Warum werden Startklappen nicht bis zur Reiseflughöhe verwendet?

Das Bild unten aus dieser Antwort zeigt Eigenschaften von Tragflächen mit Klappen.

Wie Sie zu Recht geschlossen haben, heben Sie ($C_{L_{max}}$) steigt mit dem Einsatz der Klappen, aber der Widerstand steigt auch und sogar schneller als der Auftrieb. Eine Erhöhung des Auftriebs ist gut, aber wenn dies auf Kosten eines höheren Luftwiderstands geht, ist mehr Schub (und damit Kraftstoff) erforderlich, um diesen höheren Auftrieb aufrechtzuerhalten.

Daher ist der Wert, den wir maximieren sollten, das Verhältnis von Auftrieb und Widerstand. Das Verhältnis der beiden$\frac{L}{D}_{@C_{L_{max}}}$ist auch unten gezeigt und zeigt, dass das grundlegende Tragflügelprofil besser abschneidet als die mit Klappen.

Dies ist eine gute Frage, und ich glaube nicht, dass die anderen Antworten den wesentlichen Teil erreichen, nämlich:

Ist es optimal, mit ausgefahrenen Landeklappen zu steigen?

Wie bei jeder optimalen Frage hängt die Antwort davon ab, was wir optimieren möchten. Es lohnt sich, zwei Zielzustände zu untersuchen:

1. So schnell und effizient wie möglich auf die Höhe steigen. Zum Beispiel:
   • Die Winde in der Höhe sind so gut, dass der Pilot die Zeit, die er im Tiefflug verbringt, minimieren möchte
   • Der Pilot möchte Höhe für Kunstflug
   • der Pilot möchte Höhentests durchführen
2. Von Punkt A nach Punkt B zu gelangen und dabei die besten Sicherheitspraktiken anzuwenden und gleichzeitig Zeit und/oder Kraftstoffkosten angemessen zu minimieren.

Warum überhaupt die Klappen verwenden?

Im Allgemeinen gilt es als Best Practice, vom Boden abzuheben und alle Hindernisse zu überwinden, während man in der Nähe des Flughafens bleibt, auch wenn es bedeutet, etwas mehr Benzin zu verbrauchen. Abhängig von einer Reihe von Designentscheidungen kann der Steigwinkel mit Klappen erheblich verbessert werden, was bedeutet, dass die Hindernisfreiheit besser ist und das Flugzeug im Falle eines Startnotfalls viel mehr Landebahn vor sich hat oder nicht so weit ist vom Flughafen.

Die Vorteile des Starts mit Klappen nach unten:

• Die Räder verlassen den Boden mit einer geringeren Fluggeschwindigkeit, wodurch der Rollwiderstand eliminiert wird. (Es ist überraschend, wie viel Luftwiderstand von diesen Reifen ausgeht, insbesondere auf Gras und weichen Feldern.)
• Steigwinkel ist besser
  • Aus dem DA40-Handbuch , S. 5-14 und 5-16 beträgt die STP-Steigrate mit Klappen 9,7 Grad (1160 fpm bei 67 Knoten) und ohne 7,8 Grad (1050 fpm bei 76 Knoten).
• Steigrate könnte besser sein

Was sind also die Nachteile?

Erhöhter Luftwiderstand bei höheren Fluggeschwindigkeiten

Wie @ROIMaison in dieser Antwort zeigt , liegt das L / D-Verhältnis bei einem Clark Y-Tragflächenprofil mit ausgefahrenen Klappen nicht einmal annähernd in der Nähe des normalen Tragflächenprofils. Bei höheren Fluggeschwindigkeiten macht sich dieser Wirkungsgradverlust deutlich bemerkbar.

Natürlich hat die DA40 ein viel fortschrittlicheres Profil und daher könnte die Streuung viel enger beieinander liegen. Die Profile von Diamond stammen von Segelflugzeugen, und Segelflugzeuge verwenden Klappen im Niedriggeschwindigkeitsflug, um schneller zu drehen. Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, sind Segelflugzeuge auf Effizienz optimiert, daher liegt es nahe, dass das L/D-Verhältnis mit Klappen für das Tragflächenprofil der DA40 möglicherweise viel besser ist als das der ehrwürdigen Clark Y.

Für den Fall, dass der Zusammenhang zwischen Luftwiderstand und Steigrate nicht sofort ersichtlich ist, gilt: Je höher der Luftwiderstand ist, desto weniger überschüssige Energie steht zur Verfügung, um die potenzielle Energie des Flugzeugs zu erhöhen, dh zu steigen.

Motorkühlung

Die Triebwerksverkleidung ist so ausgelegt, dass sie bei relativ hohen Fluggeschwindigkeiten eine angemessene Kühlung bietet. Es gibt eine gewisse thermische Trägheit, die den Motor etwa eine Minute lang schützt, aber danach beginnen die Temperaturen, kritische Punkte zu erreichen. Es ist wichtig, mit der Nase nach vorne zu fliegen und die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen, um die Kühlung zu verbessern.

Propellerineffizienz bei langsameren Geschwindigkeiten[*]

Bei einem Cruise Prop mit fester Steigung leidet die Effizienz bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten ziemlich erheblich. Durch das Beschleunigen gewinnen Sie zusätzliche Propeller- und Motorleistung.

[*] Beachten Sie, dass dies nicht für Requisiten mit konstanter Geschwindigkeit gilt.

Abschluss

In Anbetracht des oben Gesagten können wir sehen, dass die besten Praktiken, schnell vom Boden aufzustehen, mit viel Platz auf der Landebahn und mit verbesserter Hindernisfreiheit eine gute Sache (TM) sind. Diese Ziele werden von 500 weitgehend erreicht, daher ist dies eine Gelegenheit, unseren optimalen Prozess neu zu bewerten . Wollen wir noch klettern oder wollen wir auch irgendwo hin?

Leider habe ich kein grundsätzliches Gefühl dafür, ob es generell optimal ist, mit ausgefahrenen Landeklappen weiter zu steigen. Es kann sogar vom jeweiligen Flugzeugmodell abhängen, ob die absolute Steigrate mit ein- oder ausgeschalteten Klappen besser ist. Wenn die Steigrate bei ausgefahrenen Klappen schlechter ist, dann ist die Antwort eindeutig, sie so schnell wie möglich hochzubringen.

Unter der Annahme, dass die Steigrate mit ausgefahrenen Klappen besser ist , wird die Situation nicht wirklich klar. Wenn die Winde in der Höhe günstig sind, ist es wichtig, schnell auf Höhe zu kommen. Aber wertvoller als eine ordentliche Motorkühlung? Hmmm...

Weil es nicht effizient wäre. Klappen erhöhen den Luftwiderstand (und den Auftrieb), sodass Sie mit ausgefahrenen Klappen mehr Kraftstoff verbrennen würden, wenn Sie auf Reiseflughöhe steigen, als wenn Sie sie einfahren.

Die meisten Menschen fliegen, um irgendwohin zu gelangen, daher wird der Cruise Climb verwendet, da er mehr Boden abdeckt, während er in die Höhe gelangt.

Hier ist die DA40-Fluggeschwindigkeitstabelle, die Sie gerne in Ihre Frage aufgenommen hätten. Je nach Gewicht ist die Steiggeschwindigkeit im Reiseflug 6-9 kt höher als die Steiggeschwindigkeit beim Start. Wenn Ihr Ziel nur darin bestand, an Höhe zu gewinnen, wie für die lokale Beobachtung, könnten Sie Startklappen verwenden, wenn Sie wollten. Bei manchen Flugzeugen muss man die Motortemperatur im Auge behalten, wenn man langsam mit hoher Leistung fliegt.

Eine bessere Veranschaulichung ist bei Transportflugzeugen, wo der Geschwindigkeitsunterschied viel höher ist. Hier ist die Startsequenz von BaE146 . Es gibt Geschwindigkeitsbeschränkungen für ausgefahrene Klappen, daher ist ein Zurückziehen strukturell erforderlich, wenn die Geschwindigkeit zunimmt. Unter einer 135-kt-Grenze für den Start zu bleiben, verschwendet viel Zeit, wenn 220 kt Reisesteigflug verfügbar sind und 250 kt das Ziel sind.

Klappen geben Ihnen mehr Auftrieb, aber auch mehr Luftwiderstand. Der Widerstand bedeutet, dass Ihre horizontale Geschwindigkeit geringer ist.

Die üblichen Flugphasen, in denen niedrige Geschwindigkeit von Vorteil ist, sind:

1. Beim Abheben von einer Landebahn. Sie möchten nicht die Landebahn verlassen und den Radwiderstand so schnell wie möglich beenden.

2. Beim Versuch, Hindernisse zu überwinden. Sie wollen möglichst viel Zeit, um an Höhe zu gewinnen, bevor Sie sie erreichen.

3. In niedrigen Höhen. Sie möchten sich nicht zu weit vom Flughafen entfernen, wenn Ihre Gleitreichweite gering ist.

4. Kurz vor der Landung. Sie müssen an Höhe verlieren, aber auch Ihre Geschwindigkeit niedrig halten.

5. Bei der Landung. Sie wollen so langsam wie möglich werden, bevor Sie den Boden berühren.

Klappen machen den Kompromiss zwischen Auftrieb und Luftwiderstand für Sie schlechter. Das ist nur sinnvoll, wenn der Luftwiderstand gut ist oder der zusätzliche Auftrieb unbedingt erforderlich ist.

Sobald der Luftwiderstand eher zu einem Verlust als zu einem Vorteil wird und Sie genug Auftrieb ohne Klappen haben, hört die Logik der Klappen auf zu gelten. Sie möchten die effizienteste Flügelkonfiguration mit so wenig Widerstand wie möglich für den erzeugten Auftrieb. Das ist die Konfiguration, für die Ihr Flügel gebaut wurde.

Klappen bieten zusätzlichen Auftrieb bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten, jedoch auf Kosten eines enormen Luftwiderstands.

Irgendwann stoppt der Luftwiderstand die Beschleunigung des Flugzeugs und es kann nicht mehr schneller steigen.

Beachten Sie, dass die Fluggesellschaften einen möglichst schnellen Transport von Gate A (XYZ) zu Gate B (HKL) wünschen. Flughäfen wollen möglichst kurze Start- und Landebahnen. Die Regierung will so kleine lärmbelastete Bereiche wie möglich.

Eine kurze Start- und Landebahn schränkt die Start-/Landegeschwindigkeit erheblich ein, sodass die Flügelanordnung selbst auf Kosten des Luftwiderstands bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten Auftrieb bieten muss.

Die Regierung fordert ein möglichst schnelles Steigen und ab einigen Höhen verteilt sich der Lärm so weit, dass die endgültige Steigrate nicht zwingend ist und die Fluggesellschaften den wichtigsten Parameter – die Kosten – optimieren können.

Hier ist der Luftwiderstand der Gegner, also werden die Landeklappen eingefahren. Das Flugzeug kann schneller fliegen, wenn weniger Schub benötigt wird, und die Schubreserven können auch für den Steigflug mit der Nase nach oben verwendet werden.