Was sind die Vorteile eines Schwenkflügels?

Der Schwenkflügel, auch Schrägflügel genannt, ist eine Art Flügelkonstruktion, die versucht, den Luftwiderstand über den gesamten Geschwindigkeitsbereich des Flugzeugs zu minimieren.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist das Hauptproblem der induzierte Luftwiderstand, der durch Erhöhen des Seitenverhältnisses verringert werden kann. Aus diesem Grund haben langsame Flugzeuge wie Segelflugzeuge sehr lange, schlanke Flügel.

Mit zunehmender Geschwindigkeit fällt der induzierte Widerstand schnell ab und der Wellenwiderstand dominiert bei Überschallgeschwindigkeit. Dies ist der Grund, warum Überschallflugzeuge stark gepfeilte Flügel mit sehr kleinen Seitenverhältnissen haben.

Eine Möglichkeit, den Luftwiderstand bei hohen Geschwindigkeiten zu verringern, besteht darin, den Flügel zu schwenken. Die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Flügel wird reduziert, wodurch der Luftwiderstand verringert wird.

Der Deltaflügel ist ein stark gepfeilter Flügel, der in Überschallkampfflugzeugen verwendet wird. Ein gutes Beispiel ist der Eurofighter Typhoon , ein schwanzloses Delta. Der Delta-Flügel bietet eine hervorragende Überschallleistung und einen hohen Strömungsabrisswinkel. Der Flügel 'blutet' jedoch in Kurven schnell Energie und erfordert hohe Start- und Landewinkel.

" Eurofighter Typhoon Strichzeichnung " von Inductiveload - Eigene Arbeit. Lizenziert unter Public Domain via Commons .

Der Trapezflügel ist eine Version des Hochgeschwindigkeitsflügels mit kleiner Streckung. Das berühmteste Beispiel für die Verwendung von Trapezflügeln war der Lockheed F-104 Starfighter , der eine hervorragende Hochgeschwindigkeitsleistung hatte. Das Flugzeug hatte jedoch hohe Start- und Landegeschwindigkeiten und eine vergleichsweise geringere Leistung bei niedriger Geschwindigkeit.

" Lockheed F-104C Starfighter " von Kaboldy - Eigenes Werk. Lizensiert unter GFDL via Commons .

Fast alle verwendeten Pfeilflügel sind nach hinten gepfeilt. Ein Nachteil dieser Art von Flügel ist, dass der Luftstrom von der Wurzel zur Spitze geht und folglich die (äußeren) Querruder vor dem inneren Teil des Flügels stehen bleiben, was zu einem Verlust der Rollkontrolle bei hohen Anstellwinkeln führt. Dies kann verhindert werden, indem der Flügel nach vorne geschwenkt wird. Durch die aeroelastische Verwindung wird jedoch die Biegespannung in der Flügelwurzel erhöht.

Quelle: Nasa

Das Problem bei festen Schwenkflügeln besteht darin, dass das, was in einem Regime effizient ist, in dem anderen nicht so ist. Eine Möglichkeit, den Luftwiderstand bei allen Geschwindigkeiten zu verringern, besteht darin, die Pfeilung und das Seitenverhältnis des Flügels zu ändern.

Die variablen Sweep-Flügel ändern das Seitenverhältnis, indem sie einen Teil des Flügels drehen.

„ Three F-111s with different Wing Configurations “ von Jason B aus Australien – 3 Configs. Lizensiert unter CC BY 2.0 über Commons .

Der Schwenkflügel ist eine extreme Version des Pfeilflügels, bei dem der gesamte Flügel gedreht wird. Bisher wurde es nur in einem Flugzeug, der NASA SD-1 , implementiert .

„ AD-1 ObliqueWing 60deg 19800701 “ von der NASA – http://www1.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/AD-1/HTML/ECN-15846.html . Lizenziert unter Public Domain via Commons .

Der aerodynamische Hauptvorteil des schrägen Flügels besteht darin, dass das Flugzeug durch progressives Anpassen der Pfeilung für eine Verringerung des Luftwiderstands über einen weiten Bereich von Machzahlen optimiert werden kann. Außerdem wurde der AD-1 mit elliptischen Flügeln konstruiert, um den induzierten Luftwiderstand zu minimieren.

Auf der anderen Seite wird jedoch, wenn der gesamte Flügel gedreht wird, eine Seite des Flügels nach vorne gekehrt, während die andere Seite nach hinten gekehrt wird. Dies bedeutet, dass ihre Abwürgeeigenschaften völlig unterschiedlich sind. Auf der einen Seite (vorwärts gepfeilte Seite) kommt der innere Bereich zuerst zum Stehen, während es auf der anderen Seite umgekehrt ist. Dies erschwert die Steuerung des Flugzeugs. Das Northrop Grumman Switchblade , ein Folgeprojekt von AD-1, wurde wegen Steuerungsschwierigkeiten abgebrochen.

Das Flugzeug zeigte auch aeroelastische und Pitch-Roll-Kopplungseffekte, die die Handhabungsqualitäten des Flugzeugs bei über 45 Grad Sweep nachteilig beeinflussten. Außerdem wies das Flugzeug ungewöhnliche Trimmanforderungen und Trägheitskopplung auf. Zum Beispiel wurde berichtet, dass die AD-1 etwa 10° Querneigung benötigte, um das Flugzeug ohne Seitenschlupf bei 60° Flügelpfeilung zu trimmen.

Obwohl das Schwenkflügelflugzeug hervorragende aerodynamische Eigenschaften hatte, verhinderten seine schlechten und ungewöhnlichen Steuereigenschaften eine weitere Entwicklung.

Der Schwenkflügel und der variable Pfeilflügel haben beide die gleichen Vorteile gegenüber jeder nicht variablen Flügelkonstruktion , nämlich die Fähigkeit, den Pfeilwinkel und das Seitenverhältnis des Flügels und die relative Dicke des Strömungsprofils einzustellen. All dies trägt dazu bei, den Flügel für unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten zu optimieren. Beim Fliegen mit niedrigen Geschwindigkeiten hält ein hohes Seitenverhältnis den induzierten Luftwiderstand niedrig, der den größten Teil des Luftwiderstands ausmacht. Darüber hinaus verleiht die größere relative Dicke dem Flugzeug die Fähigkeit, mit relativ niedrigen Anstellwinkeln zu fliegen, was beim Landen oder Abheben hilft und den Luftwiderstand niedrig hält. Bei höheren Geschwindigkeiten, insbesondere bei Annäherung an Mach 1, nimmt der Wellenwiderstand den größten Teil des Luftwiderstands ein. Um den Wellenwiderstand zu reduzieren, sind dünne Flügel mit einem niedrigen Seitenverhältnis erforderlich.

Die Streckung ist das Verhältnis zwischen der Spannweite des Flugzeugs und der Flügelfläche. Die Flügelspannweite ändert sich mit dem Pfeilungswinkel bei einem variablen Pfeilungs- oder Schwenkflügel, während die Flügelfläche gleich bleibt. Dies verursacht das niedrigere Streckungsverhältnis des gepfeilten Flügels.

Die relative Dicke ist das Verhältnis zwischen der Dicke des Strömungsprofils und der Sehnenlinie.

Um die Sehnenlinie zu erhalten, messen Sie von der Vorder- zur Hinterkante des Flügels. Wenn Sie dies in einer gepfeilten Flügelkonfiguration tun, werden Sie feststellen, dass die Sehnenlinie länger ist als bei einem geraden Flügel. Daher ist das Dickenverhältnis geringer, wenn der Flügel gepfeilt ist.

Trapezförmige Flügel wie die des F-104 Starfighter hatten sehr schlechte Eigenschaften bei niedriger Geschwindigkeit und konnten keinen Treibstoff aufnehmen, weil sie so dünn waren. Um genügend Auftrieb zu erreichen, waren hohe Anstellwinkel sowie eine hohe Lande- und Startgeschwindigkeit erforderlich. Bei hohen Geschwindigkeiten hatten diese Flügel jedoch einen sehr geringen Luftwiderstand, was es dem Starfighter ermöglichte, Mach 2 zu fliegen, obwohl sein Motor im Vergleich zu modernen relativ schwach war.

Der Deltaflügelerreicht den geringen Überschallwiderstand durch die Wahl eines höheren Schwenkwinkels. Es ist einfach zu bauen und Kraftstofftanks können im Flügel platziert werden. Der Deltaflügel hat einen sehr hohen Stallwinkel, so dass hohe Auftriebsbeiwerte für langsamen Flug oder für enge Kurven möglich sind. Dies liegt daran, dass Wirbel entlang der Flügelvorderkante bei großen Anstellwinkeln zusätzlichen Auftrieb erzeugen. Das geht allerdings mit einem extrem hohen Luftwiderstand einher. Je nach Pfeilwinkel kann gewählt werden, für welche Geschwindigkeit der Flügel optimiert ist. Heutige Jäger bedienen sich allerlei Tricks, um den Flügel an die gewünschte Fluggeschwindigkeit anzupassen. Ein Beispiel ist die Verwendung von Strakes. Strakes sind im Grunde genommen Flügel mit einem höheren Pfeilungswinkel als der Rest des Flügels, der vor dem eigentlichen Flügel platziert wird, um die vorteilhaften Wirbel zu erzeugen, ohne Kompromisse mit einem niedrigen Seitenverhältnis eingehen zu müssen.

Der Hauptvorteil eines Schwenkflügels im Vergleich zu einem Pfeilflügel , den ich mir vorstellen kann, ist der geringere Trimmwiderstand des Schwenkflügels, wenn die Flügel gepfeilt sind. Während sich das Nickmoment bei variablen Sweep-Wing-Designs mit dem Sweep-Winkel ändert, bleibt es bei Pivot-Wing-Designs gleich.

Bei einem typischen variablen Sweep-Wing-Design bewegt sich das aerodynamische Zentrum nach hinten , wenn die Flügel nach hinten gepfeilt werden. Dies liegt daran, dass sich der größte Teil der Flügeloberfläche nach hinten bewegt, wenn der Schwenkwinkel des Flügels zunimmt. Das aerodynamische Zentrum ist der Punkt, an dem alle aerodynamischen Kräfte des Flugzeugs wirken. Wenn sich also das aerodynamische Zentrum des Flügels nach hinten bewegt, wird der Abstand zwischen dem Schwerpunkt und dem aerodynamischen Zentrum größer (für stabile Flugzeugkonstruktionen). Fliegender Überschall verschiebt das aerodynamische Zentrum noch mehr in Richtung Heck.

Das auf das Flugzeug wirkende Drehmoment um die Nickachse (Nickmoment) lässt sich berechnen, indem man die Gesamtkraft auf der Hochachse (im Wesentlichen Auftrieb) mit dem Abstand zwischen dem aerodynamischen Zentrum und dem Schwerpunkt multipliziert.

Um das größere Nickmoment zu kompensieren , muss eine positivere Trimmung angewendet werden, wenn die Flügel nach hinten gekehrt werden, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten oder sogar nach oben zu neigen. Mehr Trimm führt zu mehr Luftwiderstand .

Der Unterschied im Nickmoment ist der Grund, warum viele frühe Konstruktionen variabler Kehrflügel Längsstabilitätsprobleme hatten.

Um den Unterschied im Nickmoment auszugleichen, führte beispielsweise die F-14 in ihren späteren Versionen kleine einziehbare Auftriebsflächen vor den Flügeln ein. Diese würden sich ausdehnen, wenn die Flügel gekehrt würden, um das aerodynamische Zentrum nach vorne zu bewegen, wodurch der Trimmwiderstand verringert würde.

Bei einem Schwenkflügeldesign bleibt das aerodynamische Zentrum unabhängig vom Schwenkwinkel der Flügel genau gleich .

Beim Schwenken bewegt sich das aerodynamische Zentrum eines Flügels um eine bestimmte Strecke nach hinten, und das aerodynamische Zentrum des anderen Flügels bewegt sich um die gleiche Strecke nach vorne. Dadurch bewegt sich das aerodynamische Zentrum des gesamten Flügels beim Schwenken des Flügels nicht und das Nickmoment bleibt gleich .

An einem Drehflügel ist keine zusätzliche Trimmung zur Änderung des Pfeilungswinkels und somit kein zusätzlicher Trimmwiderstand erforderlich . Ein Schwenkflügel weist jedoch zahlreiche andere große aerodynamische Probleme auf, wie in anderen Antworten dargestellt, und ist daher für Flugzeuge im Betriebsdienst nicht wirklich praktikabel.

Ich denke, der Hauptunterschied zwischen einem Pfeilflügel und einem geraden Flügel besteht darin, dass der gerade Flügel eine geringere Landegeschwindigkeit hat, während der Pfeilflügel ohne Kompressibilitätsprobleme näher an der Schallgeschwindigkeit fliegen kann. Ein Schwenkflügel bietet also den Vorteil von beidem, der Nachteil ist das zusätzliche Gewicht des Schwenkmechanismus.

Peter Garrison erklärt hier die Vorteile eines Pfeilflügels: http://www.flyingmag.com/why-are-wings-swept