Was ist der Grund für die schlechten Langsamlaufeigenschaften von Pfeilflügeln?

Nachteile des Wing Sweep

• Die Steigung der Hebekurve wird um den Kosinus des Viertelsehnen-Sweep-Winkels reduziert. Dies bedeutet einen größeren Anstellwinkel für den Start, was einen längeren Startlauf und ein längeres Fahrwerk erfordert, um einen Heckschlag bei der Drehung zu vermeiden .
• Wenn Sie das Flugzeug drehen, senken sich die Spitzen der nach hinten gepfeilten Flügel, wenn sich das Flugzeug zum Start dreht. Dies könnte auch dazu führen, dass ein längeres Fahrwerk erforderlich ist.
• Biegemomente im Flügel werden zu Torsionsmomenten, wenn Sie den Schwenkwinkel ändern. Und Sie müssen es zumindest in der Flügelwurzel ändern, wo der Flügel mit dem Rumpf verbunden ist. Dies führt zu einer schwereren Struktur.
• Wenn sowohl der Pfeilwinkel als auch die Streckung groß genug sind, zeigt der Flügel unangenehme Stall-Eigenschaften. Die Grenzschicht wird in Richtung der Spitzen gefegt und verursacht eine frühere Trennung, wenn der Flügel abreißt, und das Flugzeug wird sich aufrichten oder unkontrolliert rollen. Flügelzäune helfen, können dies aber nicht vollständig beheben.
• Wing Sweep verursacht ein gierinduziertes Rollmoment , sodass weniger Dieder benötigt werden. Bei Hochdeckern erfordert dies die Verwendung von Anhedral . Leider variiert dieses Rollmoment mit dem Auftriebskoeffizienten, sodass Ihr gierinduziertes Rollmoment bei einem gepfeilten Flugzeug bei hoher Geschwindigkeit niedriger als ideal und bei niedriger Geschwindigkeit höher ist.
• Bei fliegenden Flügeln lässt Sweep die Flugzeugmitte nach oben und unten neigen, wenn sich der Flügel biegt. Dadurch entsteht eine starke Wechselwirkung zwischen dem schnellen Periodenmodus (der bei fliegenden Flügeln nur mäßig gedämpft wird) und dem Flügelbiegemodus, was zu Flattern führt.

Kurz gesagt, wenn er die Wahl hat, vermeidet der clevere Flugzeugkonstrukteur das Sweepen, wann immer er/sie kann . Aber einen Flügel nach hinten zu schwenken ist immer noch besser als ein Vorwärtsschwung .

Eigenschaften bei niedriger Geschwindigkeit

Ein Tragflügel beschleunigt zunächst die über seine Oberseite strömende Luft und bremst sie über seinen hinteren Teil wieder ab . Bei Pfeilflügeln wirkt sich diese Beschleunigungs-Verzögerung nur auf die orthogonale Geschwindigkeitskomponente aus, sodass die Geschwindigkeitskomponente in Spannweitenrichtung unbeeinflusst bleibt. Dies ist der Grund für die höhere Mach-Fähigkeit von gepfeilten Flügeln, bewirkt aber auch, dass die Luft zuerst nach innen und dann nach außen strömt, während sie die obere Oberfläche des Flügels durchquert.

Darüber hinaus verzögert Reibung die um einen Körper strömende Luft, so dass jede Oberfläche eines Flugzeugs von einer Schicht verzögerter Luft umgeben ist. Die Dicke dieser Grenzschicht nimmt mit der Strömungslänge zu, und bei einem gepfeilten Flügel wirkt sich diese Reibung zunächst hauptsächlich auf die orthogonale Strömungskomponente aus. Ungefähr in der Mitte des Akkords finden Sie Luft, die hauptsächlich in ihrer orthogonalen Geschwindigkeitskomponente verzögert wurde (da diese Komponente über dem vorderen Teil so hoch war) und jetzt einer stärkeren Verzögerung der orthogonalen Komponente ausgesetzt ist, so dass nur die Spannweitenkomponente dies tut über dem hinteren Teil der Grenzschicht belassen werden. Diese Grenzschicht wird nun nur noch in Spannweitenrichtung abfließen, so dass sich zu den Spitzen hin massiv langsame, energiearme Luft ansammelt.

Eine dicke Grenzschicht führt zu einer frühen Strömungsablösung . Wenn der Anstellwinkel vergrößert wird, wird sich die Strömung an den Spitzen eines rückwärts gepfeilten Flügels zuerst ablösen. Dies führt zu einem Auftriebsverlust, und da die Spitzen auch der hintere Teil des Flügels sind, wird das aerodynamische Zentrum nach vorne verschoben. Dies wiederum wird das Flugzeug zum Nicken bringen, was den Strömungsabriss verschlimmert. Wenn die Trennung asymmetrisch erfolgt, rollt das Flugzeug zusätzlich zum Nicken. Im Falle des F-100 waren die Heckflächen zu klein, um das Aufstellen zu stoppen, so dass das Flugzeug, sobald es in den Stallbereich überquert war, unkontrolliert mehr aufschlug und vollständig abwürgte.

Moderne Pfeilflugzeuge haben einen Anstellwinkelbegrenzer, der verhindert, dass das Flugzeug in den Strömungsabrissbereich hineinfliegt. Außerdem helfen Flügelzäune, die Strömung in Spannweitenrichtung unter Kontrolle zu halten, und Wirbelgeneratoren helfen, die Strömung so zu energetisieren, dass die frühe Strömungstrennung an den Flügelspitzen ausreichend verzögert wird, um das unkontrollierbare Aufstellen zu vermeiden. Dem F-100 fehlten all diese Mittel.

Flügelzäune an einer MiG-17 ( Bildquelle )

Wirbelgeneratoren an einem Flügel einer Boeing 737 ( Bildquelle )

Wing Sweep verbessert die Leistung durch Verzögern der Stoßwellen und des begleitenden Anstiegs des aerodynamischen Widerstands, der durch die Fluidkompressibilität bei hohen (nahezu Schall-) Geschwindigkeiten verursacht wird. Es gibt jedoch einige Nachteile, die mit dem Wing Sweep verbunden sind, wie:

• Wing Sweep reduziert die Steigung der Auftriebskurve und den maximalen Auftriebsbeiwert des Flügels. Dies bedeutet, dass das Flugzeug mit gepfeilten Flügeln mit einem höheren AOA fliegen muss, um maximalen Auftrieb zu erreichen.

Quelle: code7700.com

• Die Flügelpfeilung induziert eine Strömung in Spannweitenrichtung entlang des Flügels, was bedeutet, dass die Luft eine längere Strecke über den Flügel zurücklegen muss. Dies bedeutet eine dickere Grenzschicht und mehr Möglichkeiten der Strömungsablösung.

Quelle: boldmethod.com

• Die Strömung in Spannweitenrichtung auf überstrichenen Flügeln erhöht den effektiven Anstellwinkel von Flügelsegmenten relativ zu ihrem benachbarten vorderen Segment; Das Ergebnis sind die hinteren Segmente des Flügelstalls zuerst (Spitzenstall für nach hinten gepfeilte Flügel und Wurzelstall für vorwärts gepfeilte Flügel). Wenn der resultierende Druck nach oben (aufgrund der Tatsache, dass sich der Auftriebsvektor nach vorne bewegt) nicht korrigiert wird, neigt sich das Flugzeug weiter nach oben, wodurch der Stallbereich erweitert wird, was zu einem Teufelskreis führt, der zu einem vollständigen Stall des Flugzeugs führt.

Dies ist der Grund für den „Säbeltanz“, den man im F-100 Super Sabre erlebt. Dies wird durch die bereits erwähnten hohen Anstellwinkel bei Start und Landung weiter verschärft.

Quelle: code7700.com

• Flügelbiegemomente verursachen Torsion bei gepfeilten Flügeln. Dies erfordert eine Verstärkung der Flügel oder ein kompliziertes Design. Dies wirkt sich stärker auf die nach vorne gepfeilten Flügel aus als auf die nach hinten gepfeilten Flügel und ist einer der Hauptgründe, warum die nach vorne gepfeilten Flügel nicht viel verwendet werden.

• Eine wichtige Überlegung aufgrund der Flügelauslenkung ist die Hochgeschwindigkeits-Querruderumkehr. Im Falle von Verdrehungswinkeln in Stromrichtung, die aus Flügelbiegung und Querruder-Neigungsmoment resultieren, addieren sich die Flügel zusammen, was zu einer großen Verdrehung des Flügels mit der Nase nach unten führt, was die Wirksamkeit des Querruders verringert. Aus diesem Grund haben nach hinten gepfeilte Flügel niedrige Querruderumkehrgeschwindigkeiten (während nach vorne gepfeilte Flügel höhere Werte haben). Dieses Problem tritt bei Flügeln mit konstanter Pfeilung nicht auf.