Warum ist die Anwendung von Tail-Down-Force so üblich?

Wenn es so einfach wäre...

Um eine natürliche Längsstabilität zu erreichen (das Flugzeug bleibt auch nach Störungen wie Böen auf der getrimmten Geschwindigkeit), müssen die hinteren Auftriebsflächen einen geringeren Auftrieb pro Fläche haben als die vorderen Flächen. Wieso den? Bei einer Bö ändert sich der Anstellwinkel des Flugzeugs auf allen Oberflächen nahezu gleichzeitig. Durch weniger Auftrieb pro Fläche ist die relative Auftriebszunahme aufgrund einer Erhöhung des Anstellwinkels für die hinteren Flächen höher, sodass sie jetzt relativ mehr Auftriebszunahme erhalten als die vorderen Flächen. Dadurch entsteht eine Unwucht, die das Heck anhebt, bis der alte Anstellwinkel (und damit die alte Geschwindigkeit) wieder erreicht ist.

Eine negative Heckbelastung ist ein Zeichen für hohe Stabilität. Das erzeugt mehr Luftwiderstand, erlaubt dem Piloten aber, die Hände vom Steuerknüppel zu nehmen, seine Karten zu lesen, etwas zu überprüfen oder eine Tasse Tee zu trinken. Aber seine Wirkung auf den induzierten Luftwiderstand kann tatsächlich hilfreich sein. Sie werden überrascht sein, also haben Sie bitte Geduld mit mir!

Was ist überhaupt induzierter Widerstand? Es ist die Folge der Erzeugung von Auftrieb über eine begrenzte Spannweite. Der Flügel erzeugt Auftrieb, indem er Luft nach unten ablenkt. Dies geschieht allmählich über die Sehne des Flügels und erzeugt eine Reaktionskraft orthogonal zur lokalen Luftgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass die Reaktionskraft nach oben und leicht nach hinten zeigt. Diese Rückwärtskomponente ist induzierter Widerstand! Die Längsverteilung der nach unten ablenkenden Flächen ist dabei von untergeordneter Bedeutung (für eine sehr technische Erklärung: Siehe hier, wo über das Treffz-Flugzeug gesprochen wird): Wenn Sie einen hochbelasteten Canard-Flügel haben, trifft sein Abwind schließlich den Flügel und erzeugt dort viel nach hinten geneigten Auftrieb. Der Canard selbst verursacht nicht so viel induzierten Widerstand, bringt aber den Luftstrom über den Flügel durcheinander. Hinter dem Flugzeug spielt es keine Rolle, ob Sie einen Canard oder eine konventionelle Konfiguration fliegen, was zählt, ist, über wie viel Spannweite Sie die Auftriebserzeugung verteilen (für eine konstante Auftriebsmenge bei einer bestimmten Geschwindigkeit).

Sie wissen wahrscheinlich, dass eine elliptische Verteilung der Zirkulation über die Spannweite den kleinsten induzierten Widerstand erzeugt. Stellen Sie sich nun vor, dass Ihr Flügel eher eine dreieckige als eine elliptische Verteilung hat. Der nach unten gerichtete Auftrieb am Heck verringert diesen Auftriebsbuckel in der Mitte, wodurch die Verteilung näher an die ideale elliptische Verteilung hinter dem gesamten Flugzeug herangeführt wird. Der induzierte Widerstand des gesamten Flugzeugs wird durch das Heck gesenkt!

Eine andere Erklärung: Da der Flügel in seiner Mitte einen starken Abwind erzeugt, fliegt das Leitwerk in einem leicht nach unten gerichteten Luftstrom. Negativer Auftrieb dort (ungefähr orthogonal zum lokalen Luftstrom) zeigt tatsächlich leicht nach vorne, sodass Ihr negativ geladenes Heck einen kleinen Schub erzeugt!

Schwarz: Gesamtkraft, Blau: Heben, Rot: Ziehen

Und wenn Sie der Meinung sind, dass eine dreieckige Auftriebsverteilung ungewöhnlich ist, lesen Sie bitte diesen NACA-Bericht von RT Jones . Es berücksichtigt das Flügelgewicht, und dies verändert das Bild, wie die Auftriebsverteilung für minimalen induzierten Widerstand aussehen sollte.

Ja, der erste erfolgreiche Starrflügel-Motorflug der Gebrüder Wright verwendete ein Canard-Layout, also warum verschwand dieses Layout zugunsten des konventionellen Leitwerks?

Bildquelle

Die Canard-Oberfläche stört den Luftstrom über dem Hauptflügel. Der lange gekoppelte Canard platziert das vordere Flugzeug in einem beträchtlichen Abstand vom Hauptflügel, um die gegenseitige Beeinflussung zu verringern. Torenbeek nennt die folgenden Designprobleme für diese Konfiguration:

• Um einen akzeptablen Bereich für den Schwerpunkt zu erreichen, muss das vordere Flugzeug in der Lage sein, einen höheren maximalen Auftriebskoeffizienten als der Hauptflügel zu erzeugen. Dies kann in der Regel nur erreicht werden, wenn der Hauptflügel eine geringe Streckung besitzt. Das vordere Flugzeug muss mit einem ausgeklügelten Klappensystem versehen werden.
• Die nachlaufenden Wirbel der vorderen Ebene beeinflussen die Strömung über den Flügel und erzeugen ein Rollmoment in einem Seitenschlupf. Die Wirbel können auch die Flosse treffen.

Das Canard-Layout hat den Vorteil, dass es einen aerodynamischen Nose-Up-Moment mit positivem Auftrieb bietet: Es hilft beim Anheben des Flugzeugs, und wenn es in den Stall gerät, senkt sich die Nase, wodurch die Stall-Situation automatisch korrigiert wird. Der Nachteil des Layouts ist: Bei hohen Anstellwinkeln liefert der Canard-Flügel eine große Auftriebskraft und ist immer näher am Strömungsabriss als der Hauptflügel. Dadurch würde ein großer Teil der Tragfähigkeit des Hauptflügels bei niedrigen Geschwindigkeiten ungenutzt bleiben.

Das Canard-Layout scheint also besonders für Trans- und Überschallflugzeuge geeignet zu sein – herkömmliche Flugzeuge mit einer horizontalen Oberfläche am Heck können auch mit positiver Hecklast fliegen und haben den Vorteil einer sauberen Strömung über dem Hauptflügel plus einem großen CoG-Bereich.

Die Idee, Kraft auf etwas auszuüben, das Sie zu heben versuchen, klingt zunächst überhaupt nicht richtig, aber bei näherer Betrachtung zeigt sich die wahre Funktion des richtig konstruierten H-Stabs, den Flügel in seinen effizientesten Anstellwinkel zu bringen, während der H-Stich ist bei (geringstem Luftwiderstand) 0 AOA!

Wir alle wissen, dass ein Flügel effizienter ist als zwei. Es macht wirklich keinen Sinn, den horizontalen Stabilisator für eine optimale Reiseeffizienz positiv oder negativ zu belasten. Der Konstruktionspunkt bei einem AOA eines Reiseflügels mit optimalem Wirkungsgrad wäre Clift direkt über CG.

Der H-Stich bei null AOA würde seine Aufgabe erfüllen, ihn dort zu halten, mit ausreichend Trimm- und Höhenruderautorität, um andere Situationen zu bewältigen.

Der zusätzliche Vorteil eines hinteren H-Stabs besteht darin, dass er die Richtungsstabilität unterstützt und hilft, die Nase abzusenken, wenn das Flugzeug sinkt.

Bob