Warum zeigen die Hinterkanten des Tragflügels nach unten?

Sie haben Recht, die Hinterkante muss nicht nach unten zeigen. Nehmen Sie symmetrische Tragflächen – hier verläuft die Hinterkante parallel zur Tragflächensehne. Oder nehmen Sie Reflextragflächen (wie beim HQ 34 des leitwerkslosen Segelflugzeugs SB-13 ): Hier zeigt die Hinterkante tatsächlich nach oben, und trotzdem fliegt dieses Flugzeug.

Um aber mit möglichst wenig Widerstand Auftrieb zu erzeugen, hilft es, wenn die Hinterkante leicht nach unten zeigt. Warum? Denn dann steht er der gewünschten lokalen Strömung am wenigsten im Weg. Auftrieb entsteht, indem Luft nach unten beschleunigt wird . Der Flügel lenkt die darüber strömende Luft ab, und die Hinterkante sollte diesen Ablenkwinkel widerspiegeln.

Aber - wie immer - zu viel ist nicht gut: Das Eppler 417-Profil des SB-7-Segelflugzeugs war ein extremes Layout mit zu viel hinterer Wölbung . Angeblich konnten Piloten nach der Landung noch Regentropfen in der Nähe der Hinterkante abwischen, wenn sie eine Stunde zuvor einen Schauer überquert hatten. Dies bedeutet, dass sich der Luftstrom weit vor der Hinterkante auf der oberen Fläche ablöste und die Regentropfen nicht in dem abgelösten Strom weggeblasen würden. Die Strömungsablösung erhöht den Luftwiderstand, und dieser Effekt zeigt, dass die Form des Eppler 417 an der Hinterkante zu stark nach unten gewölbt war.

Wenn das Flugzeug groß und schwer ist, kann die hintere Wölbung des Flügels höher sein – ein Extremfall ist unten gezeigt. Dies ist ein frühes überkritisches Tragflügelprofil, das von McDonnell-Douglas entworfen wurde, und der stark gewölbte hintere Teil ermöglicht die Integration sehr effektiver Fowler- Klappen . Klappen helfen, weil sie es ermöglichen, die Richtung zu ändern, in die die Hinterkante zeigt: Niedrige Auftriebsbeiwerte erfordern keinen Klappenausschlag oder sogar negative Klappenwinkel in Segelflugzeugen, und je höher der Auftriebsbedarf wächst, desto mehr werden die Klappen ausgefahren und zeigen immer mehr nach unten.

Gleiches gilt für Ruder: Je nach gewünschter Auftriebsänderung zeigt ihre Hinterkante nach oben oder unten. Siehe unten für ein Beispiel, wo ich die Druckverteilung für drei Klappenausschläge in einem Diagramm aufgetragen habe. Oberer und unterer Oberflächendruck werden durch farbcodierte Linien angezeigt, und untere Linien gehören zur unteren Oberfläche. Gestrichelte Linien zeigen den reibungsfreien Druck und durchgezogene Linien die Druckverteilung mit hinzugefügten Reibungseffekten. Je weiter zwei gleichfarbige Linien voneinander entfernt sind, desto mehr Auftrieb entsteht. Beachten Sie das Konturdiagramm unten, das dem Farbschema der Druckdiagramme folgt.

Wenn es Schlitze gibt, um die Strömung wieder anzuregen, sind extreme Hinterkantenwinkel möglich und helfen, viel Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit zu erzeugen, was Flugzeugen hilft, in kleine Flugplätze zu gelangen. Sehen Sie unten die dreifach geschlitzten Landeklappen der Boeing 727 , die für den Regionalverkehr von und zu kleinen Flughäfen konzipiert wurde.

In dieser Frage werden verschiedene Möglichkeiten erörtert, um zu erklären, warum Flügel Auftrieb erzeugen. Die Newton-Erklärung (Flügel gehen nach oben, indem der Wind nach unten gedrückt wird) kann erklären, warum eine Flügelhinterkante nach unten zeigt. Dies erhöht den Winkel, in dem die Luft nach unten geleitet wird, und erhöht somit den Auftrieb.

Down-Wash erhöht den Widerstand und Down-Wash ist auf die Richtung der Luft zurückzuführen, die nach unten zeigt. Wenn die Hinterkante horizontal ist (oder vielleicht nach oben zeigt), können sie weniger Downwash erzeugen und die Kutta-Bedingung kann immer noch erfüllt werden.

Es gibt einen sehr wichtigen Grund, warum wir nicht versuchen wollen, die Menge des von den Flügeln erzeugten Abwinds zu verringern: Die Menge des Abwinds ist gleich der Menge des Auftriebs!

Ein Flugzeug im Geradeausflug muss einen Abwind erzeugen, der seinem Eigengewicht entspricht. Wenn es weniger Abwind erzeugt, wird es fallen. Es führt kein Weg daran vorbei.

In welche Richtung die Hinterkante "zeigt" hängt mit dem Anstellwinkel während des Fluges zusammen, nicht so, wie jemand willkürlich ein Schnittbild gezeichnet haben könnte.

Wenn Sie jemals ein Flugzeug gesehen haben, das auf dem Kopf steht (relativ zum Luftstrom), zeigt die Hinterkante trotz des umgekehrten Flügels immer noch nach unten.

Er zeigt immer nach unten, weil nur so der nötige Auftrieb erzeugt werden kann, um dem Gewicht des Flugzeugs entgegenzuwirken. Selbst wenn Sie Ihre eigene Hinterkante erfunden haben, die zur Seite oder nach oben zeigt, muss der Luftstrom selbst nach diesem Hindernis, das Sie dort platziert haben, immer noch "nach unten gehen", wenn das Fahrzeug fliegen soll.

Die Flügelformen werden normalerweise mit Navier-Stokes optimiert, um Formen zu finden, die einen Auftrieb bei geringem Luftwiderstand erzeugen - und diese Gleichungen liefern die besten Ergebnisse mit der Hinterkante nach unten.