschleunigt sich erneut in Expansionswellen, wenn die konische Nase in den regulären Rumpf übergeht, und erneut, wenn sich der Rumpf an seinem Ende zusammenzieht.

Jetzt ist es sinnvoll, den Flügel so zu fegen, dass er in den Mach-Kegel passt, der sich aus dem inneren Flügelabschnitt ergibt. Dies führt zu einer orthogonalen Unterschall-Geschwindigkeitskomponente an der Vorderkante. Die wichtige Erkenntnis hier ist, dass die Geschwindigkeitskomponente der Strömung in Spannweitenrichtung nicht durch den Flügel beeinflusst wird und nur die orthogonale Komponente zählt. Wenn diese Komponente Unterschall ist, verhält sich der gesamte Flügel wie ein gerader Flügel in Unterschallströmung. Beachten Sie, dass alle Überschallflugzeuge mit einer Unterschallvorderkante stumpfnasige Tragflächen verwenden , da diese eine Saugkraft (PDF!) Erzeugen, die den Luftwiderstand verringert.

Bei höheren Geschwindigkeiten muss der Sweep so steil sein, dass die Probleme von Pfeilflügeln nicht mehr toleriert werden können. Dann, und nur dann, ist es sinnvoll, eine Überschall-Vorderkante zu haben, die weniger Schwung als der Mach-Kegel hat und scharf sein muss, um den Luftwiderstand zu minimieren. Eine weitere Möglichkeit, hohen Sweep und gute Subsonic-Eigenschaften zu kombinieren, ist die Verwendung von variablem Sweep . Dies war die bevorzugte Lösung, bis erkannt wurde, dass hohe Überschallgeschwindigkeit im Kampf selten verwendet wird.

Obwohl die schrägen Stöße die stromabwärtige Machzahl verringern, ist die Strömung normalerweise immer noch Überschall; Damit die Strömung Unterschall ist, muss der Stoß entweder normal oder abgelöst sein (Bugstoß).

Für jede Kombination aus Körperwinkel (dh Eckenwinkel) und Machzahl gibt es einen maximalen Eckenwinkel$\theta_{max}$, jenseits dessen der Stoß vom Körper gelöst wird.

Schrägstoßwinkel β als Funktion des Eckenwinkels θ; Von -- Mythos (Talk) 05:29, 27. Oktober 2007 (UTC) - Eigenes Werk (Originaltext: selbstgemacht), Public Domain, Link

Für Fälle, in denen der Eckwinkel kleiner als das Maximum ist, gibt es zwei mögliche Lösungen – stark und schwach. Die schwache Lösung führt zu einer stromabwärtigen Überschallströmung (und einem kleineren Stoßwellenwinkel β), während die starke zu einer Unterschallströmung stromabwärts (und einem größeren Stoßwellenwinkel β) führt.

Welche Lösung „bevorzugt“ wird, hängt vom Verhältnis von Vor- und Nachdruck ab; Bei externen Strömungen, die uns betreffen, ist der Hinterdruck normalerweise nahe am Vordruck (beide nahe$P_{atm}$) und als Ergebnis wird die schwache Lösung (und die nachgeschaltete Überschallströmung) „ausgewählt“.

Aus NACA-Bericht 1135: Gleichungen, Tabellen und Diagramme für komprimierbaren Fluss :

... es gibt zwei Lösungen für jeden Kegel und jede Machzahl, aber es wird angenommen, dass nur die schwächere Stoßwelle an einem isolierten konvexen Körper auftreten kann.

Daher müssen die Flügel für den Überschallbereich ausgelegt sein, falls die Nase schräge Stoßwellen erzeugt (abgelöste Stoßwellen sind nicht gut - sie erhöhen den Luftwiderstand enorm und das ist der Hauptgrund, warum sie in Wiedereintrittsfahrzeugen verwendet werden). Selbst wenn die Strömung nicht Überschall ist, befinden Sie sich immer noch im transsonischen Bereich, in dem Sie die Flügel unter Berücksichtigung der kritischen Machzahl entwerfen müssen.

Obwohl die 3D-Strömung über einen Kegel ähnlich der Strömung über den Keil ist (da es stark-schwache Fälle und eine Trennung oberhalb einer bestimmten Grenze gibt), ist der maximale Winkel$\theta_{max}$ist bei 3D-Strömung höher. Auch hier ist der angebrachte Schock der „schwache“.

Aufgrund des 3D-Entlastungseffekts (der einen schwächeren Stoß verursacht) ist der Druck auf der Kegeloberfläche geringer als der Keilflächendruck und die Kegeloberflächen-Machzahl größer als die der Keiloberfläche. Infolgedessen hat der Konstrukteur immer noch mit Überschallströmung zu kämpfen.