Wie verringern Insekten die Flugzeugleistung?

Sie haben Recht, Insekten sind sehr klein, also beeinflussen sie Dinge, die in ihrer Größenordnung passieren. Das einzige wichtige Phänomen auf einem Verkehrsflugzeug, das die Größe von Insekten hat, ist die Grenzschicht , die Luftschicht um alle benetzten Oberflächen, wo sich die Luftgeschwindigkeit von Null (relativ zum Flugzeug) auf die Geschwindigkeit ändert, die sie in einiger Entfernung hat. Dies wird als Grenzschicht bezeichnet. Seine Dicke ändert sich von Null am Staupunkt bis zu mehreren Zentimetern am Ende eines langen Rumpfes.

Wie sieht die Grenzschicht aus?

An der Vorderkante beginnt die Grenzschicht mit einer Dicke von Null. Jetzt wird die Reibung mit dem Flügel dazu führen, dass einige Luftmoleküle verlangsamt werden, und bald erhalten Sie eine Luftschicht, in der sich die Moleküle, die der Haut des Flugzeugs am nächsten sind, mit der Haut bewegen, und je weiter Sie sich von der Haut entfernen, desto weniger sie werden verlangsamt. Anfänglich zeigen die Luftschichten innerhalb der Grenzschicht keine Querbewegung von Molekülen. Vergleichen Sie es mit einer mehrspurigen Straße mit Stoßstangenverkehr, auf der kein Auto die Spur wechselt. Da sich alle Moleküle entlang ihrer Luftschicht bewegen, spricht man von laminarer Strömung (lat. lamina = Schicht).

Irgendwann entwickeln sich nachgelagerte Schwingungen , und sobald sie instabil werden, bewegen sich Moleküle zwischen den Luftschichten. Jetzt haben Sie schnellere aus weiter entfernten Schichten, die sich näher an die Haut bewegen und die langsamen dort nach vorne treten, und langsamere aus der Nähe der Haut, die sich wegbewegen und die weiter entfernten Schichten verlangsamen. Jetzt kreuzen die Autos auf Ihrer mehrspurigen Straße die Fahrspuren, und das Ergebnis ist, dass sich alle Fahrspuren mit Ausnahme der ganz rechten mit ähnlicher Geschwindigkeit bewegen. Da die Querströmung das Ergebnis von Turbulenzen ist, wird diese Grenzschicht als turbulent bezeichnet.

Geschwindigkeitsprofile von laminaren (links) und turbulenten (rechts) Grenzschichten. Bildquelle . _

Konsequenzen für den Luftwiderstand

Die Querströmung bewirkt, dass die turbulente Grenzschicht einen viel steileren Geschwindigkeitsgradienten an der Flugzeughaut hat, was viel mehr Reibungswiderstand verursacht. Gleichzeitig wird der Strömung durch Reibung mehr Energie entzogen, sodass die gesamte Grenzschicht dicker wird. Wenn Sie sich den lokalen Reibungswiderstand ansehen, sind die durch XFOIL ermöglichten Parameterplots ziemlich aufschlussreich.

Reibungswiderstand über Sehne für ein E502mod-Profil bei 3 ° AoA. Blau: Oberseite, Rot: Unterseite.

Das Diagramm zeigt die Reibung über der Sehne für ein Schaufelblatt bei einem Anstellwinkel von 3°. Der gesamte Fluss ist verbunden (bis auf eine kleine Trennblase am Boden nahe dem Übergangspunkt). Erkennen Sie die Übergangspunkte von laminarer zu turbulenter Strömung? Ja, hier springt der Reibungswiderstand hoch und bleibt stromabwärts störend hoch. Beachten Sie, dass die Strömung um den Flügel eines Verkehrsflugzeugs bei einer viel höheren Reynolds-Zahl erfolgt, sodass die Übergangspunkte näher an der Vorderkante liegen als im Diagramm oben. Ich habe im Diagramm oben die niedrige Reynolds-Zahl gewählt, weil sie das Phänomen deutlicher zeigt.

Aber Sie sehen auch eine Reibungsspitze an der Nase! Dies wird durch die sehr geringe Dicke der jungen Grenzschicht verursacht. Obwohl es laminar ist, zeigt es einen hohen Reibungsbeitrag, einfach weil es immer noch sehr dünn ist. Stellen Sie sich nun vor, Sie hätten beide Effekte, eine dünne Grenzschicht und die größere Reibung einer turbulenten Grenzschicht, zusammengenommen. Das ist es, was Käfer an der Vorderkante des Flügels Ihnen geben werden! Sie rauhen die Flügeloberfläche auf und treiben Reibungsverluste durch einen frühen Übergang der Grenzschicht in turbulente Strömung in die Höhe.

Konsequenzen für maximalen Auftrieb

Aber es gibt noch einen zweiten Effekt: Je länger sich die Grenzschicht entwickelt, desto mehr verliert die Strömung die Fähigkeit, sich zu verlangsamen und den Druck zur Hinterkante hin zu erhöhen. Die Energie einer Strömung ist entweder Geschwindigkeit oder Druck, aber wenn die Energie der Strömung durch Reibung aufgebraucht wird, bleibt nichts von beidem übrig, wenn es benötigt wird, um die letzte Hälfte der Flügelform zu überwinden. Die Strömung wird früher abreißen , wenn sie von Anfang an turbulent war, und der Flügel wird bei einem geringeren Anstellwinkel abreißen. Dies ist die zweite negative Folge von Käfern auf einem Flügel. Es kann durch sorgfältiges Schaufeldesign gemildert werden, aber dann zeigt dieses Schaufelblatt eine geringere fehlerfreie Leistung.

Segelflugzeugpiloten wissen das sehr gut, besonders diejenigen, die Flugzeuge geflogen sind , die das Tragflächenprofil Wortmann FX 67-170 verwendet haben . Es hatte ein ausgezeichnetes L/D ohne Fehler, aber sowohl Regen als auch Fehler verwandelten das Flugzeug in etwas, das einem Ziegelstein ähnelte. Ich bin mal mit einem Janus B in eine Dusche geflogen, und die Mindestgeschwindigkeit hat sich von 80 km/h auf 110 km/h erhöht. Ein paar Sekunden mit höherer Geschwindigkeit reinigten den Flügel, aber dann war es Zeit zu landen, weil ich so viel Höhe verloren hatte.

Hier geht es nicht um die zusätzliche Masse oder das zusätzliche Gewicht, sondern um den gestörten Luftstrom über den Flügeln. Die Schlüsselbegriffe hier sind laminare Strömung und turbulente Strömung.

Das folgende Bild zeigt eine normale laminare und turbulente Strömung über einem Flügel. Bei Insekten oder anderem Schmutz an der Eintrittskante erfolgt der Übergang näher nach vorne, was zu Leistungseinbußen führt.

^{(Bildquelle: www.allstar.fiu.edu)}

Die NASA hat auch einige Nachforschungen angestellt :

Jeder, der schon einmal durch eine Insektenwolke gefahren ist, weiß, wie schnell sich die Insektendärme am Fahrzeug ansammeln, Probleme mit der Sicht verursachen, den Lufteinlass und den Kühler verstopfen und das Äußere des Autos ruinieren.

Das Problem für ein Flugzeug besteht darin, dass sein aerodynamisches Design dazu bestimmt ist, dass sich die Luft sehr gleichmäßig über die Körper- und Flügeloberflächen bewegt, was als laminare Strömung bezeichnet wird. Wenn diese laminare Strömung unterbrochen wird, z. B. durch die Ansammlung toter Insektenteile, induzieren Sie das Gegenteil der laminaren Strömung, nämlich Turbulenzen.

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Wege zu finden, um die laminare Strömung in allen Flugphasen aufrechtzuerhalten, ist eine große Sache für die Luftfahrtgemeinschaft, da sie Millionen an Treibstoffkosten einsparen und gleichzeitig die Menge an schädlichen Emissionen, die in die Atmosphäre freigesetzt werden, reduzieren könnte.