Warum ist die Spannweite eines bestimmten Verkehrsflugzeugs bei den längeren Rumpfversionen nicht länger?

Es gibt zwei Hauptgründe:

• Es ist einfacher, eine Rumpfsektion einzustecken als eine (nach hinten gekehrte) Flügelsektion. Wenn Sie bemerken, dass eine Sache, die bei allen Modellen konstant gehalten wurde, der Rumpfquerschnitt ist. Grundsätzlich kann der Hersteller einen weiteren Rumpfquerschnitt anfertigen und zu den bestehenden hinzufügen.

  Wenn andererseits ein Flügelabschnitt hinzugefügt wird, ändern sich die Flugzeugeigenschaften erheblich, zusätzlich zu der Schwierigkeit, dies zu tun. Wenn Sie einen Flügelabschnitt hinzufügen, müssen ziemlich viele zusätzliche Modifikationen vorgenommen werden (wie Steuerflächen usw.), die die Kosten erhöhen und alle Kosteneinsparungen beseitigen, die der Hersteller durch die Verwendung gemeinsamer Teile für alle Modelle hätte erzielen können.

• Der nächste, vielleicht wichtigere Grund dafür aus Airline-Sicht ist, dass es die Flugzeugdesign-Gruppe verändern wird. Die folgende Tabelle stammt aus dem FAA AC 150/5300-13 Airport Design (Die ICAO-Definitionen sind mehr oder weniger gleich):

Bild von FAA AC 150/5300-13 Airport Design

Beispielsweise haben die Boeing 737 und der Airbus A320 Spannweiten an der Grenze der Designgruppe III (B737 hat 117 Fuß 10 Zoll, während A320 117 Fuß 5 Zoll mit Sharklets hat). Jede Erhöhung wird die ADG ändern, was die Anzahl der Flughäfen einschränken wird, von denen aus das Flugzeug betrieben werden kann, was den Fluggesellschaften nicht gefallen wird.

Als beispielsweise die Spannweite der 747-8 erhöht wurde, wurde die Flugzeugkategorie geändert (von ICAO-Kategorie E auf F, entspricht V auf VI) und es mussten Kompatibilitätsstudien durchgeführt werden, um den Betrieb auf Flughäfen zuzulassen, auf denen bereits 747-400 sind in Betrieb.

Die Fluggesellschaften verwenden gerne unterschiedliche Betriebsverfahren oder opfern einige andere Eigenschaften (wie die Reichweite – z. B. die Reichweite der B737 MAX sinkt um etwa 200 Meilen zwischen MAX 7 und MAX 9; Flugzeuge fliegen diese Entfernungen ohnehin selten), um dasselbe Flugzeug in einem zu betreiben große Anzahl von Flughäfen und reduzieren den Wartungsaufwand durch gemeinsame Teile für alle Modelle.

Ein Flügel lässt sich sehr schwer ausdehnen, im Gegensatz zu einem Rumpf, wenn er einen zylindrischen Mittelabschnitt hat.

Tragflächen müssen so dimensioniert sein, dass sie bei Belastung mit den maximal denkbaren Luftlasten im Betrieb nicht brechen. Diese werden erreicht, wenn das Flugzeug mit hoher Geschwindigkeit in einen starken Aufwind fliegt, und bei böigem Wetter müssen Geschwindigkeitsbegrenzungen eingehalten werden, um sicherzustellen, dass die Flügel intakt bleiben.

Wenn an den Spitzen ein Bereich hinzugefügt wird, wird ein großes Biegemoment (Auftriebskraft mal Hebelarm) für relativ wenig Auftrieb erzeugt. Dieses Biegemoment ist für die Spannungen an der Flügelwurzel verantwortlich und muss daher begrenzt werden, damit der Flügel nicht abreißt.

Um mehr Auftrieb zu erzeugen, werden lediglich die Landeklappen modifiziert. Vergleichen Sie die beiden folgenden Bilder: Das obere zeigt die Landeklappen eines A319 und das untere die eines A321:

A319-Klappen in Landekonfiguration ( Bildquelle )

A321-Klappen in Anflugkonfiguration ( Bildquelle )

Während die A319-Klappe einfach geschlitzt ist, verwendet die A321 ein zweites Klappensegment mit einem zusätzlichen Schlitz, um etwas mehr Auftrieb aus derselben Grundrissform herauszuholen. Es hat auch eine tiefere Klappe, sodass die Flügelsehne leicht erhöht wird. Dies trägt dazu bei, dass die Landegeschwindigkeiten beider Flugzeuge ähnlich sind, während das maximale Landegewicht des A321 um 27,5 % höher ist als das des A319 . Für eine ähnliche Startleistung werden stärkere Motoren ausgewählt, aber für die Landeleistung muss der Flügel mehr Auftrieb erzeugen. Im Reiseflug wird der Flügel einfach mit einem höheren Auftriebsbeiwert betrieben.

Nur für die A340-500/600-Serie wurde die Flügelfläche vergrößert, indem ein dreieckiger Mittelabschnitt in das Tragflächenprofil eingefügt wurde, sodass sowohl die Sehne als auch die Spannweite gegenüber der A340-200/300 erhöht werden konnten. Dies war aufgrund der Geometrie moderner überkritischer Tragflächen möglich, kommt aber sehr selten vor. Dadurch konnte der Flügel nicht nur mehr Auftrieb erzeugen, sondern auch das interne Treibstoffvolumen um 50 % erweitert werden, so dass die A340-500 bei ihrer Einführung im Jahr 2002 zum Verkehrsflugzeug mit der größten Reichweite der Welt wurde. Außerdem wurden die Wurzelstruktur und ihr maximales Biegemoment erhöht Die Spannweite konnte verlängert werden.

A340-Versionsvergleich (eigene Arbeit). Blau ist der A340-200, Rot ist der A340-500. Beachten Sie die Zunahme der Flügelsehne, während die Leitwerksflächen unverändert blieben.

Kurze Antwort: Sie müssen nur einen Flügeltyp entwickeln, bauen und warten. Und es gibt keinen Grund, es nicht zu tun.

Das führt jedoch zu der Frage: Wie wirkt sich das auf die Leistung aus?

Aus der Formel für den aerodynamischen Auftrieb sehen wir, dass es im Allgemeinen 4 Möglichkeiten gibt, den Auftrieb eines Flügels zu erhöhen:

1. Erhöhen Sie den Anstellwinkel
2. Erhöhen Sie die Flügelfläche
3. Geschwindigkeit erhöhen
4. Luftdichte erhöhen

Anstellwinkel
Der Anstellwinkel definiert den Zustand unseres Flugzeugs, wie Stall, bester Reiseflug usw. Wir können ihn also für eine bestimmte Situation als feststehend betrachten.

Flügelfläche
Wie Sie vorgeschlagen haben, könnten wir die Spannweite oder Tiefe des Flügels vergrößern.

Speed
​​Lift geht mit Geschwindigkeit im Quadrat. Um mit dem zusätzlichen Gewicht des größeren Flugzeugs fertig zu werden, müssen wir die Fluggeschwindigkeit für eine gegebene Situation um die Quadratwurzel des Ladefaktors erhöhen . Nehmen wir an, das größere Flugzeug ist 1,5 - mal so schwer, alle Geschwindigkeiten skalieren mit sqrt(1.5) = 1.22 . Also alle charakteristischen Geschwindigkeiten wie Stallgeschwindigkeit, beste Steiggeschwindigkeit, beste Reisegeschwindigkeit usw. 1,22-fach.

Luftdichte
Nun, wir können die Luftdichte nicht ändern. Wir können jedoch in dichterer Luft fliegen, also tiefer. Um es andersherum auszudrücken, das schwerere Flugzeug leidet unter einer niedrigeren Serviceobergrenze .

Fazit
Bei gleicher Tragfläche schneidet das schwerere Flugzeug schlechter in Bezug auf Dienstgipfelhöhe, kurzen Start und Landung ab, aber besser, wenn es um schnellen Reiseflug geht.

Ein Punkt, der noch nicht erwähnt wurde:

Das voll beladene und das leere Gewicht eines Flugzeugs können sehr unterschiedlich sein. Bei einem typischen Verkehrsflugzeug kann das Startgewicht zwischen etwa 25 % und 45 % Treibstoff liegen https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_fraction

Daher ist es durchaus möglich, dass eine Variante mit langem Rumpf, die auf Kurzstrecken eingesetzt wird, und eine Variante mit kurzem Rumpf, die auf Langstrecken eingesetzt wird (und viel mehr Treibstoff benötigt), genau das gleiche Startgewicht und damit die gleiche Flächenbelastung haben.

Also ja, ein bestimmtes Flügeldesign hat eine maximal zulässige Belastung, aber die Art und Weise, wie diese zwischen % Flugzeug + % Treibstoff + % Nutzlast verteilt werden kann, kann erheblich variieren.

Andererseits stimmt es sicherlich, dass es aufgrund der Standardisierung viele Flugzeuge mit überdimensionierten Flügeln gibt. Sie können sehen, dass die Flügel des A380 im Vergleich zum Rest des Flugzeugs eine ziemlich große Fläche haben. Sie wurden mit der Idee entworfen, das Flugzeug später zu strecken, aber es gab noch nicht viel Interesse an einer gestreckten Version.

Würden Sie bei der 737-900 wegen des zusätzlichen Gewichts, das Sie tragen würden, nicht eine größere Spannweite als bei der 737-700 benötigen, und Sie benötigen mehr Auftrieb, um dieses zusätzliche Gewicht zu tragen.

Sie würden es tun, wenn die Spannweite der 737-700 an den Designgrenzen für den Rumpf der 737-700 ausgelegt wäre. Aber das ist es nicht. Stattdessen ist die Flügelspannweite der gesamten Familie an den Designgrenzen für das größte Mitglied der Familie ausgelegt.

Mit anderen Worten, wir könnten Ihre Frage wie folgt umformulieren:

Sind die Flügel der 737-900 nicht zu klein?

Und die Antwort lautet: Nein, die Flügel der 737-700 sind zu groß!

Richtig ist, dass mehr Auftrieb benötigt wird, um das Mehrgewicht der größeren Variante zu heben. Dies könnte mit einem größeren Flügel erreicht werden, aber auch durch schnelleres Fliegen oder mit einem höheren Anstellwinkel oder beidem.

Der springende Punkt bei der Einführung von Flugzeugfamilien wie der 737 liegt darin, ein großes Marktsegment mit möglichst vielen gemeinsamen Flugzeugteilen abzudecken (dh Entwicklungs- und Lagerkosten zu reduzieren und Einsparungen durch Kommunalität zu realisieren). Das Ändern des Flügels für jedes Modell würde diesen Zweck zunichte machen, da der Flügel eines der teureren Teile ist, die an einem Flugzeug konstruiert werden müssen. Außerdem würde es die Wartung und Reparatur während des Betriebs beschwerlicher machen, da die Flottenkommunalität verringert würde.