Warum sind moderne Flugzeugflügel oft spitz statt rechteckiger?

Rechteckige Flügel sind einfach zu bauen: Sie brauchen nur eine Rippengröße und können sie mehrmals wiederholen, indem Sie dieselbe Vorrichtung verwenden. Frühe Flugzeuge erforderten viel manuelle Montage durch angelernte Arbeiter, und es war sinnvoll, die Aufgabe zu vereinfachen.

SE5a Flügel im Bau ( Bildquelle )

Um jedoch den geringsten induzierten Widerstand zu erzeugen , sollte der Abwind hinter dem Flügel über die gesamte Spannweite den gleichen Winkel haben. Dies kann mit Washout erreicht werden, aber dann muss das Washout auf einen Anstellwinkel abgestimmt werden. Ändern Sie den Anstellwinkel und Ihre Auftriebsverteilung über die Spannweite erzeugt mehr Luftwiderstand als nötig. Um dieses Problem zu überwinden, wurden elliptische Flügelgrundrisse verwendet, aber sie sind kompliziert zu bauen und neigen zu Kippströmung . Dies ist der Fall, wenn die Flügelspitze während eines Strömungsabrisses zuerst den Auftrieb verliert und das Flugzeug heftig rollt. Geschieht dies in Bodennähe, ist ein Absturz vorprogrammiert.

Daher entschieden sich die Designer bald für etwas, das der elliptischen Grundrissform ähnelt, aber mehr Fläche an der Spitze lässt, so dass es weniger Belastung und mehr Stall-Marge hat. Besonders wenn dieser Flügel mit Blech bedeckt ist, ist es sinnvoll, nur eine Krümmungsrichtung zu haben, so dass trapezförmige Grundrisse bald die bevorzugte Art des Flügelbaus wurden, als Aluminium das primäre Strukturmaterial für Flugzeuge wurde.

Das Segelflugzeug SB-11 verwendet einen rechteckigen Innenflügel und einen trapezförmigen Außenflügel. So konnte die Form für den Innenkotflügel für die linke und rechte Seite verwendet werden, was den Bau erleichtert ( Bildquelle ).

Der Trapezflügel ist auch in anderer Hinsicht hilfreich: Cantilever-Konstruktionen haben hohe Biegemomente an der Flügelwurzel. Wenn die Wurzel mehr Sehne hat , kann der Holm dicker gemacht werden, und wenn die Fläche an den Spitzen kleiner ist, wird bei gleichem Auftrieb weniger Biegemoment erzeugt. Die Verstrebung von Doppeldeckern kümmert sich um das Wurzelbiegemoment, aber als Eindecker auftauchten, verlor der rechteckige Flügel die meisten seiner Vorteile.

Nun zu den abgerundeten Flügelspitzen: Sie sind ein Versuch, den Flügel näher an die ideale elliptische Planform zu bringen, ohne den Vorteil eines Flügels mit konstanter Sehne über den größten Teil der Spannweite zu verlieren. Bei einem Großteil des Flügelspitzendesigns geht es auch um Ästhetik, und manche Menschen haben quasi-religiöse Überzeugungen über die Vorteile einer bestimmten Flügelspitzenform. Bei Metallflügeln können Flügelspitzen hergestellt werden, indem die Aluminiumbleche für Ober- und Unterteil in Form gepresst und miteinander vernietet werden, da die aerodynamischen Belastungen an der Flügelspitze gering sind. Flügelspitzen und Verkleidungen gehörten auch zu den ersten Teilen an Flugzeugen, die aus Verbundwerkstoffen hergestellt wurden, was die dreidimensionale Formgebung erheblich erleichtert. Näher an der Wurzel braucht der Flügel viel mehr Kraft, und hier ist die trapezförmige Grundrissform auch heute noch der beste Kompromiss.

Die Flügel sind auf die Flügelspitzen gerichtet, da die meisten Flugzeuge, die heute fliegen, Pfeilflügel verwenden.

Der Pfeilflügel, bei dem der Flügel gepfeilt ist oder die Flügelsehne zur Flügelspitze hin abnimmt, soll den Wellenwiderstand verringern. Dies ist hauptsächlich bei Flugzeugen zu beobachten, die in Transsonik (zivile Verkehrsflugzeuge) und Überschall (Kampfflugzeuge) fliegen, während rechteckige Flügel in langsamen Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt verwendet werden.

Das Fegen des Flügels hat den Effekt, dass die normale Geschwindigkeit des Luftstroms, wie vom Flügel gesehen, um den Kosinus des Pfeilungswinkels verringert wird.

Quelle: history.nasa.gov

Dadurch erhöht sich die kritische Machzahl, oberhalb derer der Wellenwiderstand deutlich ansteigt.

Quelle: history.nasa.gov

Einige rechteckige Flügelspitzen sind aus dem gleichen Grund abgerundet – um den Luftwiderstand zu verringern, obwohl sie in diesem Fall dazu da sind, den induzierten Luftwiderstand zu verringern.

Quelle: Sportluftfahrt

Allerdings ist der Effekt marginal, sodass nicht wenige Flugzeuge darauf verzichten.

Quelle: Sportluftfahrt

Ein weiterer Grund dafür, dass die Flügel von Verkehrsflugzeugen zur Spitze hin „spitz“ werden, ist struktureller Natur. Der Flügel ist praktisch wie ein freitragender Balken, und die Verringerung des Querschnitts (der großen und langen Flügel) zur Spitze hin verringert die Biegemomente am Wurzelende.

Ein weiterer Grund für das „spitze“ Design bei modernen Flügeln ist der Einbau von „Winglets“. Anstatt in einem stumpfen Rechteck zu enden, erstreckt sich der Flügel zu einem nahen Punkt, der nach oben gebogen ist.

Winglets reduzieren im Wesentlichen den Luftwiderstand, indem sie dafür sorgen, dass die Luft gleichmäßig über den Flügel fließt, sogar in der Nähe der Spitze. Es kann die Kraftstoffeffizienz um etwa 5 % steigern, was ziemlich erstaunlich ist.

Sie können hier mehr darüber lesen: http://www.nytimes.com/2013/10/24/business/eye-catcher-wingtips-but-they-arent-for-show.html

Dies gepaart mit der allgemeinen Verwendung von Pfeilflügeln führt zu einem "spitzeren" Flügeldesign, auf das Sie sich möglicherweise beziehen.