Wie haben es Ingenieure geschafft, die Flügelseitenverhältnisse von Verkehrsflugzeugen im Laufe der Zeit zu erhöhen?

Was höhere Seitenverhältnisse möglich macht, hier keine Magie:

1. Luft- und Raumfahrtmaterialien haben sich im Laufe der Zeit in Qualität und Festigkeit verbessert.

Carbon bekommt viel Hype, teils verdient und teils nicht. Es ist nur eines der Materialien.

Die Streckgrenze von Aluminiumlegierungen reicht von 55 MPa für den weichen Brei, aus dem Laptops und Telefone hergestellt werden, bis zu 650 MPa für strukturelle Luft- und Raumfahrtteile. Dies sind beides derzeit gebräuchliche Legierungen. Stahl hat eine weitere breitere Palette.

Die Festigkeitsbereiche von Verbundwerkstoffen sind sogar noch breiter, von <100 bis 3500 MPa, je nach Faser, Richtung, Gewebe, Harz, Füllstoff, Faserverhältnis und Aushärtungsmethode.

Es ist nie nur „Aluminium“ oder „Titan“ oder „Composite“. Jedes ist eine sehr breite Kategorie. Insgesamt haben sich Materialien, einschließlich Legierungen, stetig verbessert; Verbundwerkstoffe sind im letzten Schritt am prominentesten. Lange vor Carbon haben Faser-Metall-Laminate Gewicht von der Haut genommen.

2. Bessere Designpräzision.

Heutige Flugzeuge werden mit CAD und FEA – Finite-Elemente-Analyse – konstruiert. Dies ermöglicht es, die Struktur des Flügels in seiner Gesamtheit bis hin zu kleinen Teilen zu modellieren und die Belastungen in jedem einzelnen Teil zu lernen. Dann können die weniger belasteten Teile leichter gemacht werden und die Teile, die wahrscheinliche Schwachstellen darstellen, können verstärkt werden.

Auch die Herstellungsverfahren wurden verbessert, was dünnere Schichten, Kleben, präziseres Fräsen und Trimmen ermöglicht. Insgesamt mussten ältere Flugzeuge viel Metall transportieren, das nicht so stark beansprucht wurde, wie es hätte sein können, weil es nicht genau genug berechnet oder nicht wirtschaftlich zu entfernen war.

Heutzutage ist es üblich, dass Flugzeugzellen während des zerstörenden Tests nur wenige Prozent ihrer berechneten Auslegungslast erreichen.

3. Größere Flughäfen.

Die Spannweite ist nicht nur eine Frage struktureller Überlegungen. Größere Spannweiten sind schon lange machbar. Das Problem ist, je breiter es ist, desto weniger Flughäfen können das Flugzeug in ihre Gates aufnehmen und desto höher sind ihre Landegebühren. Die FAA teilt Flugzeuge nach Spannweite in Designgruppen ein, und das Flughafendesign muss den steigenden Anforderungen für jede Gruppe gerecht werden.

Die Boeing 747 und dann der Airbus A380 haben die Flughäfen veranlasst, sich auf größere Flugzeuge umzustellen. Dann bleiben die Start- und Landebahnen, die Rollwege und die Gates auch während des Auslaufens so, wie sie für diese "Jumbo"/"Superjumbo"-Kategorien ausgelegt sind.

Dies eröffnet Raum für etwas kleinere Flugzeuge wie die A350 oder die B777X, um diese breiteren Einrichtungen zu nutzen. Da diese Flugzeuge leichter sind als die 747 oder die A380, brauchen sie nicht so viel Sehnen, um den nötigen Auftrieb zu bekommen.

• Das ist nur der technische Aspekt. Denken Sie daran, dass höhere Streckungen immer möglich waren, wie sie in Segelflugzeugen verwendet werden, aber immer mehr Gewicht zum Flügel beitragen würden. Es gibt viele Gründe, warum höhere Streckungsverhältnisse gewünscht wurden: steigende Treibstoffpreise, neuere Triebwerke, erwartete stärkere Streckung der Flugzeugzelle.

Antwort: Indem effizientere Motoren zur Verfügung stehen.

Ingenieure mussten niedrigere Seitenverhältnisse wählen, als ihnen in der Vergangenheit gefiel. Vergleicht man die Reduzierung der Streckung, die mit der Umstellung auf Jets zusammenfiel, sieht man, dass größere Streckungen schon immer möglich waren. Nur die treibstoffhungrigen frühen Jets erforderten ein größeres Flügelvolumen , was erreicht wurde, indem die Flügelsehne größer als ideal gemacht wurde. Dies trug dazu bei, Klappensysteme weniger komplex zu machen , aber insgesamt wurde das Seitenverhältnis unter das gedrückt, was mit effizienteren Kolbenmotoren möglich gewesen wäre.

Seitenverhältnis im Laufe des Jahres der Einführung für verschiedene Typen. Blaue Punkte = Kolbentriebwerke, rote Punkte = Strahltriebwerke. Neuere Modelle könnten effizientere Motoren verwenden und zu den höheren Seitenverhältnissen der Kolbenära zurückkehren.

Das Wie eines Flügels mit hoher Streckung ist ziemlich einfach: Verwenden Sie dickere Tragflächen an der Wurzel und begrenzen Sie den zulässigen Belastungsfaktor und die Fluggeschwindigkeit bei böigem Wetter.