Wie vergleichen sich dicke und dünne Flügel bei der Auftriebserzeugung?

Der Auftrieb ist hauptsächlich ein Ergebnis von AoA und Wölbung. Die Dicke hat einen sehr geringen Effekt, so sehr, dass einige aerodynamische Theorien sie völlig außer Acht lassen. Sie wirkt sich hauptsächlich auf den Luftwiderstand aus und sollte für Unterschallflugzeuge relativ hoch sein, damit das Tragflächenprofil in einem breiten Bereich von AoAs betrieben werden kann, ohne abzuwürgen. Es sollte auch hoch sein, damit das Trägheitsmoment der Querschnitte hoch ist und somit Strukturbauteile weniger belastet werden. Und vielleicht am offensichtlichsten sollte es hoch sein, damit die Kraftstofftanks in den Flügel passen.

Diese Frage lässt sich leicht beantworten, wenn man sich die berühmte Theorie der Flügelschnitte von Abbott anschaut. Sie werden feststellen, dass die Dicke den Auftrieb beeinflusst, wenn sie bis zu einer Sehnenlänge von 0,12 (c) zunimmt. Der Effekt bewirkt, dass der Strömungsabrisswinkel später auftritt, was die Möglichkeit eines größeren Auftriebs ermöglicht, jedoch mit dem Nachteil, dass Sie einen abrupteren Strömungsabriss haben werden. Im Fall von 0-gewölbten symmetrischen Profilen (denken wir an die 4-stellige NACA-Serie wie NACA von 0008 bis 0012, also mit einer Dicke von 0,08 c bis 0,12 c) ist der Strömungsabriss abrupter, je näher der Strömungsabrisswinkel kommt. Bei gewölbten Profilen geschieht dies schonender. Nach 0,12 c Dicke tendiert der maximale Auftriebsbeiwert wieder leicht nach unten (wie Sie auf dem Bild sehen können, das Sie hier finden).

Wie im Abbott gesagt, müssen wir berücksichtigen, dass für Reynolds um 2 Millionen eine Erhöhung der Dicke über 0,12 c als vernachlässigbar angesehen werden kann.

Babinsky, Holger (2003) weisen völlig zu Recht darauf hin, dass Überdruck unter dem Flügel zum Auftrieb beiträgt.

Dies hängt jedoch nicht unbedingt mit der "Dicke" zusammen, die eher mit der Stärke zusammenhängt.

Die Skalierung ist im Flugzeugdesign äußerst wichtig: Um das eigene Gewicht zu tragen, erfordert das Aufsteigen eines Spatzen auf eine Piper Cub einen Flügel, der mehrere tausend kg tragen kann (vergiss nicht, die G-Kräfte zu manövrieren). Dies erfordert zweifellos einen proportional dickeren Flügel$^1$.

Wie in der obigen Referenz erwähnt, bestimmt die Krümmung oder Wölbung den Auftrieb bei einer gegebenen Geschwindigkeit, Flügelfläche, Anstellwinkel, Seitenverhältnis und Luftdichte.

Auf den ersten Blick hätte der dünne Flügel den Vorteil, einen Überdruck unter dem Flügel zu erzeugen, um den Auftrieb zu verbessern, aber auch dickere Flügel in den größten Flugzeugen haben diesen Trick im Ärmel, indem sie ... Vorflügel und Klappen für den Flug mit niedrigerer Geschwindigkeit verwenden. Der "dicke" Flügel wird auch eine Krümmung auf seiner oberen Oberfläche haben, was zu einer weiteren sehr wichtigen Überlegung führt: Reynolds-Zahl .

Reynolds Number = Velocity × Chord/Kinematic Viscosity

Die kinematische Viskosität für Luft beträgt 1,46 × 10$^-5$, die Einheiten sind Meter und Sekunden

Dies wird zu einem besseren Verständnis führen, warum größere, schnellere Flugzeuge mit „top lift“ effizienter fliegen. Ein Blick auf die Reynolds-Zahl im Vergleich zu den Auftriebs-/Widerstandsverhältnissen bei Airfoiltools zeigt einen deutlichen Anstieg der L/D-Verhältnisse, wenn die Reynolds-Zahlen von 10 ansteigen$^3$-10$^4$vogeltypisch bis 10$^6$-10$^7$typisch für Flugzeuge.

Größere, schnellere Flugzeuge können die Unterseite des Flügels straffen, Stärke hinzufügen und den Luftwiderstand verringern, indem sie sich auf einen effizienteren "Auftrieb von oben" verlassen. Hier wurde die Legende des "dicken Flügels" geboren, veranschaulicht durch Jagdflugzeugentwürfe der Luftstreitkrafte und des Davis-Flügels Jahre später. Dicke und Krümmung werden auch relevant, wenn sich die Geschwindigkeit den Überschall- und Überschallbereichen (kritische Machzahl) nähert, wo Stoßwellen-Widerstandseffekte dünnere Flügel mit weniger Wölbung begünstigen.

Vogelflügel sind im Allgemeinen zu klein und langsam, um den berühmten „Bernoulli“-Top-Lift-Effekt voll auszunutzen. Man mag erkennen, dass ein Tauchfalke in höhere Reynolds-Zahlen übergehen kann, aber sie lösen dieses Problem mit ... variabler Geometrie , indem sie ihre Flügel falten!

$^1$frühe Flugzeugbauer unterstützten ihre geliebten dünnen,
untergewölbten Flügel mit Kabeln und
schufen durch Stapeln der Flügel (Doppeldecker) sehr starke, leichte Fachwerkstrukturen.
Der Schwerpunkt auf der Reduzierung des Luftwiderstands würde später bei höheren Geschwindigkeiten liegen, die durch stärkere Motoren ermöglicht werden.