Wie erhöht Wing Sweep die Stabilität des Flugzeugs?

Richtungsstabilität

Wenn ein Pfeilflügel in einem Seitenschlupf fliegt, verhält sich die Luvseite wie ein Flügel mit weniger effektiver Pfeilung$\varphi_{eff}$und die Leeseite wie eine mit effektiverem Sweep. Wing Sweep verursacht aus zwei Gründen eine Abflachung der Steigung der Auftriebskurve:

1. Der effektive Anstellwinkel wird um den Kosinus des Sweep-Winkels reduziert.
2. Nur die Geschwindigkeitskomponente normal zur Viertelsehnenlinie des Flügels erzeugt Auftrieb, sodass ein gepfeilter Flügel weniger Auftrieb pro Fläche erzeugt als ein gerader Flügel.

Der erhöhte Auftrieb rollt das Flugzeug, erzeugt aber auch einen erhöhten durch Auftrieb verursachten Widerstand, der es zurück in den Geradeausflug zieht. Die obige Skizze zeigt dies für den Nurflügelsegler SB-13 . Dieser Effekt ist so stark, dass überstrichene Hochflügelkonfigurationen anhedral sein müssen, um das durch den Seitenschlupf verursachte Rollmoment niedrig zu halten.

Der Vollständigkeit halber auch die Seitenkraft$Y$von Rumpf und Winglets wird hinzugefügt und zeigt, dass die Winglets viel zur Richtungsstabilität beitragen. Dies ist im Fall des SB-13 erforderlich, da es eine nahezu elliptische Auftriebsverteilung hat. Die Verwendung einer dreieckigen Verteilung (N9-M) oder sogar einer glockenförmigen Verteilung ( Horten -Flugflügel) vermeidet die Notwendigkeit von Winglets, verursacht jedoch einen höheren induzierten Widerstand im Geradeausflug. Ein weiterer Nachteil ist eine geringe Richtungsstabilität bei hoher Geschwindigkeit, da dieser Sweep-Effekt mit dem Auftriebsbeiwert am Außenflügel zunimmt.

Längsstabilität

Wing Sweep trägt auch zur Längsstabilität bei, indem der Flügel in Längsrichtung gestreckt wird. Dies ist wichtig für Nurflügel, die keine separate Leitwerksfläche haben. Durch Ändern der Klappenwinkel in der Mitte oder an den Flügelspitzen kann der Auftrieb an den am weitesten vorne oder am weitesten hinten liegenden Abschnitten für die Nicksteuerung geändert werden, und mehr Schwung erhöht den Hebelarm dieser Änderungen. Auch bei gepfeilten Nurflügeln kann eine natürliche statische Stabilität ohne die Verwendung von Reflextragflächen, sondern durch Auswaschen erreicht werden. Auch hier gilt, je höher der Sweep-Winkel, desto weniger Auswaschung ist erforderlich.

Zu viel Sweep?

Leicht! Das Fegen eines Flügels verursacht viele Probleme:

1. Sweep reduziert die Steigung der Auftriebskurve und den maximalen Auftrieb eines Flügels. Die maximale Landelage mit einem stark gepfeilten, schlanken Flügel wird stark durch den Flügelspitzenabstand eingeschränkt, so dass gepfeilte Flügel leistungsstarke Hochauftriebsvorrichtungen benötigen.
2. Sweep bewirkt, dass die Grenzschicht nach außen gespült wird, was zu einem unangenehmen Strömungsabriss führt, sobald ein bestimmtes Verhältnis von Flügelstreckung und Sweep überschritten wird. Dies kann durch Flügelzäune etwas eingeschränkt werden, sollte aber besser ganz vermieden werden.
3. Sweep-Änderungen führen dazu, dass Biegemomente teilweise in Torsionsmomente umgewandelt werden, was eine Torsionsversteifung des Flügels erfordert.
4. 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.

Warum überhaupt einen Flügel schlagen?

Im Allgemeinen lässt ein Flugzeugkonstrukteur nur so viel Sweep wie nötig zu. Wing Sweep reduziert den Luftwiderstand, wenn das Flugzeug mit transsonischer oder Überschallgeschwindigkeit fliegt. Jetzt hängen die Mach-Effekte nur von der normalen Geschwindigkeitskomponente ab, sind also proportional zum Kosinus des Sweep-Winkels. Für den N9-M war dies kein Faktor, der B-2 profitiert jedoch davon mit einer höheren Widerstandsdivergenz-Machzahl .

Wie bei fliegenden Flügeln hängt die Längskontrolle (geschweige denn die Stabilität) davon ab, dass man in der Lage ist, das Auftriebszentrum nach hinten und nach vorne zu bewegen. Das wäre mit einem geraden Nurflügler, der kein separates Leitwerk oder Carnard hat, schwer zu bewerkstelligen - der gesamte Auftrieb wird an derselben (Längs-) Position erzeugt.

Auf der anderen Seite, wenn Ihr Nurflügler Sweep hat, können Sie eine Längssteuerung erreichen, indem Sie Steuerflächen in unterschiedlichen Abständen von der Mitte des Flugzeugs platzieren. Ein zunehmender Auftrieb an den äußeren Teilen des Flügels erzeugt ein Moment mit der Nase nach unten und umgekehrt.

Ein großer Vorteil von Pfeilflügeln ist der geringere Luftwiderstand bei hoher Geschwindigkeit. Wenn ein Flugzeug mit Pfeilflügeln giert, erhöht es effektiv die Pfeilung des Flügels in Richtung des Gierens und verringert die Pfeilung des anderen Flügels. Der Flügel entgegengesetzt zur Gierrichtung hat also weniger Schwung und daher mehr Luftwiderstand, der dem Gieren entgegenwirkt. Ebenso hat der andere Flügel einen höheren Schwung und weniger Luftwiderstand.

Natürlich kann man zu viel Sweep haben, sonst würden alle Flugzeuge einfach ihre Flügel komplett wegfegen und wie die X-24 aussehen . Ihre vorherige Frage befasst sich gut mit anderen Eigenschaften von Pfeilflügeln:

Warum verwenden einige Militärflugzeuge Flügel mit variabler Pfeilung?

Es gibt sicherlich Kompromisse, aber die vertikale Oberfläche ist immer noch ein effektiveres Mittel, um Stabilität zu gewährleisten. Die Auswirkung von 1 Grad Gier auf gepfeilte Flügel ist geringer als die Kraft, die vom hinteren Rumpf (und dem vertikalen Stabilisator) erzeugt wird, der effektiv einen Anstellwinkel von 1 Grad hat. Natürlich verlassen sich fliegende Flügel in erster Linie auf diesen unterschiedlichen Luftwiderstand für die Stabilität, aber sie verwenden Dinge wie Clamshell-Bremsen, um den notwendigen Luftwiderstand für zusätzliche Stabilität und Kontrolle zu erzeugen.

Mehr Sweep ist besser für die Geschwindigkeit, aber nicht so gut, wenn Sie langsamer fahren möchten. Der Sweep wird also die Leistung bei niedriger Geschwindigkeit einschränken, und die Stabilitätsverbesserung wird auch geringer sein, wenn die Fluggeschwindigkeit abnimmt.