Warum sind schwere Klappen besser als nur ein größerer Flügel?

Wenn die Klappen eingefahren sind, tun sie nichts, und das ist der springende Punkt. Das Nebenprodukt des Auftriebs ist Luftwiderstand, ein größerer Flügel erzeugt mehr Auftrieb, aber auch mehr Luftwiderstand. Mehr Luftwiderstand entspricht einer langsameren Reisegeschwindigkeit oder größeren Motoren, um den Luftwiderstand zu überwinden, zusammen mit einem höheren Kraftstoffverbrauch. Klappen lassen Flugzeuge schneller fliegen, indem sie aus dem Weg gehen.

Ihre Bedenken wegen schwerer Klappen sind wohlbegründet. Die Designer versuchen, mit so wenig Hochauftriebsmitteln davonzukommen, wie sie sich leisten können. Aber nicht weniger!

Wenn Sie den Trend über die Jahre beobachten, wurden Klappen mit jeder neuen Flugzeuggeneration komplexer , angefangen von einfachen Split-Klappen in den 1930er Jahren bis hin zu dreifach geschlitzten Klappen bei der Boeing 747 Ende der sechziger Jahre. Aber dann kehrten sich die Dinge ein wenig um. Jetzt sind doppelt geschlitzte Klappen Standard und leichtere Versionen des gleichen Typs (denken Sie an A318 gegenüber A321) kommen mit einfacheren Klappen davon .

Ein Grund ist das Flügeltankvolumen. Um den Atlantik zu überqueren, benötigte die erste Generation von Jets große Flügeltanks, die durch eine hohe Flügelfläche ermöglicht wurden . Für die gewünschten Landegeschwindigkeiten genügten einfache, einschlitzige Landeklappen. Mit dem viel geringeren Kraftstoffverbrauch von High-Bypass-Triebwerken können wir uns jetzt kleinere Flügel mit weniger Sehnen leisten, aber jetzt müssen die Klappen den Flächenverlust ausgleichen. Hochauftriebsvorrichtungen sind ein wichtiger Teil der Flugzeugentwicklungsanstrengungen, und es wird viel Arbeit darauf verwendet, die Komplexität von Landeklappen und Vorflügeln zu reduzieren. Die Krüger-Klappen mit variablem Sturz der 747 sind großartig, wurden aber bei neueren Designs nie wiederholt.

Noch einfachere Flügel wären möglich, wenn die Reiseflughöhe höher wäre. Aber es bringt nicht viel, über die Tropopause zu steigen (mit Ausnahme von strategischen Bombern, deren Entwicklung jedoch vor einem halben Jahrhundert praktisch eingestellt wurde ), sodass der installierte Schub dafür optimiert wird. Wenn Sie höher fliegen wollen, brauchen Sie größere und teurere Motoren, gewinnen aber wenig an Reiseeffizienz .

Und die Klappen nicht einzufahren, ist keine Option. Die größere Fläche bedeutet, dass Böen möglicherweise größere Lasten auf den Flügel ausüben können, und die vergrößerte Oberfläche würde mehr Reibungswiderstand verursachen. Die Reduzierung der Flügelfläche spart Kraftstoff, obwohl der Flügel schwerer wird. Obendrein wäre ein stark gewölbter Flügel für den Überschallflug völlig ungeeignet .

Klappen sind im letzten halben Jahrhundert viel dünner geworden, und das aus guten Gründen. Ja, Sie brauchen einen komplizierten Lastpfad durch die Klappenschienen und in den Hauptflügel, aber dort liegt die Steifigkeit, um große Lasten zu tragen. Das sollte nicht dupliziert werden, um die Strukturmasse gering zu halten! Die Bemühungen, die Klappenkomplexität zu reduzieren, haben zu immer dünneren Klappen geführt, und die Entwicklung von transsonischen Tragflächenprofilen mit ihrer hohen hinteren Wölbung hat es ermöglicht, auch mehr Krümmung auf die Klappen aufzubringen, was ihre Wirksamkeit verbessert. Beachten Sie, dass die Verkleidung der Klappenspuren für die Bereichsregelung verwendet wird und hilft, die transsonische Widerstandszunahme zu begrenzen.

• Der Aufstieg zum Cruisen verbrennt Kraftstoff.
• Das Hinzufügen von zusätzlichem Luftwiderstand verbrennt Kraftstoff.
• Das Hinzufügen von einziehbaren Mechanismen fügt Gewicht hinzu, das Kraftstoff verbrennt.
• Mehr Luftwiderstand, selbst bei höheren Reiseflughöhen, erfordert größere Motoren für die gleiche Reisegeschwindigkeit. Größere Motoren verbrennen mehr Kraftstoff (trotz Steigerungen der Kraftstoffeffizienz moderner Motoren).
• Das Einfahren von Geräten mit hohem Auftrieb und hohem Luftwiderstand reduziert den Kraftstoffverbrauch (obwohl sie Gewicht hinzufügen und somit Luftwiderstand verursachen, der Kraftstoff verbrennt).
• Das Mitführen des Kraftstoffs, der zum Mitführen dieses zusätzlichen Kraftstoffs erforderlich ist, verbrennt Kraftstoff (mehrere Fragen dazu, ich lade Sie ein, nachzusehen, wie viel es kostet).
• Eine erhöhte Kraftstoffkapazität verringert die Kapazität für zahlende Fracht (sowohl verpackt als auch selbstladend).

Wie bei allem anderen im Flugzeugdesign gibt es einen Kompromiss zwischen dem permanenten Auftrieb / Luftwiderstand eines Hochauftriebsflügels und dem Gewicht / der Komplexität einziehbarer Hochauftriebsvorrichtungen an einem ansonsten niedrigen Auftriebsflügel.

Die Konstrukteure haben entschieden, dass die Reduzierung der Treibstofflast im Flügel und das zusätzliche Gewicht und die Komplexität einziehbarer Klappen und Vorflügel zur Erzeugung des Auftriebs, der für sichere und vernünftige Start- und Landegeschwindigkeiten und Landebahnlängen erforderlich ist, eine bessere Wahl ist als das Hinzufügen von zusätzlichem Auftrieb und Luftwiderstand , aber zusätzliche Kraftstoffkapazität, indem ein Flügel mit höherem Auftrieb entworfen wird.

Der Fragesteller scheint bemerkt zu haben, dass der Basisflügel mit eingefahrenen Klappen ein hohes Verhältnis von L/D (oder Cl/Cd) liefert. Wobei L den Auftrieb bezeichnet, Cl den Auftriebskoeffizienten bezeichnet, D den Luftwiderstand bezeichnet usw.

Wir können den einfachen Flügel ohne Schlag auf jeden Fall vergrößern, um eine so niedrige Landegeschwindigkeit zu erreichen, wie wir möchten, obwohl die Landung aufgrund des flachen Gleitpfads schwierig sein wird. Klappen helfen bei der Landung, indem sie sowohl den Luftwiderstandsbeiwert als auch den Auftriebsbeiwert erhöhen und den Gleitweg steiler machen.

Das Hauptproblem bei diesem Ansatz besteht darin, dass wir für den Reiseflug nicht nur ein hohes L/D-Verhältnis erreichen möchten, sondern es auch bei einer hohen Fluggeschwindigkeit erreichen möchten. Der Auftrieb ist proportional zum Auftriebskoeffizienten multipliziert mit der Fluggeschwindigkeit im Quadrat, und im Reiseflug kann der Auftrieb nicht größer als das Gewicht sein. Wenn der Flügel zu groß ist, wird er so optimiert, dass er sein maximales L/D-Verhältnis bei einer viel niedrigeren Fluggeschwindigkeit liefert, als wir es wünschen. In einem solchen Fall würde der Flügel bei unserer beabsichtigten Reisegeschwindigkeit, wenn wir den Anstellwinkel auf den maximalen L / D-Anstellwinkel erhöhen würden, viel zu viel Auftrieb erzeugen, und wir würden in die Höhe schlagen Beginn einer Schleife. Um die Flugbahn eben zu halten, müssten wir auf einen Anstellwinkel weit rechts vom maximalen L/D-Verhältnis trimmen, wie auf der Polarkurve des L/D-Verhältnisses gegenüber der Fluggeschwindigkeit dargestellt. Mit anderen Worten, wir müssten auf einen Anstellwinkel trimmen, der viel niedriger ist als der Anstellwinkel, der das maximale L/D-Verhältnis liefert. Wir würden am Ende mehr Luftwiderstand haben, als wir hätten, wenn der Flügel kleiner wäre.

Die Situation ist der eines Segelfliegers nicht unähnlich, der einen flachen Gleitflug bei hoher Fluggeschwindigkeit erreichen möchte . Das Segelflugzeug erreicht bei dieser hohen Fluggeschwindigkeit bei hoher Flächenbelastung eine geringere Sinkrate und ein besseres Gleitverhältnis als bei geringer Flächenbelastung, da der Flügel mit dem Anstellwinkel betrieben werden kann, der das beste L/D ergibt Verhältnis, anstatt bei einem viel niedrigeren Anstellwinkel. Es wird also Wasserballast mitgeführt.

Beim Motorflug sind die Gleichungen etwas anders, und das einfache Hinzufügen von Gewicht zum Flugzeug verbessert niemals die Reiseleistung bei hoher Geschwindigkeit. Aber wenn der Flügel so ausgelegt wäre, dass er groß genug ist, um eine akzeptabel niedrige Landegeschwindigkeit ohne Verwendung von Landeklappen zu erreichen, dann würde eine Verkleinerung dieses Flügels auf eine kleinere Größe sicherlich die Reiseleistung bei hoher Geschwindigkeit verbessern. Und deshalb lohnt es sich, das Gewicht und das Innenvolumen eines komplizierten Klappensystems mit sich herumzutragen – weil wir den Flügel kleiner machen können, sodass er beim Einfahren der Klappen optimiert ist, um sein maximales L/D-Verhältnis bei einer hohen Fluggeschwindigkeit zu liefern .

Der grundlegende Schub dieser Antwort bleibt gleich, unabhängig davon, ob wir versuchen, eine niedrige Landegeschwindigkeit zu erreichen, indem wir den Flügel in allen Dimensionen vergrößern oder nur die Sehne erhöhen. Im Allgemeinen ist ein hohes Spitzen-L/D-Verhältnis mit einem hohen Seitenverhältnis und daher einer kleinen Flügelsehne verbunden. Wenn wir jedoch im Reiseflug wissen, dass wir unseren vergrößerten Flügel mit einer Fluggeschwindigkeit fliegen müssen, die viel höher als seine maximale L / D-Fluggeschwindigkeit ist, ist es möglich, dass wir bei dieser hohen Fluggeschwindigkeit ein besseres L / D-Verhältnis habenWenn wir den Flügel allein durch Erweitern des Akkords vergrößert haben, als durch Erweitern aller Dimensionen. Weil die Kurve von L/D über der Fluggeschwindigkeit bei dem niedrigeren Seitenverhältnis weniger "spitzig" sein kann als bei dem höheren Seitenverhältnis. Aber die bessere Lösung ist, die hohe Streckung beizubehalten und den Flügel klein genug zu halten, damit er tatsächlich mit seinem maximalen L/D-Verhältnis bei der beabsichtigten Reisegeschwindigkeit geflogen werden kann . Dann "skalieren" wir den Flügel für die Landung, indem wir die Landeklappen ausfahren.

Natürlich bewirkt das Ausfahren der Landeklappen viel mehr als nur das „Aufskalieren“ des Flügels. Bei voller Ausdehnung ist es das Ziel des Konstrukteurs, die Strömungsabrissgeschwindigkeit zu minimieren, daher ist die Maximierung des Auftriebskoeffizienten die Priorität. Es steht ihm frei, eine Konfiguration zu wählen, die den Auftriebskoeffizienten maximiert, ohne sich darum zu kümmern, den Luftwiderstandsbeiwert zu minimieren, um das L/D-Verhältnis zu maximieren. Wie oben erwähnt, ist eine Erhöhung des Luftwiderstands während des Endanflugs tatsächlich hilfreich – es ist einfacher, das Flugzeug zur beabsichtigten Aufsetzzone zu führen, wenn der Gleitpfad beim Abschalten nicht zu flach ist. (Und nein, trotz des Vorschlags des Fragestellers können wir den zusätzlichen Luftwiderstand, der durch die ausgefahrenen Klappen im Reiseflug entsteht, nicht einfach durch „Schließen der Schlitze“ eliminieren.) Die Klappen sind ausschließlich darauf ausgelegt, den Auftriebskoeffizienten des Flügels so hoch wie möglich zu machen während das Profil des sauberen Flügels so konstruiert ist, dass das Verhältnis von L/D oder Cl/Cd optimiert wird. Um die gleiche niedrige Strömungsabrissgeschwindigkeit einfach durch Vergrößern des Flügels ohne Klappen zu erreichen – entweder in Sehnenrichtung oder in allen Dimensionen – würde daher eine viel größere Vergrößerung der Flügelfläche erforderlich sein als die Fläche, die tatsächlich durch die ausgefahrenen Klappen hinzugefügt wird.

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