Wie berechnet man die erforderliche Verwindung eines Nurflüglers?

Die Verwindung ist eng an den Pfeilungswinkel des Flügels, die Profilwölbung, das Verjüngungsverhältnis und das gewünschte Maß an statischer Längsstabilität gekoppelt. Andere Faktoren sind die gewünschte Auftriebsverteilung in Spannweitenrichtung und die Manövrierbarkeit. Eine einfache, allgemeingültige Formel gibt es nicht: Am Ende ist die Verwindung, genauer gesagt die lokale Reflexwölbung, die Folge Ihrer Wahl der oben genannten Parameter.

Hintergrund

Statische Längsstabilität bedeutet, dass das Flugzeug nach einer Störung in den getrimmten Anstellwinkel zurückkehrt. Dies wird ermöglicht, indem im vorderen Teil des Flügels proportional mehr Auftrieb erzeugt wird als im hinteren Teil. Reflexprofile erledigen das von ganz alleine und ungepfeilte Nurflügel brauchen keine Auswaschung, sondern ein ordentliches Reflexprofil.

Die Horten-Nurflugflügel hatten stark verjüngte Flügel und verwendeten eine glockenförmige Auftriebsverteilung über die Spannweite, die an den Spitzen einen geringen Abtrieb erzeugte. Dies half sehr, das nachteilige Gieren zu reduzieren, und ermöglichte es ihnen, auf ein vertikales Heck zu verzichten. Auch dies machte die Stall-Eigenschaften gutartig. Diese Auftriebsverteilung wurde durch ausgedehntes Auswaschen ( bis zu 8° ) erreicht.

Wenn Sie durch Computersteuerung Stabilität hinzufügen, ist kein Auswaschen erforderlich, und Sie können eine elliptische Planform für beste Leistung verwenden. Dies hat jedoch ungünstige Strömungsabrisseigenschaften und benötigt Flügelzäune, wenn der Flügel gepfeilt wird. Ein moderater Sweep fügt Stabilität und Dämpfung hinzu, aber oberhalb einer kritischen Kombination aus Seitenverhältnis und Sweep-Winkel ist es schwierig, zufriedenstellende Stall-Eigenschaften zu erreichen.

Kritischer Schwenkwinkel für Pfeilflügel, aus Kapitel 16 von S. Hoerners Fluid Dynamic Lift . Zu viel Streckung und Sweep führen zu einem starken Pitch-up, wenn der Flügel ins Stocken gerät.

Durch Hinzufügen einer Sehne am äußeren Flügel können Sie die lokale Inzidenz um die Menge der hinzugefügten Sehne verdrehen. Dies senkt den lokalen Auftriebsbeiwert und erzeugt Reserven beim Strömungsabriss, was die Strömungsabrisseigenschaften erheblich verbessert. Karl Nickel hat ein Verfahren zur Berechnung der optimalen Grundrissform für eine gegebene statische Stabilität mit nahezu elliptischer Auftriebsverteilung über einen weiten Geschwindigkeitsbereich veröffentlicht. Der Schlüssel ist seine Einsicht, dass der Pilot durch Trimmen des Flügels für einen bestimmten Anstellwinkel die lokale Auswaschung anpasst, indem er die Hinterkante des Höhenruders nach oben bewegt. Idealerweise verwendet der Flügel mehrere Höhenruder mit zunehmendem Trimmausschlag zur Flügelspitze hin. (Durch "Trimmen"Damit meine ich nicht nur die Reduzierung der Stick-Kräfte, sondern auch die Anpassung des lokalen Auftriebs, um Nickmomente aufzuheben.)

Beachten Sie, dass die Planform nun eng an den statischen Rand und folglich an die Position des Schwerpunkts (cg) gekoppelt ist. Das Fliegen mit einem weiter vorne liegenden Schwerpunkt als ideal bedeutet mehr negative Höhenruderauslenkungswinkel und einen geringeren lokalen Auftrieb an den Spitzen als ideal und umgekehrt.

Der Nurflügler SB-13 verwendet diese Technik und hat ein Verjüngungsverhältnis (Verhältnis von Spitze zu Grundsehne) von 0,8. Es verwendet zwei Höhenruder über die äußeren 50% der Spannweite, von denen das innere 1/3 des Trimmausschlags des äußeren Höhenruders zurücklegt. Die Verwindung ist für die innere Hälfte des Flügels null und ändert sich von 0 ° auf -1,5 ° über den 0,15-m-Abschnitt, wo das Wurzelprofil (HQ 34 N) zum Spitzenprofil (HQ 36 K) wechselt, um deren Differenz auszugleichen Nullauftriebswinkel und steigt wieder linear zur Spitze hin auf +0,5° an (ich hoffe, ich habe dieses Detail richtig verstanden, weil ich das alles aus dem Gedächtnis getippt habe). Die negative Auswaschung wurde gewählt, um den Höhenrudern selbst eine Verdrehung von 4° zu ermöglichen, sodass der Flügel in Summe (Starrflügel und Höhenruder) zu den Spitzen hin zunehmende Verwindung aufweist. Im Flug haben die Höhenruder immer einen leicht negativen Ausschlag, wodurch die effektive Auswaschung noch stärker wird.

SB-13 im Flug ( Bildquelle )

Um Ihre Fragen direkt zu beantworten:

Wird (eine) Verdrehung benötigt?

Nicht unbedingt. Ein ungepfeilter Nurflügler profitiert nicht viel von Verwindung. Es hilft nur, etwas Stall-Marge an den Spitzen hinzuzufügen. Ein positiv gepfeilter Nurflügel kann auch ohne Drall davonkommen, wenn das Profil über die Spannweite von positiver Wölbung an der Wurzel zu negativer Wölbung an der Spitze geändert wird. Wenn das gleiche Profil über die gesamte Spannweite verwendet wird, ist eine Drall-/Reflexwölbung erforderlich und kann nicht vermieden werden, sobald der Schwerpunkt vor dem Neutralpunkt liegt: Sie entsteht durch das Trimmen des Flügels für den gewünschten Anstellwinkel.

Wie berechne ich es?

1. Wählen Sie Ihren gewünschten statischen Rand aus.
2. Wählen Sie Ihre gewünschte Auftriebsverteilung über die Spannweite. Eine elliptische Verteilung führt zu dem niedrigsten induzierten Widerstand, und eine glockenförmige Verteilung ergibt eine bessere Manövrierfähigkeit.
3. Wählen Sie die Planform aus, die zu der gewünschten Auftriebsverteilung führt, wenn Trimmänderungen über der Geschwindigkeit berücksichtigt werden. Verwenden Sie mehrere Höhenruder über Spannweite, um die lokale Inzidenz unabhängig einstellen zu können.
4. Twist ist dann eine notwendige Folge des Trimmens des Flugzeugs.

Die Flügeldrehung (Washout für Pfeilflügel) hilft bei Geschwindigkeit und Stallstabilität.

Stellen Sie sich ein normales Flugzeug vor, dh eines mit einem Heck (horizontaler Stabilisator) – in diesem Fall erzeugt der Flügel eine nach oben gerichtete Kraft, während das Heck eine nach unten gerichtete Kraft erzeugt. Hier erhöht sich beim Absenken der Nase die Geschwindigkeit, und der vom Hauptflügel erzeugte Auftrieb bewirkt, dass die Nase wieder aufsteigt. Das Gegenteil passiert, wenn die Nase nach oben geht – die Geschwindigkeit sinkt und wenn die Fluggeschwindigkeit abnimmt, sinkt die Nase (da der Auftrieb jetzt geringer ist). Da der Flügel im Vergleich zum Heck stärker einfällt, wird er zuerst abgewürgt, und der Stabilisator (der immer noch Auftrieb erzeugt) neigt die Nase nach unten und bringt sie aus dem Abriss.

Da bei schwanzlosen Flugzeugen kein Höhenleitwerk vorhanden ist, müssen diese Effekte in den Flügel selbst eingebaut werden. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, eine Auswaschung zu haben - mit einem gepfeilten Flügel, bei dem der Außenbordbereich einen geringeren Einfall hat als der Innenbordabschnitt (Wurzelabschnitt).

In diesem Fall erzeugt der vordere Teil des Flügels (in der Nähe der Wurzel im Pfeilflügel) mit zunehmender Geschwindigkeit mehr Auftrieb, wenn die Geschwindigkeit zunimmt, wodurch die Nase nach oben geneigt wird. Das Gegenteil passiert, wenn die Geschwindigkeit abnimmt - die Nase neigt sich nach unten, wenn der Auftrieb mit dem Fluggeschwindigkeitsverlust abnimmt.

Wenn sich das Flugzeug dem Strömungsabriss nähert, bleibt der Innenbordabschnitt (bei einem höheren Anstellwinkel) zuerst stehen, während der Außenbordabschnitt, der sich hinten befindet (aufgrund der Flügelpfeilung), dazu führt, dass die Nase nach unten neigt und das Flugzeug herauskommt von Stall. Der zusätzliche Vorteil ist, dass die Steuerflächen noch funktionsfähig sind.

Derselbe Effekt kann durch Verwendung eines Reflextragflügels und eines nicht gepfeilten Flügels erzielt werden, wobei der reflektierte Teil als Heck wirkt.

Es besteht keine Notwendigkeit, in einem Nurflügelflugzeug eine Verdrehung zu verwenden, WENN das gewählte Profil bereits reflektiert ist. Die Verwendung von Twist erzeugt eine sehr reduzierte optimale Geschwindigkeitshüllkurve und es wird auch eine sich wiederholende phugoide Längsbewegung (typischerweise in Intervallen von 7 Sekunden bei Fahrzeugen voller Größe) erzeugt, ähnlich wie bei Schweinswalen in Wasserfahrzeugen. Ein gutes Reflexprofil oder eine entsprechende Reihe von Profilen, die sich progressiv von der Wurzel zur Spitze ändern, werden eine bessere Leistung erbringen. Die Grundidee besteht darin, ein Profil/Profile zu haben, bei denen die Position des Cm bei Änderungen von AoI (oder AoA im Flug) nicht übermäßig verändert wird.