Warum werden Deltaflügel in Verkehrsflugzeugen nicht häufig verwendet?

Auf airliners.net gibt es einen Thread zum gleichen Thema.

Einer der herausragendsten und nützlichsten Aspekte des Deltaflügels ist die Tatsache, dass er die kritische Machzahl eines Flugzeugs erhöht (die Geschwindigkeit, mit der etwas Luft über einen Teil eines Flugzeugs - normalerweise den Flügel - strömt und Mach 1,0 erreicht).

Durch die Erhöhung der kritischen Machzahl wird der Überschallflug auf Deltaflügeln viel praktikabler als auf herkömmlichen Flügeln.

Delta Wings sind besonders glücklich auch bei einem hohen AoA (Angle of Attack). Dies liegt an dem vom Flügel erzeugten Reaktionsauftrieb und dem an der Vorderkante des Flügels erzeugten Wirbel. Daher haben Flugzeuge mit Deltaflügeln eine viel höhere Toleranz gegenüber Strömungsabriss. Dies erleichtert das sichere Erreichen einer höheren vertikalen Geschwindigkeit, die auch als "Steiggeschwindigkeit" bezeichnet wird.

Aber auf der anderen Seite:

Einer der Nachteile von Deltas ist, dass sie aufgrund der größeren Oberfläche mehr Luftwiderstand erzeugen, aber sie haben ein größeres Innenvolumen (z. B. für Kraftstoff), was zu einem kleineren Rumpf oder mehr Platz im Rumpf führen könnte andere Dinge. Ein weiterer Nachteil sind höhere Lande- und Startgeschwindigkeiten.

Der letzte Punkt ist besonders wichtig. Die bereits geringe Anzahl nutzbarer Flughäfen der Concorde wurde reduziert, da die Landebahnen lang genug sein mussten, um die Landegeschwindigkeiten von 160 KIAS aufzunehmen (zum Vergleich landen typische Flugzeuge auf Turbofan-Basis bei 130-140 KIAS).

Aufgrund der höheren Start-/Landegeschwindigkeiten sind die Kosten für die Wartung wichtiger Komponenten wie Bremsen und Reifen höher. Darüber hinaus können die hohen Landegeschwindigkeiten sogar zu einer höheren Belastung der Flugzeugzelle führen. Indirekte Deltaflügel tragen also zu höheren Wartungskosten bei.

Andere Nachteile von Deltaflügeln, die mir einfallen, sind das Fehlen eines Klappen- / Vorflügelsystems. Delta-Flügel benötigen keine Klappen, da sie ihre Fluggeschwindigkeit einfach durch Erhöhen der AoA verringern können, aber das Fehlen von Klappen verringert ihre Unterschalleffizienz und erhöht die Startentfernung und -geschwindigkeit. Zum Beispiel erzeugten die Delta-Flügel der Concorde während des Starts vor der Rotation nur sehr wenig Auftrieb, was hohe Startgeschwindigkeiten von fast 220 Knoten erforderte !

Als Antwort auf Ihre zweite Frage konnte ich nichts über Vorschriften in Bezug auf die Verwendung von Deltaflügeln in Verkehrsflugzeugen finden.

Alles in allem eignen sich Deltaflügel gut für Nischenzwecke wie Überschallflugzeuge, aber ihre Nachteile und ihre schlechte Betriebsökonomie machen sie für Unterschallflüge unpraktisch.

Wie Sie hier sehen können, versuchte der jetzt verschrottete Boeing Sonic Cruiser jedoch, das Beste aus beiden Welten zu machen, indem er einen konventionellen Flügel mit einem Delta-Flügel kombinierte, um ein breites, „gekröpftes Delta“-Flügeldesign zu bilden.

Im Allgemeinen ist es am besten, so wenig Sweep wie möglich zu haben, um einen hohen Auftrieb bei geringem Luftwiderstand zu erzielen. Außerdem ergibt eine Unterschall-Vorderkante unabhängig von der Fluggeschwindigkeit das beste Auftriebs-/Widerstandsverhältnis. Wenn die Pfeilung der Vorderkante bei Überschallströmung höher ist als der Winkel des Mach-Kegels, ist die Strömung um die Vorderkante immer noch wie bei Unterschallströmung, und dies erzeugt einen Sog, wodurch der Druckwiderstand verringert wird. Wenn die Reisegeschwindigkeit Mach 2 beträgt, muss der Sweep größer als 60 Grad sein, und mit diesem Sweep würde der Auftrieb bei langsamer Geschwindigkeit leiden. Der Auftrieb sinkt mit dem Kosinus des Sweep-Winkels bei gleichem Anstellwinkel.
Außerdem erzeugt der große Pfeilungswinkel bei einem hohen Anstellwinkel einen Wirbel auf der oberen Oberfläche, der den Druck reduziert (= den Auftrieb erhöht) und eine Strömungsablösung verhindert (= einen größeren Anstellwinkel ermöglicht). Mehr Sehne an Bord zu haben, hilft, diesen Auftrieb besser zu nutzen, und gibt Ihnen mehr Platz für den Flügelholm und den Kraftstoff, selbst bei der geringen relativen Dicke, die die Überschallströmung erfordert.

Ein Unterschall-Verkehrsflugzeugflügel benötigt nur mäßigen Sweep, um Mach-Effekte selbst bei relativ dicken Tragflächen zu reduzieren (14 % t/c gegenüber 4 % bis 6 % bei Überschall-Tragflächen), wodurch Sie viel Innenvolumen für Kraftstoff, den Flügelholm und die Höhe erhalten - Hebevorrichtungen. Der Wechsel zu einem Delta-Flügel würde bei der Böenempfindlichkeit im Tiefflug helfen (deshalb sehen Sie überhaupt Delta-Flügel in Unterschallflugzeugen), aber es würde die Oberfläche und folglich den Reibungswiderstand vergrößern.

FAR Part 25 wäre die relevante Vorschrift und überlässt es (glücklicherweise) dem Antragsteller, wie die Konformität erreicht wird. Der Grund, warum Sie bei Unterschallflugzeugen keinen Deltaflügel sehen, ist rein technischer Natur.

Alles in allem ist der mäßig zurückgepfeilte Auslegerflügel mit Hochauftriebsvorrichtungen der beste Weg, um Mach 0,8 zu fliegen, und der Deltaflügel ist der beste für Flüge mit Mach 2.

Der primäre Designtreiber eines Verkehrsflugzeugflügels ist die Effizienz , und an zweiter Stelle steht die Geschwindigkeit. Während Deltaflügel bei hohen Geschwindigkeiten gut sind, sind sie nicht sehr effizient. Auch wenn ein Verkehrsflugzeug sicherlich manövrierfähig sein sollte, müssen sie keine "Fassrolle" machen oder 9G-Wenden machen, um einen Kampfjet zu beleuchten.

Es wurde erwähnt, dass Deltaflügel eine große Oberfläche haben. Dies trägt dazu bei, das Gewicht des Flugzeugs besser zu verteilen, was zu einer geringeren Flächenbelastung führt . Dies ist ein Faktor für die höhere Manövrierfähigkeit des Deltaflügels. Vergleichen Sie die Flächenbelastung der F-15 bei 73,1 lb/ft ² mit der Flächenbelastung einer 737-800 bei 98,7 lb/ft ² . Der Deltaflügel ermöglicht der F-15 eine geringere Flächenbelastung und damit eine viel größere Manövrierfähigkeit. Das Design hält diese große Flügelfläche auch auf einer niedrigen Spannweite, was bedeutet, dass Manöver mit hohem G weniger Belastung für den Flügel verursachen. Verkehrsflugzeuge haben mit ihrer aktuellen Konfiguration viel Manövrierfähigkeit.

Diese große Fläche und Hochgeschwindigkeitsleistung gehen zu Lasten der Effizienz. Das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand (L/D) einer F-15 liegt bei etwa 10, während kommerzielle Jets über 16 liegen (siehe diese Tabelle für einige Beispiele). Dies zeigt den enormen Vorteil, den ein Nicht-Delta-Flügel bei Unterschallgeschwindigkeit hat. Moderne Aerodynamik hat es Verkehrsflugzeugen ermöglicht, hohe Unterschallgeschwindigkeiten (Mach 0,8-0,9) zu erreichen und dabei sehr effizient zu bleiben. Während Kampfjets die Luftbetankung verwenden, um den Kraftstoffverbrauch auszugleichen, wäre dies für ein Verkehrsflugzeug etwas unrealistisch.

Die Leistung bei niedriger Geschwindigkeit ist ebenfalls ein Faktor. Beide Flügel können Klappen und Vorflügel verwenden, aber die Landegeschwindigkeiten für Kampfflugzeuge sind im Allgemeinen höher als für Verkehrsflugzeuge. Da Deltaflügel besser für Hochgeschwindigkeitsflüge geeignet sind, sind sie bei niedrigen Geschwindigkeiten weniger effektiv.

Bei der Wartung gibt es weniger Unterschiede. Da die Spannweite geringer wäre, würde dies die Flügel weniger belasten. Die Reduzierung der Last könnte in einen Wartungsvorteil umgewandelt werden, aber es gibt noch viele weitere Faktoren bei der Bestimmung der Wartungskosten.