Warum verwenden einige Militärflugzeuge Flügel mit variabler Pfeilung?

Indem Sie den Flügel nach hinten schwenken, lassen Sie die Luft im Wesentlichen ein anderes Tragflächenprofil „sehen“.

Sehen Sie sich diese beiden Diagramme an:

Wenn die Luft auf den Flügel trifft, bewegt sie sich mit$V$. Dieses 'gesehene' Tragflächenprofil ist viel dünner als$V1$(die senkrecht zur Vorderkante steht). Da das Flugzeug weniger Druck erfährt, erfährt das Flugzeug weniger Luftwiderstand. Allerdings verringert sich dadurch auch die Luftgeschwindigkeit. Dies ist gut, wenn Sie Dinge wie Stoßwellen verzögern möchten, wenn die Luft in Überschallrichtung übergeht, da eine stärkere Verteilung der Kraft diesen Effekt und die damit einhergehende Strömungstrennung verzögert.

Leider hätte es trotz aller Vorteile eine sehr hohe Landegeschwindigkeit. Die Flügel werden also nach vorne gepfeilt, das Flugzeug hat eine effektivere Tragfläche für niedrigere Geschwindigkeiten und die minimale Fluggeschwindigkeit verringert sich entsprechend. Es gibt jetzt mehr Widerstand, aber auch mehr Auftrieb, den Sie für die langsamere Geschwindigkeit benötigen.

Wikipedia drückt dies schön in nicht allzu komplexen Begriffen aus:

Wenn wir beginnen würden, den Flügel seitwärts (in Spannweitenrichtung) zu schieben, würde die seitliche Bewegung des Flügels relativ zur Luft zu dem zuvor senkrechten Luftstrom hinzugefügt, was zu einem Luftstrom über den Flügel in einem Winkel zur Vorderkante führen würde. Dieser Winkel führt dazu, dass der Luftstrom eine größere Entfernung von der Vorderkante zur Hinterkante zurücklegt und somit der Luftdruck über eine größere Entfernung verteilt (und folglich an einem bestimmten Punkt auf der Oberfläche verringert wird).

Dieses Szenario ist identisch mit dem Luftstrom, den ein gepfeilter Flügel erfährt, wenn er sich durch die Luft bewegt. Der Luftstrom über einem überstrichenen Flügel trifft den Flügel in einem Winkel. Dieser Winkel kann in zwei Vektoren zerlegt werden, einen senkrecht zum Flügel und einen parallel zum Flügel. Die Strömung parallel zum Flügel hat darauf keinen Einfluss, und da der senkrechte Vektor kürzer (dh langsamer) als die tatsächliche Luftströmung ist, übt er folglich weniger Druck auf den Flügel aus. Mit anderen Worten, der Flügel erfährt einen Luftstrom, der langsamer ist – und bei niedrigerem Druck – als die tatsächliche Geschwindigkeit des Flugzeugs. Einer der Faktoren, die bei der Konstruktion eines Hochgeschwindigkeitsflügels berücksichtigt werden müssen, ist die Kompressibilität, das ist der Effekt, der auf einen Flügel wirkt, wenn er sich nähert und die Schallgeschwindigkeit durchläuft. Die erheblichen negativen Auswirkungen der Kompressibilität machten sie zu einem Hauptthema bei Luftfahrtingenieuren. Die Sweep-Theorie hilft, die Auswirkungen der Kompressibilität in Überschall- und Überschallflugzeugen aufgrund der reduzierten Drücke zu mildern. Dadurch kann die Machzahl eines Flugzeugs höher sein als diejenige, die der Flügel tatsächlich erfährt.

Gibt es einen Leistungsgewinn? Kommt auf deine Definition an:

Das Fixieren von überstrichenen Flügeln würde Folgendes bedeuten:

• Die Landegeschwindigkeit könnte unannehmbar hoch sein, und damit wären lange Start- und Landebahnen erforderlich.
• Sie könnten ein schnelles und leichtes Flugzeug entwerfen. Nehmen Sie zum Beispiel den F104 Starfighter, der dünne, kurze Flügel für den gleichen Effekt hatte, sie aber nicht bewegen konnte und bei langsamen Geschwindigkeiten extrem gefährlich war.

Mit variablen Flügeln:

• Die F14 war für Trägeroperationen gedacht, bei denen Sie eine langsame Landegeschwindigkeit wünschen würden. Sonst wäre es wahrscheinlich unmöglich gewesen, ein Flugzeug so schnell fliegen zu lassen. Es wurde auch für den Langstreckenbetrieb entwickelt, wodurch das Kraftstoffgewicht erhöht wird.
• Erhöht das Gewicht und die mechanische Komplexität der Flugzeugzelle, was die Wartungskosten und den Kraftstoffverbrauch erhöht.

Wenn ich es richtig verstehe, verlassen sich Flugzeuge heute mehr auf Systeme wie Hochauftriebsvorrichtungen wie zum Beispiel Vorflügel und Landeklappen.

Swing Wings kombinieren den hohen Sweep-Winkel, der für Mach 2+-Flüge hilfreich ist, mit erträglichen Handhabungseigenschaften bei niedriger Geschwindigkeit. Sie wurden benötigt, um die Anforderungen an Militärflugzeuge zu erfüllen, die in Ausschreibungen gefordert wurden, bevor die Planer Ende der sechziger Jahre erkannten, dass keine hohe Geschwindigkeit erforderlich war .

Beim Fliegen mit Überschallgeschwindigkeit hilft es, wenn der Pfeilungswinkel der Vorderkante des Flügels höher ist als der Mach-Kegelwinkel . Da der Mach-Winkel mit dem Arkussinus der Mach-Zahl ansteigt, erfordert dies mehr als 60° Pfeilung bei Mach 2 und 70,5° bei Mach 3. Wenn der Pfeilungswinkel der Vorderkante höher ist, wird sie immer noch umströmt ähnlich der Unterschallströmung um eine gerade Vorderkante. Dies hinterlässt Effekte wie die Saugspitze nahe der Vorderkante , die verschwinden würden, sobald die Strömungskomponente senkrecht zur Vorderkante Überschall wird. Eine Unterschall-Vorderkante verringert den Luftwiderstand bei Überschallgeschwindigkeit erheblich.

Sweep trägt auch dazu bei, den Übergang in den Überschallbereich sanfter zu gestalten, indem das Widerstandsmaximum um Mach 1 gesenkt wird. Aber unterhalb von Mach 1 beginnt es, zu einer Belastung zu werden . Fegen

• reduziert den maximalen Auftrieb
• erfordert längere Start- und Landefahrten
• erzeugt unerwünschte Strömungsabrisseigenschaften

Daher wird ein um mehr als 60° gepfeilter Flügel schnell unvereinbar mit regulären militärischen Anforderungen wie kurzer Feldlänge und guten Unterschall-Handhabungseigenschaften bei hohem Anstellwinkel. Ein Schwenkflügel ist die einzige Möglichkeit, eine akzeptable Leistung bei hoher und niedriger Geschwindigkeit zu kombinieren.

Die oben aufgeführten Nachteile verschwinden unterhalb von etwa 15° bis 20° Pfeilung, aber die Längsbewegung des Druckmittelpunkts des Flügels mit Pfeilungswinkel ist bei niedrigen Pfeilungswinkeln am größten. Um diesen Längshub so gering wie möglich zu halten, liegt der Regelbereich der Schwenkwinkel meist zwischen etwa 20° und 70°.

• F-111 : 16° ​​- 72,5°, Höchstgeschwindigkeit Mach 2,5
• F-14 : 20° - 68° (im Flug), Höchstgeschwindigkeit Mach 2,34
• MiG-23 : 16° ​​- 72°, Höchstgeschwindigkeit Mach 2,32
• Su-24 : 16° ​​- 69°, Höchstgeschwindigkeit Mach 1,35
• Tu-160 : 20° - 65°, Höchstgeschwindigkeit Mach 2,05
• Panavia Tornado : 25° - 67°, Höchstgeschwindigkeit Mach 2,2
• B-1A : 15° - 67,5°, Höchstgeschwindigkeit Mach 2,22

Aber Flügelschwingen ist noch mehr:

Der Hauptvorteil für die B-1B und den Tornado (die beide die Luftverteidigung in geringer Höhe durchdringen sollten) ist die geringere Auftriebsneigung eines Pfeilflügels in Kombination mit der hohen Flächenbelastung eines Schwenkflügeldesigns. Dies führt zu viel besseren Fahreigenschaften in turbulenter Luft. Wenn das Flugzeug mit hoher Geschwindigkeit und in der Luft mit hoher Dichte in Bodennähe auf einen Aufwind trifft, ist die Auftriebszunahme massiv, wenn der Flügel nicht gepfeilt ist. Durch Kehren wird die Auftriebszunahme mit dem Kosinus des Krümmungswinkels verringert, und eine Böe, die mit dem ungepfeilten Flügel 4 g erzeugt hätte, erzeugt nur 2 g mit 60 ° Krümmung. Dieser Effekt wird durch die Änderung der Spannweite noch verstärkt, was den Ladefaktor noch weiter reduziert.

Der andere Vorteil ist die Möglichkeit, Hochauftriebsvorrichtungen am Flügel zu verwenden. Die Hinterkante kommt für die Landekonfiguration nach vorne und außen, sodass das Nickmoment der Klappen durch das Höhenruder gesteuert werden kann und mehr Luft für die Auftriebserzeugung verwendet werden kann. Hinterkantenklappen an einem Deltaflügel (was im Grunde die zurückgekehrte Konfiguration ist) funktionieren andererseits überhaupt nicht gut. Dies ist sowohl für die Landung auf einem Flugzeugträger als auch für den Start zu einer Langstrecken-Bombenmission hilfreich.

Nun, das Problem ist nicht nur der erzeugte Auftrieb, sondern auch der Luftwiderstand. Bei Hochgeschwindigkeits-Transonic und Hypersonic ist der Widerstand, der von geraden Flügeln erzeugt wird, viel größer als der Widerstand, der von gepfeilten Flügeln (oder noch besser von Deltaflügeln) erzeugt wird. Dies liegt vor allem daran, dass aufgrund des Pfeilungswinkels die effektive Machzahl senkrecht zur Vorderkante des Flügels kleiner ist als die Machzahl des Flugzeugs. Dies hilft sehr dabei, den Luftwiderstand aufgrund von Keilen zu reduzieren und somit eine sehr hohe Geschwindigkeit mit nicht zu viel Luftwiderstand und damit erforderlichem Schub aufrechtzuerhalten. So weit so gut, aber...

Deltaflügel und in geringerem Maße gepfeilte Flügel bei niedriger Geschwindigkeit stellen eine sogenannte Spannweitenströmung dar. Dies ist die Tatsache, dass die Strömung in Spannweitenrichtung von der Wurzel zur Spitze gedrückt wird. Dadurch erhöht sich der Abstand der Strömung über den Flügel und damit die Grenzschichtdicke an der Hinterkante (im Vergleich zu geraden Flügeln). Dies hat die unmittelbare Wirkung, den Strömungsabrisswinkel oder zumindest den Winkel, bei dem die erste Trennung auftritt, zu verringern. Dies reduziert auch den Auftrieb, der erzeugt wird, wenn das Flugzeug mit einem nicht vernachlässigbaren Anstellwinkel fliegt. Dies gilt insbesondere für Start und Landung, bei denen die geraden Flügel bessere Leistungen erbringen.

Das Flugzeug mit einem kleineren Anstellwinkel in der Luft zu halten bedeutet, schneller zu fliegen, und dies wird offensichtlich nicht während des Starts und der Landung angestrebt. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, variable Pfeilflügel für einige Militärflugzeuge zu verwenden, die auf kurzen Strecken starten oder landen müssen und dann eine geringere Start- und Landegeschwindigkeit benötigen.