Warum/wann ist die stumpfe Nase besser?

Bei Unterschallströmung kann die Luft auf das sich nähernde Fahrzeug reagieren, da sich das Druckfeld um sie herum auch nach vorne ausdehnt. Dies bedeutet, dass ein Saugbereich auf einer Seite des Rumpfes oder der Tragfläche bereits beginnt, Moleküle anzuziehen, bevor sie das Fahrzeug selbst erreichen, das diesen Sog verursacht. Eine runde Nase ermöglicht es, dass die Strömung aus einer Reihe von Winkeln kommt, ohne zu viel Luftwiderstand zu erzeugen. Der Staupunkt lässt sich aerodynamisch problemlos verschieben.

Bei Überschallströmung hat die Luft keinen Hinweis auf das sich nähernde Fahrzeug. Der erste Kontakt verursacht eine plötzliche Richtungsänderung, die als Schock bezeichnet wird. Zur Reduzierung des Luftwiderstands ist es wichtig, den Stoß so schwach wie möglich zu machen, was bedeutet, dass die Richtungsänderung so gering wie möglich sein sollte. Dies lässt sich am besten durch eine schlanke, spitze Spitze erreichen.

Beachten Sie die nach unten gerichtete Position des Einlasskegels der SR-71-Triebwerksgondel im Bild unten: Sie ist so abgewinkelt, dass der Kegel bei Mach 3,2 symmetrisch zur entgegenkommenden Strömung ist (was Ihnen einen ziemlich guten Hinweis auf den Anstellwinkel von gibt das ganze Flugzeug).

SR-71 beim Start ( Bildquelle ). Der Kegel ist nicht nur nach unten geneigt, sondern auch nach innen geneigt, weil die Strömung im Überschallflug durch das Flugzeugvorderteil seitlich gedrückt wird.

Bei Überschallströmung (Mach > 5) könnte wiederum eine stumpfe Nase vorzuziehen sein, wenn die Materialien der Nase eine Obergrenze für die aerodynamische Erwärmung setzen. Eine spitze Spitze erzeugt einen anhaftenden Schock, der die Spitze auf etwas nahe der Stagnationstemperatur der Strömung erwärmt. Eine stumpfe Nase verursacht jedoch einen abgetrennten Schlag. Dies erzeugt insgesamt mehr Luftwiderstand und eine höhere Wärmemenge, ermöglicht es jedoch, diese Wärme über eine größere Fläche zu verteilen und das meiste davon in die Luft zu leiten, wodurch geringere Spitzenlasten erzeugt werden . Das Space Shuttle hatte eine so stumpfe Nase, da die Minimierung des Luftwiderstands für ein Wiedereintrittsfahrzeug keine Priorität hat.

Flugzeugdesign ist voller Kompromisse. Bei der Konstruktion der Flugzeugnase ist der Hauptfaktor die Reduzierung des Luftwiderstands. Wie Sie selbst bemerkt haben, liegt der Hauptunterschied im Strömungsregime, dh Unterschall und Überschall. Es gibt verschiedene Arten von Luftwiderstand – Hautwiderstand (oder Reibungswiderstand), Formwiderstand und Wellenwiderstand (der erst bei Überschallgeschwindigkeit wichtig wird.

Bei Unterschallströmung sind die Hauptwiderstandskomponenten die erste Zweihautreibung und der Formwiderstand. Wenn wir hier den Rumpf als Zylinder mit der Nase vorne betrachten (was eine ziemlich gute Annäherung ist), ergibt die stumpfe Nasenkonfiguration einen geringeren Luftwiderstandsbeiwert (dimensionsloser Luftwiderstand) im Vergleich zu der konischen oder spitzen Nase. Dies bedeutet, dass bei sonst gleichen Bedingungen die stumpfe Nase im Unterschallstrom einen geringeren Luftwiderstand hat als die scharfen. Insbesondere die stumpfe Nase hat im Vergleich zu den scharfen, langen Nasen eine geringere Oberfläche und damit einen geringeren Hautreibungswiderstand.

Bild aus Fluid Dynamic Drag von Hoerner

Aus der obigen Abbildung können Sie sehen, dass die stumpfe Nase im Vergleich zu einer scharfen Nase in Bezug auf den Luftwiderstand tatsächlich besser ist.

Bild aus Fluid Dynamic Drag von Hoerner

Wenn das Flugzeug jedoch in eine Überschallströmung übergeht, wird das Hauptanliegen zum Wellenwiderstand. Hier hält die scharfe Nase die Stoßwelle vom Flugzeug fern.

Bild von wotzup.com

Eine andere Sache ist, dass sich in einem scharfen Abschnitt die Querschnittsfläche allmählich ändert, was dazu beiträgt, eine lokale Beschleunigung zu verhindern (die zu lokalen Schallbedingungen führen kann). Dies ist der Grund, warum Sie sehen, dass Flugzeuge, die über den größten Teil ihres Flugregimes Unterschall fliegen, stumpfe Nasen haben, während diejenigen, die über den größten Teil ihrer Flugbahn Überschall fliegen, scharfe Nasen haben.

Natürlich gibt es noch weitere Punkte zu beachten:

• Die Herstellungskosten der scharfen Nase sind normalerweise höher als bei einer stumpfen Nase (hat zum Beispiel mehr Fläche).

• Eine lange, scharfe Nase beeinträchtigt die Sicht während der Landung (Concorde hatte aus diesem Grund eine herabhängende Nase). Auch das Parken in Flughafenrampen wird schwierig sein.

• Eine scharfe Nase hat ein geringeres Volumen (z. B. für die Montage eines Radars). Infolgedessen haben die meisten Überschallflugzeuge tatsächlich einen leicht modifizierten Nasenabschnitt (z. B. elliptisch oder oogival), insbesondere Kampfflugzeuge.

Bild von spaceflightsystems.grc.nasa.gov

Wie man sieht, hat ein elliptischer Abschnitt mit gleichem Basisdurchmesser und gleicher Höhe das doppelte Volumen eines konischen. In einigen Fällen, in denen das Bugfahrwerk in die Nase einfährt (wie beim A350), ist dies wichtig.