Leiden Boxwings genauso unter induziertem Luftwiderstand wie normale Wings?

Der Kastenflügel ist nur besser, wenn man Flügel mit identischer Spannweite vergleicht. Die beiden Flügel eines Boxwings arbeiten in unterschiedlichen Treffz-Ebenen , sodass der Abwind vertikal verteilt wird. Der Unterschied im induzierten Widerstand zu einem einzelnen Flügel ist nicht groß, nur wenige Prozent. Der Reibungswiderstand ist höher (siehe unten), ebenso wie die strukturelle Masse, sodass der Boxwing mehr Auftrieb erzeugen muss. Dies macht den induzierten Widerstand eines Boxwings effektiv höher als den eines einzelnen Flügels.

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! Flügelspitzen sind nicht beteiligt und verursachen keinen induzierten Luftwiderstand. Lifterstellung ist.

Wenn Sie schnell fliegen, strömt pro Zeiteinheit viel Luftmasse am Flügel vorbei, sodass Sie die Luft nur geringfügig umlenken müssen. Ihr induzierter Widerstand ist gering. Gleiches gilt für eine große Spannweite: Es gibt mehr Luft, die abgelenkt werden kann, daher ist der induzierte Widerstand gering.

Ein Kastenflügel benötigt zwei schlanke Flügel pro Seite, die eine kleinere Sehne haben als ein einzelner Flügel mit der gleichen Fläche. Ihre Reynolds-Zahl ist also kleiner und ihr Reibungswiderstand höher. Außerdem ist der Flügelholm weniger dick und muss schwerer sein, um den gleichen Auftrieb zu tragen!

Wenn Sie die Beschränkung auf eine identische Spannweite fallen lassen, kann es sich der optimale Einzelflügel leisten, mehr Spannweite zu haben (aufgrund seiner besseren strukturellen Effizienz), und der Vorteil des Kastenflügels geht verloren. Und wenn man sich das Gesamtbild ansieht und die strukturelle Masse hinzufügt, hatte der Kastenflügel diesen Vorteil überhaupt nicht.

Ja, aber was ist mit der Synergie?

Der Synergy ist ein cleveres Design mit einigen Vorteilen, aber er kann der Physik nicht schaden. Das sind die Vorteile:

• Die Schubstütze hält die Flugzeugzelle frei von Nachlaufturbulenzen, sodass mehr Fläche in laminarer Strömung gehalten werden kann.
• Der Schubpropeller saugt die Luft aus dem Rumpfheck an und vermeidet so effektiv eine Ablösung.
• Die beiden Stummelheckausleger und -flossen bieten einen hervorragenden Schutz für den Propellerbereich am Boden.
• Das kompakte Layout hält die stabilisierende Wirkung des Propellers gering, sodass die Manövrierfähigkeit kaum leidet.
• Die Verwendung von Verbundwerkstoffen und Segelflugzellentechnologien reduziert den Reibungswiderstand.
• Der Dieselmotor verbraucht billigeres Kerosin und ist sparsamer als ein Benzinmotor.

Beachten Sie, dass ich das Kastenflügeldesign nicht erwähnt habe?

Hier sind die Nachteile:

• Der Flügelschwung in einem Propellerflugzeug sieht cool aus, erhöht aber den Luftwiderstand, da der Flügel größer sein muss, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen.
• Insgesamt hat diese Konfiguration vier Seitenleitwerke, von denen jedes seinen eigenen Interferenzwiderstand und eine kurze Sehne hat, die wiederum den Luftwiderstand gegenüber einem vergleichbaren einzelnen Seitenleitwerk erhöht.
• Das gestreckte Höhenleitwerk ist auch weniger effektiv als eine kleinere Einzelfläche mit mehr Sehne und mehr Abstand zum Schwerpunkt.
• Das kompakte Layout bietet eine geringe Nick- oder Gierdämpfung. Ich frage mich, wie die Fahreigenschaften bei böigem Wetter sind.

Ich würde erwarten, dass ein konventionelleres Layout nach dem Vorbild des fs-28 noch effizienter wäre.

Akaflieg Stuttgart fs-28 im Flug ( Bildquelle )

F: Leiden Boxwings genauso unter induziertem Luftwiderstand wie normale Wings?

A: Ja und nein.Box Wing-Flugzeuge leiden genauso unter induziertem Luftwiderstand wie jedes Flugzeug, wenn sie schwerer als Luft sind und ihre Flügel zum Fliegen verwenden. Der induzierte Luftwiderstand ist eine Funktion der endlichen Spannweitenbelastung und wird durch verschiedene Wege gemildert, um die Konstruktionseffizienz bei einer gegebenen Spannweitenbelastung zu verbessern. Daher unterscheiden sich die Höhe des Luftwiderstands und die Art und Weise, wie er erzeugt und vermieden wird, für einen Boxwing und einen Eindecker mit derselben Spannweite. Heutzutage enthält dieses Thema des induzierten Widerstands völlig andere Definitionen als das, was in wegweisenden Referenzen zu diesem Thema gelehrt wurde. Selbst wenn man über dasselbe spricht, wird das Thema Argumente aus zwei verschiedenen Lagern hören: diejenigen, die an der repräsentativen Mathematik festhalten, und diejenigen, die sich fallweise auf die nicht kartesische, nicht lehrbuchmäßige tatsächliche Physik konzentrieren . Es'

Die Aufgabe eines Flügels besteht darin, Luft effizient nach unten zu drücken und zu ziehen, während er sich vorwärts bewegt. Diese Aktion verursacht sowohl eine Newtonsche Reaktion als auch eine Bernoulli-Druckdifferenz, was zu einem Auftrieb führt.

Durch diesen Auftrieb wird als zeitabhängiges Nebenergebnis auch die nahe Luft beeinflusst. Es muss „in den absteigenden Lufttrog fallen“, den die Flügel nach unten verschoben haben.

Diese Sekundärbewegung verursacht (völlig unvermeidbare) Rotationsbewegungen in der "Nachlauf" -Zone zwischen Luft, die direkt von den Flügeln bewegt wird, und der nahe gelegenen stationären Luft, wodurch mehr Luftmasse involviert ist, als das Flugzeug benötigt, um sich zu bewegen, um den erforderlichen Auftrieb zu erhalten. (Der Impulsunterschied ist buchstäblich der induzierte Widerstand, obwohl wir ihn normalerweise auf eine Weise lehren, die mehr damit zusammenhängt, wie der induzierte Widerstand in 2-D visualisiert und berechnet wird. Andere hier veröffentlichte Antworten veranschaulichen dies in konventionellen Begriffen.)

Induzierter Luftwiderstand und Nachlaufwirbel KÖNNEN NICHT für ein Hubflügelsystem jeglicher Art eliminiert werden. Die meisten Flugzeugflügelkonstruktionen lassen jedoch etwas anderes zu, das diese Kosten für den Auftrieb mit einer endlichen Flügelspannweite erheblich erhöht: Sie lassen hohe Drücke unter dem Flügel für die Höhe des Druckunterschieds „zu nahe“ an den niedrigen Drücken über dem Flügel liegen hat sich im Flug entwickelt. Herrscht an einer Flügelspitze ein hoher Differenzdruck, bildet sich dort ein starker, tornadoartiger Wirbel.

Wenn Sie zulassen, dass sich zwischen Niederdruck und Hochdruck ein starkes Gefälle bildet , bewegt sich die Luft mit hoher Geschwindigkeit zum Niederdruck, wenn dies möglich ist. Der Luftwiderstand steigt exponentiell mit den auf die Luft ausgeübten Geschwindigkeiten, daher verwenden Designer eine Vielzahl von Ansätzen, um zu verhindern, dass dieser Ausgleich schnell erfolgt. Je langsamer dies geschieht, desto weniger kinetische Energie wird vom Flugzeug an die Luft abgegeben.

Hier haben Boxwings im Vergleich zu einem normalen Flügel eine völlig andere Art, den induzierten Widerstand zu reduzieren: Sie bauen eine Wand zwischen dem niedrigen Druck über dem Flügel und dem höheren Druck überall sonst auf. Die „Mauer“ kann höher sein als ein Winglet, weil sie oben einen Flügel hat, um den Kräften zu widerstehen, die von der Seite auf sie drücken. An diesem oberen Flügelanschluss steht die wandartige vertikale Fläche eines Boxwings ebenfalls zwischen dem höheren Druck unter dem Flügel und dem niedrigeren Druck überall sonst.

Wenn ein Konstrukteur mit dieser Idee gute Arbeit leistet (viele tun dies nicht), werden sowohl die Doppeldecker-Flügelflächen als auch die vertikalen Flächen des Boxwing-Systems die Geschwindigkeit von Gradienten-induzierten Luftströmungen mäßigen, indem sie gegen die unerwünschten Strömungen im 3-D-Raum wirken. Sie werden dabei mit größerem vertikalen Abstand effektiver.

Der einfachere und effektivere Weg, den induzierten Luftwiderstand zu verringern, besteht darin, einfach die Spannweite zu erhöhen oder das Fahrzeuggewicht zu verringern. Wenn ein Flügel länger wird, verringert sich der Teil des Auftriebs, den jede Einheit des Flügels erzeugen muss, was bedeutet, dass sie einen geringeren Druckunterschied zwischen der oberen und unteren Oberfläche haben wird. Best Practice sieht vor, diese Differenz an der Spitze zu minimieren, damit der Gradient abgeschwächt wird. Das Ergebnis ist dann, dass ein schwächerer Druckgradient und ein größerer Abstand zwischen niedrigem und hohem Druck die Ausgleichsgeschwindigkeiten niedrig halten.

Wenn ein Flugzeug jedoch schwerer oder schneller wird, wird dieser Ansatz zuerst sehr teuer und dann unmöglich. Beschränkungen der Materialfestigkeit setzen der Flügelspannweite konventioneller Flugzeuge deutliche Grenzen.

Überraschenderweise schneiden Boxwings nicht besser ab... vielleicht schlechter. Was als struktureller Vorteil erscheint, konzentriert tatsächlich nur die Biegekräfte, die von jedem Flügel erzeugt werden, in die Ecken des Kastens. Sie stark genug zu machen, wird schnell zu schwer. Daher sollte ein Kastenflügelflugzeug wie ein Doppeldecker eine kürzere Spannweite haben als ein Eindecker mit äquivalentem induziertem Widerstand. Seine Spannweiteneffizienz trägt bei Konstruktionen mit kurzer Spannweite größere Früchte als dort, wo die Spannweite erhöht werden kann.

Man könnte meinen, dieser Vorteil käme dann indirekt über die Geschwindigkeit zum Tragen. Je schneller ein Flugzeug bei einer gegebenen Spannweitenbelastung fliegt, desto geringer ist der induzierte Luftwiderstand. Tatsächlich wird der induzierte Luftwiderstand bei hohen angezeigten Fluggeschwindigkeiten zu einer kleinen Komponente des Gesamtwiderstands. Andere Aspekte von Boxwing-Designs scheinen jedoch Hochgeschwindigkeits-Boxwing-Lösungen behindert zu haben. insbesondere Stabilität; und "Interferenzwiderstand".

Bei einem Boxwing-Design gibt es einen vorderen Satz Hubflügel und einen hinteren Satz Hubflügel . Im Hochgeschwindigkeitsflug kann diese Konfiguration nicht so stabil oder so schnell auf bestimmte Bedingungen reagieren wie ein Flügel mit einem (abwärts hebenden) Leitwerk.

Als Tandem-Hubflügelanordnung ohne einen solchen Stabilisator aufgebaut, wie es für moderne Versionen typisch ist, müssen Boxwings dank des stabilisierenden Einflusses von in ihrem kombinierten Auftriebszentrum balancieren und nicht davor wie herkömmliche Flugzeuge ein Schwanz, der in die entgegengesetzte Richtung drückt. Diese Begrenzung und das Stallverhalten des Tandemflügels stellen herausfordernde, inhärente Anforderungen an Boxwing-Designs, die ihren Erfolg bei höheren Fluggeschwindigkeiten einschränken.

Wie oben erwähnt, erzeugen sie auch Interferenzwiderstand. Diese Art von Widerstand kann schwer vorherzusagen sein und wird auch häufig missverstanden. In der Praxis verringert der inhärente 3-D-Interferenzwiderstand eines Boxwing-Flugzeugdesigns den theoretischen 2-D-Vorteil der Konfiguration zum Erhalten von Vorteilen des induzierten Widerstands erheblich. Deshalb sind sie überhaupt nicht wie "normale Flügel".

Wie im ursprünglichen Beitrag erwähnt, gibt es eine neue Flugzeugkonfiguration, die oft mit einem Boxwing-Design verwechselt wird. Es ist jedoch nichts wie sie. Es wird als Box-Tail- oder Double-Boxtail-Konfiguration bezeichnet. Ich bin der Designer des Synergy-Doppelboxheckflugzeugs, das das erste derartige Flugzeug ist, das entwickelt wurde.

Diese etwas enttäuschenden Attribute der ansonsten logischen Boxwing-Konfiguration standen im Mittelpunkt der langen Entwicklungszeit von Synergy. Es war mein Wunsch, eine hohe Spannweiteneffizienz und laminare Strömung in einem Hochgeschwindigkeitsflugzeugdesign zu nutzen und gleichzeitig Hochgeschwindigkeitslandungen und unvorhersehbares, instabiles Verhalten bei niedrigen Geschwindigkeiten zu vermeiden. Ein Video eines Modells im Maßstab 25 % im Flug und eine grundlegende Übersicht finden Sie unter synergyaircraft.com . Dort ist auch ein Beitrag zum Thema Boxwings zu finden.

Für weitere Informationen über Spannweiteneffizienz und nicht planare Konfigurationen hat Ilan Kroo sehr gründliche Übersichten zu diesem Thema veröffentlicht. Die folgende Grafik ist einer angepasst, die in seinen Papieren erscheint. Es zeigt, wie der induzierte Luftwiderstand im 3D-Raum bekämpft werden kann, indem man sich von einem flachen, planaren Flügel in die vertikale Dimension bewegt. Synergy baut dieses Verständnis weiter in die Längs- und Zeitdimensionen ein, in Übereinstimmung mit den Konzepten, die zuerst von George C. Greene während seiner Zeit bei der NASA Langley entwickelt wurden.

Sie sind nicht frei von induziertem Widerstand, aber der induzierte Widerstand ist stark verringert, wie in Prandtls NACA-Papier von 1924 gezeigt und in diesem Buch beschrieben (siehe Kapitel 11).

Die Autoren dieses Buches wendeten die Ergebnisse auf die Konstruktion dieses Flugzeugs an

Der Hauptgrund für den induzierten Widerstand ist, dass der Flügel die Luft über und unter ihm nach unten beschleunigt, wodurch seine kinetische Energie erhöht wird, und aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes muss er diese Energie irgendwohin bringen, und der einzige Weg besteht darin, negative Arbeit an der zu leisten Flugzeug, dh induzierenden Luftwiderstand.

Die pro Zeiteinheit beschleunigte Luftmenge ist proportional zur Spannweite und Geschwindigkeit des Flugzeugs. Das Anwenden der gleichen Kraft auf mehr Luft beschleunigt sie auf eine niedrigere Geschwindigkeit, und da die kinetische Energie proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, wird weniger Luftwiderstand induziert. Aus diesem Grund sind Flügel mit hoher Streckung (lange Spannweite) effizienter und der induzierte Luftwiderstand nimmt mit der Geschwindigkeit ab.

Die Flügelspitzenwirbel sind einfach Grenzen dieses Bereichs der absteigenden Luft. Und da Sie keinen Auftrieb erzeugen können, ohne Luft nach unten zu beschleunigen (nach dem Gesetz von Aktion und Reaktion), ist dieser induzierte Widerstand das Wichtigste, und jeder Flügel mit endlicher Spannweite wird ihn induzieren. Und es wird nur vom erzeugten Auftrieb, der Spannweite und der Geschwindigkeit abhängen und sonst nichts .

Siehe auch Wie es fliegt, Abschnitt 3.13 (die Abbildung stammt von dort).

Jetzt gibt es einen zusätzlichen induzierten Widerstand, der durch Luft mit höherem Druck verursacht wird, die um die Flügelspitze strömt, was nicht zum Auftrieb (oder sogar leicht negativ) beiträgt, aber zum Luftwiderstand beiträgt. Es sind vielleicht niedrige zehn Prozent oder so etwas. Die mehreren Prozent, die durch verschiedene Maßnahmen eingespart werden können, sind erheblich genug, um den Aufwand zu lohnen, aber es sind immer noch mehrere Prozent. Wunder sind nicht möglich.

Der Boxwing hat übrigens noch Spitzen. Luft kann nicht zu oder zwischen den Flügeln strömen, aber sie kann von unter der unteren horizontalen Oberfläche nach über der oberen strömen. Außerdem hat der Flügel ein relativ niedriges Seitenverhältnis.

Viele gute Punkte zur Widerstandsreduzierung hier.

Ja, der induzierte Luftwiderstand kann mit einem Kastenflügel um einige Prozent reduziert werden, indem der Wirbel an der Flügelspitze zerstreut wird. Macht einen Unterschied von ein paar Prozent, was erheblich ist. Etwa so viel wie ein Doppeldecker.

Der WIRKLICHE überzeugende Vorteil von Boxwings ist strukturell. Wenn die Flügel an den Spitzen verbunden sind, ist es möglich und praktisch, mit weniger Material für eine bestimmte Festigkeit und Steifigkeit zu konstruieren. Die Flügel können sich gegenseitig stützen und die natürliche Resonanz des anderen dämpfen, wodurch ein gewisser Spielraum gegen Flattern und Versagen geschaffen wird.

Rick Gendreau, Designer, Halcyon-Boxwing.

Geschlossene Systeme (Box Wing ist nur eine bestimmte Art von geschlossenen Flügeln), C-Wings und Biwings sind eigentlich verwandt, was die Minimierung des induzierten Widerstands betrifft.

Wenn Sie an technischen Antworten zur Minimierung/Leistung des induzierten Widerstands von Boxwings, geschlossenen Systemen, Bi-Wing-Systemen und Multiwings interessiert sind , finden Sie alle Details in den folgenden Publikationen (auf Wunsch sende ich Ihnen die Unterlagen auch zu mailen Sie mir an die Adresse luciano.demasiATgmail.com ):

=====Artikel 1 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Dipace Antonio und Cavallaro Rauno " Minimum Induced Drag Theorems for Joined Wings, Closed Systems, and Generic Biwings: Theory ", Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, Seiten 1-36, DOI: 10.1007/s10957- 015-0849-y, ISSN:0022-3239

=====Artikel 2 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno und Dipace Antonio „ Minimum Induced Drag Theorems for Joined Wings, Closed Systems, and Generic Biwings: Applications “ Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, Seiten 1-25, Doi: 10.1007/ s10957-015-0849-y, ISSN:0022-3239

=====Artikel 3 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno " Minimum Induced Drag Theorems for Multi-Wing Systems ", 2016, 4.-8. Januar, SciTech2016, San Diego, Kalifornien, AIAA 2016-0236

=====Artikel 4 =====

Demasi Luciano, Dipace Antonio, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno „ Invariant Formulation for the Minimum Induced Drag Conditions of Nonplanar Wing Systems “, AIAA Journal, 2014,October,10,2223-2240,52, Doi:10.2514/1.J052837 Url: http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J052837

Aufrichtig,

Luciano Demasi