War die Einführung herkömmlicher Höhenleitwerke als „Alltagsflugzeuge“ unvermeidlich, oder gibt es andere Konstruktionen, die genauso gut sein können?

Wenn Sie einen Optimierer schreiben, der die Spannweiten eines virtuellen Flugzeugs modifiziert, erhalten Sie am Ende einen großen Flügel in der Mitte und einen kleineren am Heck, wenn Ihr Ziel darin bestand, eine gute Leistung, einen großen Schwerpunktbereich und ein fügsames Verhalten zu erreichen. Also ja, eine gleichzeitige Evolution würde auch zu einem konventionellen Layout führen.

Warum keine Ente?

• Der vordere Flügel ist aus Stabilitätsgründen stärker belastet. Das Hinzufügen von Steuerflächen dort würde die mögliche Steuereffektivität verringern. Sie am großen Heckflügel anzubringen, führt zu höheren Stick-Kräften und höheren Auftriebsänderungen bei gleichen Pitch-Moment-Änderungen.
• Aus dem gleichen Grund kann der Flügel nicht sein volles Auftriebspotential nutzen, da der Canard zuerst abwürgen muss.
• Da die Spannweite des Entenflügels kleiner ist als die des Flügels, trifft der Nachlauf des Entenflügels auf den Flügel und stört dort die Auftriebsverteilung über die Spannweite.
• Für die Richtungsstabilität wird immer noch ein Heck benötigt, auch wenn es nur für vertikale Flächen verwendet wird. Alternativ kann der Canard-Flügel gefegt und Winglets für Richtungsstabilität verwendet werden, aber das Hinzufügen von Sweep verringert die Effizienz des Flügels.

Dies alles benachteiligt die Ente deutlich. Es funktioniert, hat aber seinen Preis.

Warum kein Nurflügler?

• Nurflügler haben eine geringe Steigungsdämpfung und einen sehr begrenzten Schwerpunktbereich.
• Sie haben oft keine Hinterkantenklappen für zusätzlichen Auftrieb während des langsamen Fluges, daher sind ihre Start- und Landegeschwindigkeiten höher als die eines vergleichbaren Heckflugzeugs. Oder die Flächenbelastung muss geringer gemacht werden, was bei hoher Geschwindigkeit weh tut.
• Obwohl ein gutes Nurflügler-Design gepfeilte Flügel hat, sind sie für hohe transsonische Geschwindigkeiten schlecht geeignet. Ihre Flügelprofile können keine Heckbelastung aufweisen, sodass die kritische Machzahl bei demselben Auftriebskoeffizienten viel niedriger ist als bei herkömmlichen Konfigurationen.

Das Canard-Layout hat ernsthafte Einschränkungen, die der Schwanz nicht hat. Die größte Herausforderung besteht darin, die gewünschte Tonhöhen-gegen-Geschwindigkeits-Reaktion zu erzielen, um eine gute Tonhöhenstabilität mit den richtigen stickfreien Geschwindigkeitssucheigenschaften zu erzielen, während eine angemessene Autorität bei niedriger Geschwindigkeit vorhanden ist.

Mit dem Heck in der Flugzeug-als-Wippe-Konfiguration ist es einfach, die richtigen Reaktionen zu erhalten (beschleunigen, neigen, verlangsamen, neigen usw.).

Mit einer Auftriebsfläche an der Vorderseite (Flugzeug-als-Tisch-Konfiguration) wurde die erforderliche Neigungsreaktion auf die Geschwindigkeit durch Verwendung eines Canard-Tragflächenprofils mit einer steileren Auftriebsneigung als der Hauptflügel erreicht, so dass beim Beschleunigen die Flugzeug neigt sich und umgekehrt. Bei einem normalen Heck kann das Tragflächenprofil eine Sperrholzplatte sein und es funktioniert immer noch gut.

Die Rutan-Designs verwendeten schon früh ein Canard-Tragflächenprofil, das von der University of Glasgow entwickelt wurde und die erforderliche Auftriebsneigungscharakteristik aufwies. Leider war dieses Profil sehr empfindlich gegenüber laminaren Störungen, und das Fliegen im Regen konnte einen großen Einfluss auf die Trimmung haben (sie würden im Regen nach unten fallen, nicht außer Kontrolle geraten, aber genug, um ein Problem zu sein). Eine Pflasterlösung dafür war das Hinzufügen von Vortex-Generatoren zur Ente. Später wurde ein neues Profil entwickelt, das nicht über die Regenempfindlichkeit verfügte.

Fast alle theoretischen Vorteile des Canards wurden in der realen Welt zunichte gemacht, was der wahre Grund dafür ist, dass die Konfiguration selten ist. Es ist keine Anti-Canard-Verschwörung; Sie funktionieren einfach nicht so gut in der Kompromissbalance, die ein Flugzeug ausmacht.

Ja, sie können nicht abwürgen / drehen, aber Sie können dies auch mit einem normalen Flugzeug tun (Ercoupe). Der VariEZe/Long-EZ hat hohe Start- und Landegeschwindigkeiten und ja, Sie können ihn nicht drehen, aber wenn Sie ihn nach einem Motorschaden ablegen, werden Sie sich wahrscheinlich trotzdem verletzen.

Rutan entwickelte ein Segelflugzeug namens Solitaire, das eine Canard-Oberfläche verwendete. Man könnte meinen, das würde die Canard-Vorteile optimieren, um das perfekte Segelflugzeug zu bauen. Es war nicht erfolgreich, weil es bei Thermikgeschwindigkeit hohe Sinkraten entwickelte (normalerweise dreht man knapp über dem Strömungsabriss bei minimaler Sinkgeschwindigkeit). Er ist ein brillanter Typ, aber alle Entwürfe von Rutan sind Eigenbauten oder Spezialflugzeuge, bei denen man mit den Einschränkungen leben kann.

Was ist mit der Massenproduktion? Nun, Sie haben das Beech Starship. Eine Katastrophe für Beechcraft, die sie fast in den Bankrott treiben würde. Der einzige Ort, an dem Sie Canards in der Produktionswelt sehen, sind zusätzliche Oberflächen zur primären Stabilisierungsoberfläche, dem horizontalen Heck.

Die Wrights haben vorne eine Hebefläche angebracht, weil es damals logisch erschien. Die Oberfläche bewegte sich ziemlich schnell nach hinten, als die Flugzeuge vorankamen.

Die Wrights übernahmen die Canard ursprünglich, um das Flugzeug instabil zu machen, in dem Irrglauben, dass ein stabiles Flugzeug nur träge auf die Steuerung reagieren würde. Das erste Flugzeug, das in Europa flog, die Santos-Dumont 14bis, war eine Ente, die es schaffte, genau das Problem zu lösen, das die Wrights übernahmen, um es zu vermeiden. Ein paar Jahre später produzierte Horatio Barber in Großbritannien ein stabiles und flugfähiges Canard-Flugzeug, die Valkyre. Es zeigte sich, dass es sicherere Stalleigenschaften hatte als seine Zeitgenossen. Parallel und ebenfalls in Großbritannien entwickelte JW Dunne den schwanzlosen Pfeilflügel, auch wegen seiner Stabilität und sicheren Stalling-Eigenschaften. In der Zwischenzeit entwickelten andere in Frankreich, den USA und Großbritannien, einschließlich der Wrights, Wright-Typen mit sowohl einem Schwanz als auch einer Ente, bevor sie die Ente aufgaben. Sowohl die Canard- als auch die schwanzlosen Typen erwiesen sich als zu schwierig, um sie richtig zu machen. während das Höhenleitwerk viel toleranter gegenüber schlechtem Design war und sich leichter an die Umstände anpassen ließ. Die Franzosen führten die aufkommende Mode an, aber es hätte kaum einen Unterschied gemacht, wer es tat, und als Bleriot den Ärmelkanal überflog, war das Höhenleitwerk bereits in allen drei großen Luftfahrtnationen üblich.

Irgendwann würden die anderen Typen passende Nischen finden, einige ziemlich ansehnlich, aber insgesamt hätte die Geschichte immer nur in eine Richtung verlaufen können.

Unterschiedliche Anwendungen haben unterschiedliche Optima, in der Luftfahrt wie in den meisten anderen Dingen. Wenn Sie eine Kombination aus Gesamtleistung, Vorwärtssicht des Piloten (bei der Landung mit der Nase nach oben und der Taxi-Haltung eines konventionellen Getriebedesigns, das fast alles war, was es vor 1930 gab) und Kosten/Gewicht der Konstruktion maximieren, ist es ziemlich einfach um zu sehen, dass Sie so ziemlich die Designs bekommen, die wir damals hatten, die zu den Designs führen, die wir jetzt haben.

Das heißt, wenn etwas früher oder später erfunden worden wäre, hätte es das Endergebnis möglicherweise fünfzig oder fünfundsiebzig Jahre später verändert. Wenn Dreiradausrüstung populär geworden wäre, bevor Flugzeugträger den pazifischen Schauplatz der Seeschlachten eroberten, hätten wir vielleicht Designs im Dienst von 1945 gesehen, die in unserer Geschichte aufgegeben wurden – Flugzeuge wie zum Beispiel die Curtis XP-55 Ascender oder die im Großen und Ganzen ähnlichen Deutsche und japanische Konstruktionen, die trotz des Versprechens besserer Leistung und Flugeigenschaften als der Traktormotor nie in Dienst gestellt wurden, konventionelle Layout-Designs, die ihnen vorausgingen.

Andere Faktoren hätten ebenso leicht dazu führen können, dass schwanzlose Flugzeuge in den Vordergrund gerückt sind (wie der Cutlass-Düsenjäger der 1950er oder der YB-49-Bomber) - entweder diese oder Canards können stabil genug gemacht werden und genügend Leistung für eine bestimmte Aufgabe bieten. Im Allgemeinen hat die Branche jedoch so viel mehr Erfahrung mit Konversationsdesigns, dass sich Designer und Kunden gleichermaßen wohler fühlen, wenn das Höhenruder hinten und der Propeller vorne sind, und egal, wie gut Rutans seltsam aussehende Designs fliegen.

Was den hinten montierten horizontalen Stabilisator betrifft, so haben die unaufhaltsamen Spuren und Irrtümer der Natur über unbegrenzte Zeit die Antwort geliefert. Canards funktionieren sehr gut mit Deltas, aber Deltas sind bei der so wichtigen Auftriebs-/Widerstandsanalyse nicht annähernd so effizient wie gerade Flügel. Vögel haben eine über 100 Millionen Jahre alte Geschichte. Ihre sind hinter dem Flügel.

Aber für menschliche Flugobjekte gibt es Pfeile schon viel länger und sie gehören tatsächlich zum Verständnis des Fliegens. Bogenschützen können eine beträchtliche Schlagkraft auf große Entfernung aufrechterhalten, indem sie den Schwerpunkt nach vorne stellen, sodass der Pfeil nach unten neigt, um die Geschwindigkeit beizubehalten, genau wie bei einem Flugzeug. Das hinten montierte Leitwerk hilft auch, die Nase nach unten zu neigen, wenn das Flugzeug sinkt. Diese beiden Faktoren tragen dazu bei, die Fluggeschwindigkeit und den richtigen Anstellwinkel im Falle eines Strömungsabrisses wiederzuerlangen.

Vertikale Stabilisatoren haben mehr Möglichkeiten und können sowohl an den Flügelspitzen als auch an der Rückseite des Rumpfes montiert werden. Aber mit aktiven Trimmcomputern an Bord werden wir mehr wie Vögel, die unsere aerodynamischen Oberflächen genau steuern. Dies wird dazu beitragen, den Bedarf an schwerfälligen Stabilisatoren zu beseitigen, die einen Luftwiderstand erzeugen, und zu einer größeren Kraftstoffeffizienz führen.

Flugzeuge, die "fressen wie ein Vogel".

Das allein scheint zu implizieren, dass das Höhenleitwerk jedem anderen Design überlegen ist, aber ist es das wirklich? Oder war es nur ein Fall von technologischer und wirtschaftlicher Trägheit?

Ein bisschen von beidem. Und neben den in anderen Antworten diskutierten technologischen Merkmalen sollte man hier die Geschichte nicht vergessen. Das Leitwerk/Frontmotor hat seine Nachteile, aber gleichzeitig einen unglaublichen Entwicklungsvorteil durch den 2. Weltkrieg. Standardaufbauflugzeuge ermöglichen sehr agile Konfigurationen, etwas, auf das Kämpfer angewiesen sind. Und während während des Krieges viele andere Konfigurationen ausprobiert wurden, wurde den Standardkonfigurationen die meiste Aufmerksamkeit geschenkt. Infolgedessen war das Wissen für ihren Bau nach dem Krieg weit verbreitet und wurde für zivile Entwicklungen genutzt.

Es ist ein bisschen wie die Frage, warum das einst führende Elektroauto von Benzinautos verdrängt wurde – wieder spielte der 1. Weltkrieg die Hauptrolle. Während das Laden von Batterien in einer entwickelten zivilen Umgebung kein Problem ist, wird es unter Kriegsbedingungen fast unmöglich - hier bietet Benzin einen unglaublichen logistischen Vorteil, da ein paar Fässer Benzin einfach zu bewegen sind, im Gegensatz zum Aufstellen von Stromgeneratoren zum Laden von Batterien .

Es ist nicht immer der Krieg, da auch die wirtschaftliche Skalierung funktioniert – so wie unsere modernen Computer fast alle im Kern vereinfachte Mini-Computerkonstruktionen wieder zusammensetzen – und jetzt große Anstrengungen unternommen werden, um sie wieder zu „entvereinfachen“.

Um zu fliegen, muss ein Flügel seinen Anstellwinkel innerhalb eines bestimmten Bereichs halten. Wenn der AOA zu niedrig ist, erzeugt der Flügel keinen Auftrieb. Wenn der AOA zu hoch ist, kann die Luft, die sich über die Oberseite bewegt, der Kontur des Flügels nicht folgen, trennt sich und verursacht eine Verringerung des Auftriebs (aerodynamischer Strömungsabriss). Konstruktionen, die passive Stabilität verwenden, um einen angemessenen AOA aufrechtzuerhalten, machen das Flugzeug sicherer zu fliegen, da sie nicht erfordern, dass der Pilot den AOA aktiv überwacht und ständig Korrekturen vornimmt. Die Höhenleitwerkskonfiguration platziert den Massenschwerpunkt des Flugzeugs vor dem Auftriebszentrum des Flügels, wobei das Höhenleitwerk eine ausgleichende Abwärtskraft erzeugt. Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit nimmt der Auftrieb zu und damit auch der Abtrieb am Höhenleitwerk, wodurch sich das Flugzeug aufrichtet und langsamer wird. Wenn die Fluggeschwindigkeit abnimmt, nimmt der Auftrieb ab und damit auch der Abtrieb des Leitwerks. wodurch das Flugzeug nach unten neigt und beschleunigt. Wenn eine Störung die Nase nach oben neigt und ihren Anstellwinkel erhöht, verringert sie in ähnlicher Weise den Abtrieb auf das Höhenleitwerk und stellt die Nicklage wieder her. Wenn eine Störung die Nase nach unten neigt, erhöht dies den Abtrieb auf das Höhenleitwerk und stellt die Fluglage wieder her. Die Höhenleitwerkskonfiguration ist somit von Natur aus (passiv) neigungsstabil, was ihren Einsatz stark begünstigt.

Ein Nachteil der Leitwerkskonfiguration besteht darin, dass ein Teil des Auftriebs des Flügels vom Leitwerk entgegengewirkt wird, wodurch es weniger energieeffizient ist als andere Konfigurationen wie die Canard. Eine Canard-Konfiguration kann auch mit passiver Stabilität entworfen werden, aber es ist schwieriger, sie richtig hinzubekommen, besonders wenn es um Dinge wie Stall-Recovery geht.