Warum gibt es keine Frachtflugzeuge in „Nurflügel“-Ausführung?

Nurflügler können ohne künstliche Hilfe so hergestellt werden, dass sie akzeptable Flugeigenschaften haben. Schauen Sie sich nur die Segelflugzeugdesigns von Jim Marske an.

Der Hauptnachteil von fliegenden Flügeln besteht darin, dass die Stabilität der Neigung ziemlich genau auf die gleiche Weise wie bei einem herkömmlichen Heck erreicht wird, wobei eine Abwärtskraft den Schwerpunkt vor dem Drehpunkt des neutralen Punkts der Auftriebskräfte ausgleicht, aber es ist alles vorhanden erfolgt über den sehr kurzen Momentarm des Flügelakkords selbst. Mit anderen Worten, das "Heck" wurde nach vorne zur Hinterkante des Hauptflügels bewegt.

Es gibt viele Probleme, die sich daraus ergeben, Neigungsempfindlichkeit und Dämpfungsprobleme und all das, aber das größte Problem aus Sicht eines Frachtflugzeugs ist ein sehr enger Schwerpunktbereich. Keine große Sache bei einem Bomber mit konzentrierter Bombenschachtlast oder einem Segelflugzeug, das keine Ladeschwankungen bewältigen muss, aber eine größere Sache bei einem Frachter. Sie sind gezwungen, die Last und das Rumpfvolumen seitlich zu verteilen, wodurch viel mehr Frontfläche als nötig entsteht (Sie drehen den Rumpf praktisch seitwärts), sodass Sie am Ende den Luftwiderstandsvorteil durch das Weglassen des Hecks aufheben den ersten Platz, und am Ende immer noch mit einer "temperamentvollen" Konfiguration.

Frachtflugzeuge (außerhalb des Militärs) begannen fast immer als Passagierflugzeuge . Das Verhältnis von aktiven großen Frachtflugzeugen zu Passagierflugzeugen liegt im einfachen Prozentbereich . Daher entwickelt niemand ein reines Frachtflugzeug von Grund auf neu.

Das heißt nicht, dass es niemand versucht hat. Speziell für Fracht wurden große Nurflügler vorgeschlagen, die ihre Fracht in Containern entlang der Spannweite verstauen – daher ihr Name: Spanloader. Unten ist eine künstlerische Impression aus den 1970er Jahren.

Boeing Model 759-159 Distributed Load Frachterkonzept aus den 1970er Jahren ( Bildquelle )

Zunächst einmal, mit den Kosten für die Konstruktion und Zulassung eines neuen Flugzeugtyps, wenn ein Transportfahrzeug nicht umkonfiguriert werden kann, um Passagiere oder Fracht zu befördern, wird es nicht von der Serviette kommen. Die konventionellen Transporte, die wir haben, können teilweise in nur wenigen Stunden von Fracht auf Passagiere und zurück umgestellt werden. Damit ein Nicht-Personentransporter konkurrenzfähig ist, müsste er viel billiger sein (in der Anschaffung und im Betrieb) als ein Mehrzweckflugzeug.

Neben den anderen Antworten liegt ein Grund für den Mangel an Nurflüglern in der Zivilluftfahrt im Allgemeinen darin, dass sie in einem Umfeld konkurrieren müssen, das neben konventionellen Flugzeugen mit Rumpf und Flügeln gewachsen ist und für Nurflügler schlecht geeignet ist.

Das bedeutet, dass sie die gleichen Flughäfen (Wenderadien, Spurweitenbreiten) nutzen, in die gleichen Parkumschläge (Spannweite) passen und von den gleichen Bodenfahrzeugen bedient werden müssen (Buchthöhen, Flügelabstände). Weil die Neugestaltung einer ganzen Industrie an Zusatzausrüstung und Infrastruktur als nicht wert erachtet wurde, die geringfügigen Effizienzgewinne durch fliegende Flügel zu erzielen.

Nurflügel haben einfach nicht viel Innenraum für Fracht, daher sind sie ein Nichtstarter für Frachtflugzeuge.

Sie erwähnen die B-2, die 18 Tonnen Bomben tragen wird. Bomben sind jedoch klein und schwer: Beispielsweise ist eine US Mark 82-Bombe im Wesentlichen eine 130 kg (300 lb) schwere Metallkiste, die mit 90 kg (200 lb) Sprengstoff gefüllt ist. Die meisten Flugfrachtgüter sind nicht in solchen dicken, schweren Metallkisten verpackt, also würde die Umwandlung des Bombenschachts der B-2 in einen Frachtschacht kein sehr nützliches Frachtflugzeug schaffen.

_{Was gut ist, denn die Bezeichnung C-2 ist bereits vergeben . *randschuss*}

Auf das Stabilitätsargument möchte ich etwas ausführlicher eingehen. Denn es ist richtig, dass die statische Längsstabilität der Hauptgrund ist, warum diese Flugzeuge nicht oft entwickelt werden.
Die Begründung in den anderen Beiträgen ist jedoch unvollständig/nicht vollständig korrekt.

Zunächst einmal hat ein Nurflügler tatsächlich einen sehr kleinen Stabilitätsspielraum. Dies kann entweder durch einige unkonventionelle Flügelkonstruktionen gelöst werden: Dies hat das Problem, den Effizienzgewinn durch die Verwendung einer Nurflügelkonfiguration weitgehend zunichte zu machen.
Die andere Methode, die vom B2-Spirit verwendet wird, besteht darin, einen aktiven Controller zur Steuerung der Steuerflächen zu verwenden. Dies hat den Nachteil, dass die Komplexität des Flugzeugs zunimmt und das Bestehen von Vorschriftenprüfungen noch schwieriger wird. irgendein Hinweis .

Statische Längsstabilität

Ich werde die statische Längsstabilität noch etwas ausführlicher erläutern. Zuerst definieren wir Stabilität: stabil zu sein bedeutet, dass sich das Objekt von selbst "erholt", sobald eine kleine Erregung auf das Objekt angewendet wird.
Längsstabilität bedeutet, dass eine Anregung in Längsrichtung, also eine Änderung der Tonhöhe/Anstellwinkel ($\alpha$), muss mit "irgendeinem" Moment begegnet werden. Da ein Flugzeug während des Reiseflugs im Gleichgewicht ist, sollte eine Erhöhung des Anstellwinkels zu einem negativen Moment führen. - Eine Reduzierung des Anstellwinkels sollte zu einem positiven Reaktionsmoment führen.

Oder mathematisch ausgedrückt: (Definition)

Ein einfacher Flügel

Betrachten wir nun zunächst eine einfache Konfiguration: nur einen Flügel. Da der von einem Flügel erzeugte Auftrieb auf eine verteilte Kraft zurückzuführen ist, hat ein Flügel immer sowohl eine Auftriebskraft als auch ein Auftriebsmoment (außer an einem einzigen Punkt, an dem das Moment Null ist, dieser Punkt ändert sich jedoch mit den Flugbedingungen). - In der Luftfahrt entfernen wir der Einfachheit halber die Einheiten. Wir haben also eine Kraft$C_L$und einen Augenblick$C_M$.

Auf einem Tragflügel gibt es auch einen Punkt, an dem der Faktor dazwischen liegt$C_L$Und$C_M$ändert sich nicht mit dem Anstellwinkel. Dieser Punkt wird als aerodynamisches Zentrum bezeichnet und ist ein statischer Punkt, der durch die Tragflächenform gegeben ist: Er wird daher zur Berechnung verwendet.

Also (per Definition):

Nun, da ein Flügel unter einem höheren Anstellwinkel immer mehr Auftrieb erzeugt, und eigentlich betrachten wir die C_L - \alphaKurve als linear. (Für die Stabilität berücksichtigen wir kleine Änderungen des Anstellwinkels) Folgendes gilt:

Zusammen mit der früheren Gleichung:

herkömmliche Flugzeuge

Ich möchte an dieser Stelle zunächst auf die Stabilität konventioneller Flugzeuge eingehen, da es viele widersprüchliche Informationen zu geben scheint.

Betrachten Sie dazu die folgende Konfiguration (beachten Sie, dass die Punkte, an denen der Auftrieb an Flügel und Heck "anhaftet", als aerodynamisches Zentrum für diese Berechnungen definiert sind - wir könnten jeden Punkt verwenden, aber die Verwendung von ac reduziert die Komplexität erheblich).

Aus den statischen Gleichgewichtsgleichungen:

Der Auftrieb durch Trimmung im Höhenleitwerk ist komplexer (aufgrund der nicht zu vernachlässigenden Abwindung des Hauptflügels auf den Luftstrom am Leitwerk (${\epsilon}$). ($C_l$= Auftriebsbeiwert des Heckteils)). - Vereinfachend betrachten wir das Höhenleitwerk als symmetrisches Tragflächenprofil, also heben Sie an$\eta=0$ist Null. (des Leitwerks).

Analog lässt sich die Momentengleichung schreiben:

Nun muss wieder von der allerersten Gleichung an das partielle Differential der Momentengleichung in Bezug auf den Anstellwinkel negativ sein:

Jetzt muss noch eine endgültige Definition vorgenommen werden, eine Distanz$h$vom Schwerpunkt, so dass die Momentengleichung für den Gesamtflügel geschrieben werden kann als:

Das Lösen aller Gleichungen (siehe Wikipedia für Details ) führt zu:

Mit$c$ist der aerodynamische Hauptakkord des Hauptflügels. (Erneut eingeführt, um die Anzahl der Einheiten zu reduzieren, mit denen wir arbeiten). Zur Stabilität (seit$C_{M_\alpha}$muss negativ sein)$h$muss negativ sein. Analysieren wir das obige Ergebnis:

Dieser Teil, der als "Heckvolumen" bezeichnet wird, besteht aus geometrischen Definitionen eines Flugzeugs und wird sich nicht ändern.

Dies erlaubt uns also, die Stabilitätsspanne zu definieren als:

Beachten Sie, dass der zweite Term immer positiv ist und negativ ist$x_g$, oder (siehe Bild oben) mit dem Schwerpunkt vor dem aerodynamischen Zentrum des Hauptflügels. ergibt immer eine stabile Konfiguration. Und denken Sie daran, dass sich das aerodynamische Zentrum nicht mit dem Anstellwinkel ändert. (Der Schwerpunkt kann sich während des Reiseflugs aufgrund des Kraftstoffverbrauchs verschieben, aber dies wird in der Praxis normalerweise durch Pumpen gemildert, und eine Verschiebung des Schwerpunkts nach vorne führt immer zu einem stabileren Flugzeug).

neutraler Punkt

Jetzt sind wir endlich beim Neutralpunkt angelangt , der in einer anderen Antwort fälschlicherweise konsequent verwendet wurde. Der neutrale Punkt ist per Definition der Punkt, an dem ein Flugzeug "nur" stabil ist:$h=0$

Daraus folgt, dass der "Bereich", zwischen dem sich der Schwerpunkt ändern kann, zwischen Nase des Flugzeugs (negativ$x_g$) und ein Punkt, der hauptsächlich durch das Schwanzvolumen gegeben ist. Das Leitwerksvolumen lässt sich am einfachsten beeinflussen, indem entweder die Leitwerksfläche oder der Abstand zwischen Hauptflügel und Leitwerk verändert wird.

Konfiguration des fliegenden Flügels

Abschließend zurück zum ursprünglichen Punkt, der Nurflügler-Konfiguration. Ein Nurflügler hat per Definition kein Leitwerk hinter dem Hauptflügel. Somit ist das Schwanzvolumen Null.

Daher liegt der neutrale Punkt eines Nurflüglers genau im aerodynamischen Zentrum. Das ist für ein herkömmliches Flügeldesign etwa 1/4 des Sehnenabstands.

somit hat ein nurflügler ohne modifikationen einen unbrauchbar kleinen stabilitätsspielraum

Deltaflügel und Canard

Ich möchte auch schnell auf die Deltaflügel- und Canard-Konfiguration wie für die Concorde oder F16 ausweichen. Diese Konstruktionen werden von einem anderen Parameter gesteuert (Stoßwellenwiderstand/etwas anderes, wie eine effizientere Steuerung durch fehlenden Downwash).

Die Stabilität für solche Flugzeuge ist jedoch sehr unterschiedlich: Während das obige Bild noch verwendet werden kann, müssen wir dies berücksichtigen$l_t$ist konstruktionsbedingt negativ. Dadurch wird die Position des neutralen Punktes so geändert, dass er immer vor dem Hauptflügel liegt. Und viele dieser Konstruktionen haben auch aktive Steuerflächen und sind von Natur aus instabil.

(Daher kommt sogar der Name „Canard“: Als der Bruder Wright das erste Motorflugzeug erschuf, glaubten die Leute es in Frankreich nicht. Sie nannten es das, was wir heute „Fake News“ nennen würden. Der Begriff für gefälschte Nachrichten war „ Canard" in Frankreich, also nannten sie das Design "Canard").

Es dreht sich alles um die CG-Reichweite und wie viel Missbrauch das Design aushalten kann. Werfen Sie einen Blick auf die C-130 Hercules. Es hat einen riesigen Hstab, um mit einer breiten Palette von CG fertig zu werden. Wirklich ein Doppeldecker. So ist der Chinook-Hubschrauber. Halten Sie den Tisch mit 4 Beinen (6 mit einer Ente).

Also, was tun wir, um zu einem brauchbaren Nurflügler zu kommen? Sweep Back bietet eine Verbesserung der Nickstabilität, wenn Sie (mit Washout) das Flugzeug verlängern. Steuerflächen können an den Flügelspitzen platziert werden. Reflex Camber Airfoils helfen ebenfalls. Wie geht man mit dem Verlust eines längeren Rumpf-/Hstab-Pitch-Drehmomentarms um? Lassen Sie den Laderaum bei CG auf eine Rolle stellen. Ziehen Sie es nach vorne, bis es kippt. Sicher, Ladung ausbalanciert! Kraftstofftanks können so angeordnet werden, dass sie gleichmäßig ablaufen. Unter der Annahme eines Unterschalldesigns mit nahezu neutraler statischer Stabilität kann es sogar ohne Computer fliegen.

Aber die überaus wichtige Verschiebung von Clift mit Änderung der AOA oder Fluggeschwindigkeit muss berücksichtigt werden. Ein kleiner Schwanz, wie ihn Vögel haben, kann also dazu beitragen, einen besseren Sicherheitsspielraum für das Design zu schaffen, mit oder ohne Computer. Das Gleiche gilt für Flügel mit niedrigerem Aspekt. Interessanterweise wird ein Vogel, der seine Flügel nach hinten schwingt, ... zu einem Delta. Fegen Sie sie wieder raus ... eine F-111?

Es ist möglich, die Heckgröße in Fracht- und Passagierflugzeugen zu reduzieren.

Das erste zertifizierte stabile Flugzeug flog 1910 in (und ohne) den Händen von JW Dunne. Es war auch das erste schwanzlose, gepfeilte Flugzeug, das flog, eine Art Doppeldecker-Nurflügel, außer dass alles zwischen den Flügeln gestapelt war, also kein echter Nurflügler. Die Zeitgenossen Handley Page und Igo Etrich mussten ihren eher vogelähnlichen Versuchen Schwänze hinzufügen. Ob ein bestimmter schwanzloser Typ ausreichend stabil ist, ist komplex und subtil zu analysieren, und viele Designer haben sich seitdem geirrt. Im Jahr 1913 hielt Dunne der Aeronautical Society einen unmissverständlichen Vortrag darüber, warum sein Werk funktionierte und die anderen scheiterten, es ist auch heute noch eine faszinierende Lektüre.

Aber alle sind sich einig, dass der schwanzlose Subsonic-Typ einen engen Schwerpunktbereich hat. Das ist kein Problem, vorausgesetzt, Sie führen Ihren Lastausgleich richtig durch, aber es macht die Arbeit noch umständlicher als gewöhnlich.

Der wahre Killer für Frachtflugzeuge ist, dass der Laderaum eines Nurflüglers nur tief genug wird, um bei einem riesigen Design praktisch zu sein, sonst wäre der Flügel zu dick und langsam. Kein vorhandenes Flugzeug wurde jemals so groß gemacht, dass es sich lohnt. Damit es sinnvoll ist, braucht man eine Nutzlast von über 500 Tonnen (entspricht etwa 5.000+ Passagieren), sechsmal den Airbus A380 oder drei An-225-Frachtflugzeuge oder zwei Stratolaunch Rocs. Oh, und die Flughäfen, von denen aus geflogen wird.

Einfache Ökonomie. Warum Milliarden und Jahre damit verbringen, ein neues Flugzeug von Grund auf neu zu entwerfen – insbesondere eines, das Technologien verwendet, die sich in zivilen Anwendungen nicht bewährt haben (Nurflügler) – wenn Sie Millionen und Monate damit verbringen können, Passagierflugzeuge zu kaufen, die bewährte, erprobte und getestete Technologie verwenden, und sie umzurüsten für Frachtbedarf?

Während alle anderen Antworten einige praktische Probleme angehen, die Frachtflugzeuge mit fliegenden Flügeln zu bewältigen hätten, gibt es auch das Problem, dass Flugzeugbetreiber beim Kauf teurer Flugzeuge sehr konservativ sind. Das ist einer der Hauptgründe, warum sich das Design von Verkehrsflugzeugen in den letzten 50 Jahren nicht wirklich verändert hat. Der Kauf von Flugzeugen mit einem radikal neuen Design ist riskant. Investieren Sie besser in bewährte Technologie, die möglicherweise weniger effizient ist, anstatt zu riskieren, Ihre gesamte Investition zu verlieren, wenn sich das neue Design als Fehlschlag herausstellt.