Wie wirkt sich die Streckung eines Flügels auf seinen Auftrieb aus?

„ Die Flügelauftriebsformel zeigt, dass der Auftrieb eines Flügels proportional zu seiner Fläche ist “.

Das ist absolut wahr. Ein Flügel erzeugt jedoch sowohl Auftrieb als auch Luftwiderstand. Der Luftwiderstand ist von zwei Naturen: Parasitärer Luftwiderstand und Auftriebs-induzierter Luftwiderstand . Die Summe aller Widerstände ist der Gesamtwiderstand:

^{Quelle: Wikipedia}

Der induzierte Widerstand nimmt mit der Geschwindigkeit ab und hat seinen Ursprung in Flügelspitzenwirbeln. Wirbel erhöhen tatsächlich die Geschwindigkeit des Abwinds und verändern den effektiven Anstellwinkel. Was wiederum die Richtung der aerodynamischen Kraft ändert und eine der Flugrichtung entgegengesetzte Kraft erzeugt:

^{Induzierter Widerstand, Quelle: Wikipedia}

Der induzierte Widerstand ist auf Spitzenwirbel zurückzuführen. Wenn wir Wirbel weniger effizient machen können, reduzieren wir auch den induzierten Widerstand. Der Weg, dies zu tun, besteht darin, lange Flügel zu haben, sodass der Abwind von den Wirbeln nur einen Teil des Flügels beeinflusst:

^{Spitzenwirbel, Quelle: Wikipedia}

Untersuchungen haben gezeigt, dass der induzierte Luftwiderstand von der Flügelstreckung und nicht nur von der Flügelspannweite abhängt . Das ist leicht zu verstehen: Die Luftmenge in einem Spitzenwirbel ist größer, wenn die Sehne groß ist.

Die Antwort auf Ihre Frage lautet also: Ja, der Auftrieb ist proportional zur Flügelfläche, aber das Auftriebs- / Luftwiderstandsverhältnis ist proportional zum Seitenverhältnis des Flügels. Aus diesem Grund werden längere Flügel bevorzugt, sie minimieren den Energieverlust im Kampf gegen den Luftwiderstand.

„ Warum haben die meisten konventionellen Flügel die gleiche Form (nach hinten gekehrte Rechtecke)? “

Längere Flügel sind besser für die Kraftstoffeffizienz, aber wir haben andere Probleme in der Designer-Warteschlange, und einige können durch Auswahl der Flügelplanform gelöst werden , z.

• Wir wollen verhindern, dass der Strömungsabriss abrupt wird (allerdings auf Kosten von weniger Auftrieb):
  
  

• Wir wollen die Erzeugung einer lokalen Überschallströmung in überkritischen Flügeln verzögern, die in Verkehrsflugzeugen verwendet werden. Beim Fliegen mit M 0,8 wird der Luftstrom beschleunigt, um Auftrieb zu erzeugen, einige Bereiche des Flügels erreichen Überschallgeschwindigkeit (Mach > 1). Die damit verbundene Stoßwelle erzeugt einen zusätzlichen Widerstand. Indem wir den Flügel schwenken, fügen wir dem Luftstrom eine Komponente in Spannweitenrichtung hinzu, die die Geschwindigkeit in Sehnenrichtung verringert, sodass die Stoßwelle nur bei einer höheren Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs auftritt:
  
  

Andererseits tendiert der Pfeilflügel dazu, zuerst an der Spitze abzureißen, was überhaupt nicht gut ist, denn wenn ein Abriss auftritt, brauchen wir Querruder, um eine Verschlechterung zu verhindern, und Querruder befinden sich an den Spitzen, um ihre Wirksamkeit zu erhöhen. Daher werden auch überstrichene Flügel verdreht, so dass der Anstellwinkel an der Spitze kleiner ist als der Anstellwinkel der Wurzel, wodurch der Strömungsabriss gezwungen wird, an der Flügelwurzel zu beginnen.

Es gibt mehrere Flügelplanformen, jeder Flügeltyp oder manchmal eine Unterkomponente kann ein bestimmtes Problem verbessern (möglicherweise ein anderes erstellen, das für den Designer weniger wichtig ist). Siehe diesen sehr interessanten Artikel auf Wikipedia: Flügelkonfiguration

Eine höhere Streckung (bei gleicher Flügelfläche) bedeutet mehr Spannweite und weniger auftriebsabhängigen Luftwiderstand. Höhere Streckung bedeutet bei gleichem Anstellwinkel auch mehr Auftrieb ( in Grenzen ).

Der Auftrieb wird erzeugt, indem der entgegenkommende Luftstrom nach unten abgelenkt wird. Je mehr Luft beeinflusst werden kann, desto effizienter wird die Auftriebserzeugung. Vielleicht möchten Sie hier ein paar Antworten lesen, wenn Sie mehr erfahren möchten .

Was Sie beschreiben, ist ein schlanker Körperflügel . Der Großteil der Ablenkung erfolgt durch die ersten paar Prozent der Sehne dieses Flügels, und der Rest wird nicht in der Lage sein, den Auftrieb weiter zu erhöhen, da er an der bereits abgelenkten Luft arbeitet. Folglich erzeugt der gleiche Flügelbereich zumindest bei Unterschallströmung weniger Auftriebskraft. Beispiel XB -70 : Seine maximale Flächenbelastung (Masse dividiert durch Fläche) betrug 420 kg/m². Die Schwenkflügel- B-1 , die ihre Flügel für langsamen Flug ausstrecken könnte, hat eine maximale Flächenbelastung von 1190 kg/m², die Berechnungsmethode ihrer Flügelfläche berücksichtigt jedoch nicht den großen Deltaabschnitt vor der Hauptwelle Flügel. Dennoch bleibt ein beträchtlicher Unterschied bestehen und zeigt, dass die gleiche Flügelfläche gestreckt mehr Auftrieb erzeugen kann.

Die von Ihnen zitierte "Flügelhubformel" ist eine einfache Annäherung und wird nicht für die detaillierte Konstruktion von Flügeln verwendet.

Praktische Gründe, warum herkömmliche Flügel die Form haben, die sie haben, hängen von vielen Konstruktionsüberlegungen ab, einschließlich der Mission des Flugzeugs. Die Antworten, die Sie erhalten haben, sprechen einige dieser Probleme an.

Beachten Sie jedoch, dass es beim Flügeldesign viele Missverständnisse gibt. Ein weit verbreitetes Missverständnis lautet: „Induzierter Widerstand ist auf Spitzenwirbel zurückzuführen, wenn wir Wirbel weniger effizient machen können, reduzieren wir auch den induzierten Widerstand.“

Das ist eine große Vereinfachung. Der induzierte Widerstand hängt von der Form des gesamten Flügels ab, nicht nur von der Streckung und den Spitzenwirbeln.

Der ehemalige technische Mitarbeiter von Boeing, Doug Maclean, diskutiert insbesondere dieses Missverständnis und viele andere in seinem Buch „Understanding Aerodynamics – Arguing from the Real Physics“.

Sie könnten viel aus Macleans Vortrag herausholen:

Häufige Missverständnisse in der Aerodynamik