Warum gibt es eigentlich nur ein Grunddesign für Passagierflugzeuge?

Für die meisten Transportflugzeuge ist die aerodynamische Effizienz der Schlüsselparameter, da sie einen geringeren Treibstoffverbrauch ermöglicht. Die Layouts, die Sie am häufigsten sehen, sind die effizientesten, die wir kennen:

• Für Jets sind niedrig gepfeilte Flügel mit Triebwerken, die unter und vor den Flügeln montiert sind, und einem konventionellen Leitwerk das effizienteste bekannte Layout. Heckmontierte Motoren waren früher bei kleineren Jets üblich, aber da dies viel Masse weit nach achtern bringt, sind sie in Bezug auf die Whitcomb-Bereichsregel schlechter, schlechter für Gewicht und Balance, und flügelmontierte Motoren tragen auch dazu bei, das Flattern zu dämpfen. Neue Regiojets steigen also auch auf Triebwerke unter Tragflächen um.

• Propellerflugzeuge fliegen langsamer, haben also gerade Flügel. Niedrig montierte Tragflächen sind etwas effizienter, aber dann muss das Flugzeug über ein langes Fahrwerk verfügen, um eine ausreichende Bodenfreiheit für die Propeller zu gewährleisten, daher sind hohe Tragflächen häufiger anzutreffen. Das T-Leitwerk wird dann einfach verwendet, um das Höhenruder über die turbulenteste Spur von Flügel und Triebwerken zu bringen.

Die einzigen Abweichungen von diesen drei grundlegenden Layouts betreffen Spezialflugzeuge, die andere, wichtigere Anliegen haben. Am bemerkenswertesten ist , dass militärische Frachtflugzeuge im Allgemeinen Hochdecker sind, sodass sie zum einfachen Be- und Entladen über eine eingebaute Rampe tief auf dem Boden sitzen können. Ihre markierte Anhedrale soll eine Überstabilisierung des Flugzeugs beim Rollen vermeiden, da sowohl ein hoher Flügel als auch ein Flügelschwung die Rollstabilität erhöhen. Frühere Regiojet-Konstruktionen verwendeten aus demselben Grund am Heck montierte Motoren. niedriger auf dem Boden zu sitzen, damit sie leicht über eingebaute Lufttreppen geladen werden können und diese nicht zu schwer und sperrig sind.

Die Luftfahrtindustrie hat den Großteil ihrer Forschung in den 1920er und 1940er Jahren durchgeführt. Es gab buchstäblich Dutzende von Variationen von Flugzeugzellen und Flügeln. Nach einigem Experimentieren und Theoretisieren (bei NACA, Farnborough und anderswo) entstand für jedes Designziel/jede Marktnische ein dominantes Design , das die Nutzlast an Kraftstoff und andere Beschränkungen anpasst und die Kosten minimiert.

Bei Passagierflugzeugen wurde ziemlich viel durch das Design der DC-3 und in der Jet-Ära durch die Comet entschieden .

EDIT: Jan Hudec weist auf zwei wesentliche Verbesserungen hin, die der Comet nicht hatte:

• Anti-Schock-Körper , erstmals in diesem Design eingeführt ;
• Motoren nach vorne und in Gondeln bewegen.

Abgesehen davon gibt es eine weitere weit verbreitete Ergänzung zu Designs - Winglets .

Verweise:

• http://people.bu.edu/fsuarez/Fernando_Suarez_Website/Publications_files/1995_SMJ_Dominant%20Design%20Survival_Suarez_Utterback.pdf
• Bernie MacIsaac und Roy Langton. (2011) Gasturbinenantriebssysteme, John Wiley & Sons.

Wenn Sie sich auf einem einigermaßen aktiven Drehkreuzflughafen umsehen, werden Sie tatsächlich viele verschiedene Designoptionen für Passagierflugzeuge sehen, die alle heute produziert werden:

• Einige haben hohe Flügel (über den Fenstern), andere niedrige.
• Manche haben geschwungene Flügel, manche gerade.
• Einige haben Motoren unter den Flügeln montiert, andere haben sie am Rumpf befestigt.
• Einige haben Turbofan-Triebwerke, andere haben Propeller.
• Einige haben herkömmliche Höhenleitwerke, andere haben T-Leitwerke.
• Einige haben zwei Motoren, andere vier.
• Die meisten haben einen langen, ungefähr zylindrischen Rumpf; einige haben andere Formen (denken Sie an die 747, deren Rumpfquerschnitt sich auf halber Höhe des Flugzeugs dramatisch ändert).

Wenn Sie sich Flugzeuge ansehen, die für ähnliche Entfernungen mit ähnlichen Passagierzahlen optimiert sind (vergleichen Sie zum Beispiel Airbus A320 mit Boeing 737), haben sie in den meisten dieser Kategorien die gleiche Auswahl. Denn die Auswahl macht einen Unterschied, und für den jeweiligen Einsatz erweist sich eine bestimmte Kombination als wirtschaftlich vorteilhaft.

Sobald Sie sich jedoch Flugzeuge mit unterschiedlichen Rollen ansehen, ändern sich die Dinge. Ein 70-Sitzer-Regionalflugzeug wie der ATR 72 sieht überhaupt nicht aus wie ein verkleinerter A320 .

(Außer sehr grob auf der Ebene von "langer, schmaler Rumpf, ein Paar Hauptflügel in der Nähe seiner Mitte, eine Gruppe von Stabilisatoren ganz hinten, Dreiradgetriebe").

Jedes Mal, wenn ein neues Flugzeug vorgestellt wird, behauptet die Marketingabteilung des jeweiligen Herstellers, dass nun eine neue Ära der Luftfahrt begonnen hat. Erinnern Sie sich an die Behauptungen zu der Zeit, als Boeing die 747 auf den Markt brachte: Wir würden uns über ein großes Kino und eine Bar am Himmel freuen, und ähnlich (plus der Option eines fliegenden Spas) geschah mit der A-380.

Am Ende stimmen die Kunden mit ihrem Geldbeutel ab und die Fluggesellschaften müssen Geld verdienen, sodass all diese extravaganten Optionen verkümmern und jeder zu dem zurückkehrt, was am besten funktioniert. Das Flugzeugdesign ist ausgereift, und all diese Behauptungen über gemischte Flügel-Körper-Konfigurationen werden nur das Marketing und die Presse beschäftigen.

Hinzu kommen die Beschränkungen der bestehenden Infrastruktur und eine übermäßige Regulierung (dank derer wir übrigens eine beispiellose Sicherheit im Flugverkehr genießen), und der potenzielle Vorteil neuer Konfigurationen wird schnell verschwinden. Versuchen Sie einfach, einen Weg zu finden, um eine dieser gemischten Flügelkörperkonfigurationen mit 20 Sitzen in einer Reihe schnell zu evakuieren, und jeder behauptete aerodynamische Vorteil (den er nicht hat) wird strittig sein.

Es heißt „konvergente Evolution“. Wenn Sie eine Aufgabe zu erfüllen haben und diese Aufgabe physische Anforderungen hat, werden alle Designs letztendlich gleich aussehen und funktionieren. Es gibt viele Abstecher auf dem Weg und diese Abstecher neigen dazu, in der Nähe zu bleiben, um ihre Ecke der Art zu bedienen.

Beispiele:

• Große Flugzeuge sind Tiefdecker. Ausnahmen sind schwere Fracht und kurze / grobe Feldstützen wie die Dash-8 (große Stützen passen nicht auf niedrige Flügel) (eine 747 ist kein schweres Frachtflugzeug. Jedes Stück ist klein)

• Jeder stellt seine Motoren auf die Tragflächen. Diejenigen, die nicht sehr tief am Boden sitzen und nicht genug Freiraum haben. Nächstbester Platz: der Schwanz. Viel Glück beim Aufhängen eines Trent 900 an beiden Seiten des Hecks. Und der Aufzug muss aus dem Weg geräumt werden. Die Anzahl der Motoren, die Sie haben, ist lediglich eine Funktion des benötigten vs. verfügbaren Schubs. Beachten Sie, wie die Trijet-Konfiguration ausstarb, als sich leistungsstärkere (und zuverlässigere) Motoren entwickelten.

• Alle Druckflugzeuge haben kreisförmige Querschnitte und abgerundete Fenster, die sich leichter aufblasen lassen. Nicht unter Druck stehende Flugzeuge verwenden immer noch viele Flachbildschirme.

• Fischartige Kreaturen verwenden eine einzige große Flosse für den Antrieb. Echte Fische wackeln damit hin und her, Meeressäugetiere, die ins Meer zurückgekehrt sind, wackeln damit auf und ab, wie die Beine, die sie früher hatten.

Dinge wie Winglets, Canards und andere Ausstülpungen sind anschraubbare Korrekturen für aerodynamische Probleme, die entdeckt wurden, nachdem das ursprüngliche Design abgeschlossen war. Sie werden wahrscheinlich nicht mehr da sein, wenn das nächste Mal ein Leerseiten-Design gestartet wird.

Das Design ist beliebt, weil es bisher das beste für Unterschall-Flugreisen mit großer Kapazität ist. Andere Designs wären entweder weniger sicher oder hätten mehr Luftwiderstand, außerdem gibt es keinen Grund, das zu reparieren, was nicht kaputt ist.

Boeing hat in den letzten Jahren mit verschiedenen Airliner-Designs geflirtet , aber es scheint, dass die extravagantesten Designs, die wir vorerst haben werden, die Boeing 787 und der Airbus A380 sein werden.

Es wäre ein Risiko, etwas Neues auszuprobieren. Das Ziel des Flugzeugherstellers ist es, Geld zu verdienen, und das können sie erreichen, indem sie die Effizienz gegenüber der vorherigen Generation verbessern und im Vergleich zur Konkurrenz etwas andere Nischen auf dem Markt besetzen.

Was sind die Alternativen zum Rohr und zum niedrig montierten Pfeilflügel?

1. Hoher Flügel. Dies erfordert häufig ein T-Leitwerk, das eine geringere Sicherheit aufweist. Mit dem niedrigen Flügel können der Flügel und das Fahrwerk an starken Punkten der Flugzeugzelle montiert werden.

2. Mittlerer Flügel. Kämpfer verwenden dies, weil es effizienter ist, aber das Frachtvolumen eines Verkehrsflugzeugs reduzieren würde.

3. Blended Wing und Body (BWB). Bei diesem Design sind viele Passagiere von den Fenstern entfernt und es treten Evakuierungsprobleme auf. Es ist auch einfacher, eine Kugel oder einen Zylinder unter Druck zu setzen als die BWB-Form.

4. Delta-Flügel. http://seattletimes.com/html/businesstechnology/2002973147_boeingconcepts05.html

Das Boeing Honeydew-Konzept verwendet einen Deltaflügel. Offensichtlich wird das Handling/Sicherheitsproblem bei niedriger Geschwindigkeit als zu großes Problem angesehen.

5. Ente. Die Boeing Kermit Kruiser. Das Flugzeug würde statt Abtrieb vom Canard Auftrieb bekommen, aber die IIRC-Bereichsregelung ist schwieriger.

Ich habe gesehen, wie andere die Frage beantworteten, warum diese Form (aerodynamische Effizienz), aber nicht, warum sie aerodynamisch effizient ist.

Der Schlüssel zur Herstellung eines Flugzeugs mit hoher aerodynamischer Effizienz (geringster Luftwiderstand) ist eine möglichst geringe benetzte Fläche und Stirnfläche bei gleichzeitig maximaler Auftriebserzeugung. Frontalbereich ist genau das, was Sie denken, der geringstmögliche Querschnitt, den Sie versuchen, durch die Luft zu drücken. Die geschliffene Fläche ist jedoch die Fläche, die "nass" wird, dh die gesamte Oberfläche des Flugzeugs. Das bedeutet, dass die bestmögliche Form eine lange Zigarre ist: Je dünner, desto besser. Jeder Bereich, den Sie der "Röhre" hinzufügen, ist verschwendete Energie.

Gleichzeitig ist die Flügelform, die maximalen Auftrieb bei geringstem Luftwiderstand erzeugt, eine lange, dünne Form. Dies liegt daran, dass Flügel in erster Linie Auftrieb erzeugen, indem sie einen negativen Luftdruck erzeugen, indem sie den Luftstrom über die Oberseite schneller als über die Unterseite machen. Dieser Effekt wird durch einen breiten, dicken Flügel zerstört, da der Flügel nicht die gleiche enge Luftdifferenz zwischen oben und unten erzeugen kann wie ein dünner Flügel. Das ist es, was Delta-Flügel und Auftriebskörper tötet.
http://www.discoverhover.org/infoinstructors/guide8.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force)

Sobald die Geschwindigkeit des Flugzeugs einen größeren Prozentsatz der Schallgeschwindigkeit erreicht, kommen jedoch andere Faktoren ins Spiel. Der Flügel muss geschwungen sein und der Flügel muss stärker sein, um die Kräfte im Spiel zu bewältigen, also muss er dicker sein.

Der letzte Teil ist der Schwanz hinten. Dies ahmt nur den Pfeil nach: Das Anbringen der Befiederung auf der Rückseite des Pfeils schafft natürliche Stabilität, indem sichergestellt wird, dass die Vorderseite des Flugzeugs nach vorne gerichtet bleibt.

Es gibt viele Vorteile gegenüber anderen Konstruktionen, Canards haben ein hervorragendes Strömungsabrissverhalten, Auftriebskörper haben eine hervorragende Festigkeit und daher haben Sicherheits- und Tandemflügel mit Streben eine große Festigkeit und hervorragende Auftriebseigenschaften. Aber das Airline-Geschäft ist ein hochvolumiges Geschäft mit niedrigen Margen, sodass jeder noch so kleine Luftwiderstand abgelehnt wird, wenn Entscheidungen getroffen werden.

Wie andere angemerkt haben, ist das derzeitige allgemeine Design von Passagierflugzeugen das Ergebnis jahrzehntelanger Entwicklung und Forschung. Wenn alle Anforderungen analysiert werden, ist dieses grundlegende Layout dasjenige, das die beste Balance zwischen Vor- und Nachteilen bietet. Die Infrastruktur wurde ebenfalls um diese Konfiguration herum aufgebaut, was eine weitere Einschränkung mit sich bringt, die ein neues Design umgehen müsste. Während die Flughäfen bereit waren, Änderungen vorzunehmen, um den A380 unterzubringen, würde ein völlig anderes Design wahrscheinlich eine drastischere Änderung mit sich bringen, die den Flughäfen schwerer zu verkaufen wäre.

In den vielen Jahren, in denen sich dieses Design entwickelt hat, wurden viele gute Lektionen gelernt. Die heutige Sicherheitsbilanz in der Luftfahrt ist das Ergebnis dieser Lektionen, die in die Praxis umgesetzt werden, um das Design zu verbessern. Für ein radikal neues Design müsste vieles davon verworfen oder zumindest gründlich überprüft werden. In vielen Bereichen müssten Untersuchungen und Tests durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die wichtigen Aspekte des Designs richtig verstanden werden.

Ein weiteres wichtiges Element ist die Zertifizierung. Damit die FAA, EASA usw. eine Musterzulassung für ein Flugzeug erteilen, gibt es einen langen Zertifizierungsprozess. Bei einem komplett anderen Design wäre auch die Zertifizierung komplett anders. Die Designer müssten nicht nur von der neuen Konfiguration überzeugt sein, sondern auch diese Autoritäten überzeugen. Dazu müssten viele neue Informationen eingeführt werden. Die Zulassung neuer Flugzeuge dauerte bereits immer länger. Die Einführung einer komplett neuen Konfiguration könnte sogar noch länger dauern.

In den 30er bis 60er Jahren war der Standard für transozeanische Reisen ein 4-motoriges Flugzeug. Wenn Sie bestimmte Fluggesellschaften gefragt hätten, ob sie ein dreimotoriges Lockheed- oder Douglas-Flugzeug kaufen würden, würden sie "NEIN" sagen, weil ihre Kunden sich weigern würden, mit weniger als vier Triebwerken zu fliegen!

Aber nach und nach wurden 3 Motoren zum Standard für Hochseereisen.

Und Anfang der 80er Jahre kam ETOPS dazu, weil die Motoren extrem zuverlässig geworden waren.

Der Designprozess ist also evolutionär; Die meisten Änderungen passieren ziemlich langsam, und Designer kopieren oft die Erfolge anderer Designer.