Warum ist die Tu-144 das einzige Verkehrsflugzeug mit Canard-Konfiguration?

Kurze Antwort: Canards machen am meisten Sinn bei negativer statischer Stabilität und hoher Wendigkeit. Verkehrsflugzeuge brauchen beides nicht, daher funktioniert ein herkömmliches Layout am besten.

Für ein statisch stabiles Flugzeug ergibt das herkömmliche Layout den größten Wirkungsgrad bei ausreichender Dämpfung. Statische Stabilität erfordert, dass die vorderen Auftriebsflächen proportional zu ihrer Größe mehr Auftrieb erzeugen als die hinteren Flächen. Hier ist eine Antwort auf eine verwandte Frage.

Sie möchten, dass das Flugzeug in die ursprüngliche Fluglage zurückkehrt, wenn es gestört wurde, beispielsweise durch eine Böe oder einen Schlag auf den Steuerknüppel. Dies kann erreicht werden, indem mit den vorderen Flächen (= der Flügel in einer herkömmlichen Konfiguration) proportional mehr Auftrieb erzeugt wird als mit den hinteren Flächen (= der Flügel in einer Canard-Konfiguration). Angenommen, der Ruck bringt das Flugzeug nach oben. Jetzt sollten sich die aerodynamischen Kräfte so ändern, dass der Auftrieb an den hinteren Flächen proportional stärker zunimmt, sodass das Flugzeug nach unten neigt und in seine ursprüngliche Fluglage zurückkehrt. Indem der Auftrieb auf die oben erwähnte Weise verteilt wird, erzeugt die gleiche Änderung des Anstellwinkels sowohl auf der vorderen als auch auf der hinteren Oberfläche einen proportional höheren Auftriebsanstieg auf der hinteren Oberfläche, wodurch das Flugzeug (statisch) stabil wird.

Das erfordert, dass eine der (meistens) zwei Oberflächen nicht so viel zur Auftriebserzeugung beiträgt, wie sie könnte. Sie möchten, dass diese Oberfläche die kleinere von beiden ist, damit die gesamte Konfiguration bei einer bestimmten Geschwindigkeit so viel Auftrieb wie möglich erzeugen kann. Ein Canard wäre eine schlechte Wahl für ein Verkehrsflugzeug, da der große Flügel jetzt mit einem Bruchteil seines Potenzials fliegen würde.

Sobald Sie den Schwerpunkt nach hinten verschieben, um die Manövrierfähigkeit zu verbessern, werden die Dinge anders: Jetzt erzeugt die hintere Oberfläche proportional mehr Auftrieb, sodass die kleinere Oberfläche nach vorne gehen sollte. Voilá, eine Ente!

Fügen Sie jetzt einen Vorwärtsschwung hinzu, wodurch sich die Flügelspitzen zu höheren Anstellwinkeln drehen, wenn der Auftrieb erhöht wird, und Sie erhalten ein wirklich reaktionsschnelles Flugzeug (aber Sie müssen darauf achten, es nicht zu überlasten!). Dies wurde auf der X-29 und der Berkut durchgeführt .

Wie jwenting betonte, war der Canard auf der Tu-144 keine Steuerfläche, sondern sollte als eine Art abgetrennte Leiste betrachtet werden . Durch Hinzufügen von etwas Auftrieb vor dem Flügel können die Flügelklappen im Langsamflug abgesenkt werden, wodurch das Auftriebspotential des Hauptflügels erhöht wird, während der Schwerpunkt und die Stabilität beibehalten werden.

Und wo wir gerade dabei sind: Der Piaggio Avanti hat einen Canard und auch ein konventionelles Heck. Hier hilft der Canard, den Flügelholm hinter den Kabinenbereich zu stellen, erleichtert das Fliegen mit unterschiedlichen Schwerpunktlagen und erhöht die aerodynamische Dämpfung. Dies ist eines der wenigen Beispiele für richtig gemachte Canards in kommerziellen Flugzeugen!

Die Canards auf der Tu-144 waren technisch gesehen keine Canards. Sie waren statische Oberflächen, die sich nicht bewegten.
Sie waren reine Hebevorrichtungen, um das Handling bei niedriger Geschwindigkeit zu verbessern (und somit dazu beizutragen, die übermäßig hohe Landegeschwindigkeit zu reduzieren).
Diese wurden hinzugefügt, weil das Handling bei niedriger Geschwindigkeit aufgrund des (im Vergleich zur Concorde) minderwertigen Flügeldesigns als mangelhaft befunden wurde.

Weil es aerodynamisch nicht effizient ist. Um Stabilität zu erreichen, muss die vordere Oberfläche in einem höheren Anstellwinkel fliegen als die hintere. Der Canard muss also mit einem ziemlich hohen Anstellwinkel fliegen, was zu einem hohen Luftwiderstand führt und den Luftstrom für den Hauptflügel stört, was seine Effizienz weiter verringert. Es ist kein Zufall, dass die meisten modernen Jets das gleiche Layout haben. Es ist das effizienteste bekannte Design.

Während der höhere Anstellwinkel des Canards zu seinem größten Vorteil führt, bedeutet das sanfte Strömungsabrissverhalten, bei dem das Flugzeug die Nase nur sanft senkt, dass der maximal nutzbare Anstellwinkel reduziert wird. Dies erhöht die Landegeschwindigkeit und reduziert den Sicherheitsspielraum, falls das Flugzeug in eine Windscherung geraten sollte. Ein geeigneter Wingtwist liefert ohne diese Nachteile kein wesentlich schlechteres Stallverhalten.

Bei Deltaflügeln hat der Canard den Vorteil, dass er den Stall-Anstellwinkel und damit den maximalen Auftrieb erhöht, da der Canard als Wirbelgenerator fungiert. Dies bedeutet schärfere Kurven bei hoher Geschwindigkeit und niedrigere Landegeschwindigkeit, weshalb diese Konfiguration bei Jägern (Eurofighter Typhoon, Dassault Rafale, Saab JAS-39 Grippen) beliebt ist, bei denen Manövrierfähigkeit wichtiger ist als Effizienz. Außerdem sind diese Designs nicht stabil (stattdessen durch Computer stabilisiert; ermöglicht eine schnellere Steuerreaktion), sodass der Canard nicht so viel Luftwiderstand erzeugt.

Die Sukhoi Su-47 verwendet Canard hauptsächlich aus Layoutgründen, da der nach vorne gepfeilte Flügel nicht viel Platz am Heck lässt, aber viel Platz an der Nase. Und es ist nicht klar, wie gut das Layout tatsächlich ist; es scheint nicht von anderen militärischen Entwürfen gefolgt zu sein. Grumman X-29 flog erstmals 1984, aber es wurde kein Folgedesign erstellt.

Der Rutan Voyager wirkt der Ineffizienz entgegen, indem er den Canard nicht mit einem hohen Anstellwinkel fliegt, was zu einer guten Effizienz, aber einer schlechten Nickstabilität führt. Es war für gute Testpiloten überschaubar, aber nicht für den durchschnittlichen Linienpiloten geeignet. Und beachten Sie, dass dies auch den Stall-Verhaltensvorteil von Canard eliminiert.