Auf das Flugzeug einwirkende Kräfte - Forces Acting on the Aircraft

Schub, Luftwiderstand, Auftrieb und Gewicht sind Kräfte, die auf alle Flugzeuge im Flug einwirken. Zu verstehen, wie diese Kräfte funktionieren, und zu wissen, wie man sie mit Kraft und Flugsteuerung kontrolliert, ist für den Flug unerlässlich. Dieses Kapitel behandelt die Aerodynamik des Fluges – wie Design, Gewicht, Belastungsfaktoren und Schwerkraft ein Flugzeug während Flugmanövern beeinflussen. 

Die vier Kräfte, die auf ein Flugzeug im geraden, unbeschleunigten Flug einwirken, sind Schub, Luftwiderstand, Auftrieb und Gewicht. Sie sind wie folgt definiert:  

Schub – die vom Triebwerk/Propeller oder Rotor erzeugte Vorwärtskraft. Es wirkt der Widerstandskraft entgegen oder überwindet sie. Sie wirkt in der Regel parallel zur Längsachse. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, wie später erläutert wird.  

Luftwiderstand – eine nach hinten gerichtete, bremsende Kraft, die durch eine Unterbrechung des Luftstroms durch die Tragfläche, den Rotor, den Rumpf und andere hervorstehende Objekte verursacht wird. In der Regel wirkt der Luftwiderstand dem Schub entgegen und wirkt parallel zum relativen Wind nach hinten.

Auftrieb – ist eine Kraft, die durch die dynamische Wirkung der auf das Tragflächenprofil einwirkenden Luft erzeugt wird und senkrecht zur Flugbahn durch das Auftriebszentrum (CL) und senkrecht zur Querachse wirkt. Im Horizontalflug wirkt der Auftrieb der nach unten gerichteten Gewichtskraft entgegen.  

Gewicht – die kombinierte Ladung des Flugzeugs selbst, der Besatzung, des Treibstoffs und der Fracht oder des Gepäcks. Gewicht ist eine Kraft, die das Flugzeug aufgrund der Schwerkraft nach unten zieht. Es wirkt dem Auftrieb entgegen und wirkt vertikal nach unten durch den Schwerpunkt (CG) des Flugzeugs.

Im stationären Flug ist die Summe dieser gegensätzlichen Kräfte immer Null. Es kann keine unausgeglichenen Kräfte in einem stetigen, geraden Flug geben, basierend auf Newtons drittem Gesetz, das besagt, dass es für jede Aktion oder Kraft eine gleiche, aber entgegengesetzte Reaktion oder Kraft gibt. Dies gilt sowohl beim Horizontalflug als auch beim Steigen oder Sinken.  

Das bedeutet nicht, dass die vier Kräfte gleich sind. Dies bedeutet, dass die entgegengesetzten Kräfte gleich sind und sich dadurch gegenseitig aufheben, die Kraftvektoren von Schub, Widerstand, Auftrieb und Gewicht scheinen den gleichen Wert zu haben. Die übliche Erklärung besagt (ohne festzulegen, dass Schub und Luftwiderstand nicht gleich Gewicht und Auftrieb sind), dass Schub gleich Luftwiderstand und Auftrieb gleich Gewicht ist. Obwohl diese Aussage wahr ist, kann sie irreführend sein. Es versteht sich, dass bei einem geraden, waagerechten, unbeschleunigten Flug die entgegengesetzten Auftriebs-/Gewichtskräfte gleich sind. Sie sind auch größer als die entgegengesetzten Schub-/Widerstandskräfte, die nur einander gleich sind. Also im Dauerflug: 

Die Summe aller nach oben gerichteten Kräftekomponenten (nicht nur Auftrieb) ist gleich der Summe aller nach unten gerichteten Kräftekomponenten (nicht nur Gewicht).

Die Summe aller Vorwärtskomponenten von Kräften (nicht nur Schub) ist gleich der Summe aller Rückwärtskomponenten von Kräften (nicht nur Widerstand). 

Diese Verfeinerung des alten „Schub ist gleich Luftwiderstand; Auftrieb ist gleich Gewicht“-Formel erklärt, dass ein Teil des Schubes Gewicht Auftrieb im Steigflug und im langsamen Flug nach oben geleitet wird und so wirkt, als ob es Auftrieb wäre, während ein Teil des Gewichts entgegen der Flugrichtung nach hinten gerichtet ist und so wirkt, als ob es Widerstand wäre. Im Langsamflug hat der Schub eine Aufwärtskomponente. Da sich das Flugzeug jedoch im Horizontalflug befindet, trägt das Gewicht nicht zum Luftwiderstand bei.

Beim Gleitflug wird ein Teil des Gewichtsvektors entlang der Vorwärtsflugbahn gelenkt und wirkt daher als Schub. Mit anderen Worten, jedes Mal, wenn die Flugbahn des Flugzeugs nicht horizontal ist, müssen Auftriebs-, Gewichts-, Schub- und Luftwiderstandsvektoren jeweils in zwei Komponenten zerlegt werden.  

Ein weiteres wichtiges Konzept ist der Anstellwinkel (Angle of Attack, AOA). Seit den Anfängen des Fliegens ist AOA von grundlegender Bedeutung für das Verständnis vieler Aspekte der Flugzeugleistung, -stabilität und -kontrolle. Der AOA ist definiert als der spitze Winkel zwischen der Sehnenlinie des Flügelprofils und der Richtung des relativen Windes.

In luftfahrttechnischen Texten/Handbüchern/Handbüchern wird häufig auf die Erörterung der vorangehenden Konzepte verzichtet. Der Grund ist nicht, dass sie belanglos sind, sondern weil die Hauptideen in Bezug auf die aerodynamischen Kräfte, die auf ein Flugzeug im Flug einwirken, in ihren wesentlichsten Elementen dargestellt werden können, ohne in die technischen Einzelheiten des Aerodynamikers verwickelt zu werden. In der Tat, wenn man nur den Horizontalflug und normale Steigflüge und Gleitfahrten in einem stationären Zustand betrachtet, ist es immer noch wahr, dass der vom Flügel oder Rotor bereitgestellte Auftrieb die primäre Aufwärtskraft und das Gewicht die primäre Abwärtskraft ist.  

Durch die Nutzung der aerodynamischen Kräfte von Schub, Luftwiderstand, Auftrieb und Gewicht können Piloten einen kontrollierten, sicheren Flug fliegen. Eine ausführlichere Diskussion dieser Kräfte folgt.

Schub 

Damit sich ein Flugzeug in Bewegung setzt, muss Schub ausgeübt werden und größer sein als der Luftwiderstand. Das Flugzeug bewegt sich weiter und gewinnt an Geschwindigkeit, bis Schub und Luftwiderstand gleich sind. Um eine konstante Fluggeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, müssen Schub und Widerstand gleich bleiben, ebenso wie Auftrieb und Gewicht gleich sein müssen, um eine konstante Höhe aufrechtzuerhalten. Wenn im Horizontalflug die Triebwerksleistung reduziert wird, wird der Schub verringert und das Flugzeug wird langsamer. Solange der Schub geringer als der Luftwiderstand ist, verzögert das Flugzeug weiter. Bis zu einem gewissen Punkt nimmt auch die Luftwiderstandskraft ab, wenn das Flugzeug langsamer wird. Das Flugzeug verlangsamt sich weiter, bis der Schub wieder dem Luftwiderstand entspricht, an welchem ​​Punkt sich die Fluggeschwindigkeit stabilisiert.

Wenn die Motorleistung erhöht wird, wird der Schub ebenfalls größer als der Luftwiderstand und die Fluggeschwindigkeit nimmt zu. Solange der Schub größer als der Widerstand ist, beschleunigt das Flugzeug weiter. Wenn der Luftwiderstand dem Schub entspricht, fliegt das Flugzeug mit einer konstanten Fluggeschwindigkeit.

Ein gerader Flug kann in einem weiten Bereich von Geschwindigkeiten aufrechterhalten werden. Der Pilot koordiniert AOA und Schub in allen Geschwindigkeitsbereichen, wenn das Flugzeug im Horizontalflug gehalten werden soll. Eine wichtige Tatsache im Zusammenhang mit dem Prinzip des Auftriebs (für eine gegebene Tragflächenform) ist, dass der Auftrieb mit dem AOA und der Fluggeschwindigkeit variiert. Daher erzeugt ein großer AOA bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten bei hohen Fluggeschwindigkeiten mit einem niedrigen AOA die gleiche Menge an Auftrieb. Die Fluggeschwindigkeitsregime können in drei Kategorien eingeteilt werden: Langsamflug, Reiseflug und Hochgeschwindigkeitsflug.

Wenn die Fluggeschwindigkeit niedrig ist, muss der AOA relativ hoch sein, wenn das Gleichgewicht zwischen Auftrieb und Gewicht aufrechterhalten werden soll. Wenn der Schub abnimmt und die Fluggeschwindigkeit abnimmt, wird der Auftrieb geringer als das Gewicht und das Flugzeug beginnt zu sinken. Um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten, kann der Pilot die AOA um einen Betrag erhöhen, der eine Auftriebskraft erzeugt, die wiederum gleich dem Gewicht des Flugzeugs ist. Während das Flugzeug langsamer fliegt, behält es immer noch einen Horizontalflug bei. Der AOA wird so eingestellt, dass der Auftrieb bei gleichem Gewicht bleibt. Die Fluggeschwindigkeit passt sich natürlich an, bis der Luftwiderstand dem Schub entspricht, und behält dann diese Fluggeschwindigkeit bei (vorausgesetzt, der Pilot versucht nicht, eine genaue Geschwindigkeit zu halten). 

Der Geradeausflug im langsamen Bereich bietet einige interessante Bedingungen bezüglich des Kräftegleichgewichts. Wenn sich das Flugzeug in einer nasenhohen Fluglage befindet, gibt es eine vertikale Schubkomponente, die hilft, es zu unterstützen. Zum einen ist die Flächenbelastung tendenziell geringer als erwartet. 

Wenn im Horizontalflug der Schub erhöht wird, beschleunigt das Flugzeug und der Auftrieb nimmt zu. Das Flugzeug beginnt zu steigen, es sei denn, der AOA wird gerade genug verringert, um das Verhältnis zwischen Auftrieb und Gewicht aufrechtzuerhalten. Der Zeitpunkt dieser Verringerung des AOA muss mit der Erhöhung des Schubs und der Fluggeschwindigkeit koordiniert werden. Andernfalls sinkt das Flugzeug, wenn der AOA zu schnell verringert wird, und wenn der AOA zu langsam verringert wird, steigt das Flugzeug. 

Da die Fluggeschwindigkeit aufgrund des Schubs variiert, muss auch der AOA variieren, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten und Horizontalflug ist sogar ein leicht negativer AOA möglich. Wenn der Schub reduziert wird und die Fluggeschwindigkeit abnimmt, muss die AOA zunehmen, um die Höhe beizubehalten. Wenn die Geschwindigkeit ausreichend abnimmt, steigt die erforderliche AOA auf die kritische AOA. Jede weitere Erhöhung des AOA führt zu einem Abwürgen des Flügels. Daher ist bei reduzierten Schubeinstellungen und niedrigen Geschwindigkeiten besondere Wachsamkeit erforderlich, um den kritischen Anstellwinkel nicht zu überschreiten. Wenn das Flugzeug mit einer AOA-Anzeige ausgestattet ist, sollte auf diese Bezug genommen werden, um die Überwachung der Nähe zum kritischen AOA zu erleichtern. 

Einige Flugzeuge haben die Fähigkeit, die Richtung des Schubs zu ändern, anstatt den AOA zu ändern. Dies geschieht entweder durch Schwenken der Motoren oder durch Lenkung der Abgase.

Aufzug  

Der Pilot kann den Auftrieb steuern. Jedes Mal, wenn der Steuerknüppel oder Steuerknüppel nach vorn oder hinten bewegt wird, ändert sich der AOA. Wenn der AOA zunimmt, nimmt der Auftrieb zu (alle anderen Faktoren sind gleich). Wenn das Flugzeug die maximale AOA erreicht, beginnt der Auftrieb schnell abzunehmen. Dies ist der Stalling AOA, bekannt als CL-MAX kritischer AOA. Untersuchen Sie die Abbildung und beachten Sie, wie der CL ansteigt, bis der kritische AOA erreicht ist, und dann bei jedem weiteren Anstieg des AOA schnell abnimmt. 

Bevor wir weiter mit dem Thema Auftrieb und wie er gesteuert werden kann, fortfahren, muss die Geschwindigkeit diskutiert werden. Die Form des Flügels oder Rotors kann nicht effektiv sein, wenn er nicht ständig neue Luft „angreift“. Wenn ein Flugzeug weiterfliegen soll, muss sich das auftriebserzeugende Profil weiter bewegen. Bei einem Helikopter oder Tragschrauber geschieht dies durch die Drehung der Rotorblätter. Bei anderen Flugzeugtypen wie Flugzeugen, Gewichtsverlagerungssteuerungen oder Segelflugzeugen muss sich Luft über die Auftriebsfläche bewegen. Dies wird durch die Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs erreicht. Der Auftrieb ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Flugzeugs. Beispielsweise hat ein Flugzeug, das mit 200 Knoten fliegt, viermal so viel Auftrieb wie das gleiche Flugzeug, das mit 100 Knoten fliegt, wenn der AOA und andere Faktoren konstant bleiben.

Die obige Auftriebsgleichung veranschaulicht dies mathematisch und unterstützt, dass eine Verdoppelung der Fluggeschwindigkeit zu einem vierfachen Auftrieb führt. Als Ergebnis kann man sehen, dass die Geschwindigkeit eine wichtige Komponente für die Erzeugung von Auftrieb ist, die selbst durch variierende AOA beeinflusst werden kann. Bei der Untersuchung der Gleichung wird der Auftrieb (L) durch die Beziehung der Luftdichte (ρ), der Flügelgeschwindigkeit (V), der Oberfläche des Flügels (S) und des Auftriebskoeffizienten (CL) für einen gegebenen Flügel bestimmt .

Wenn man die Gleichung weiterführt, kann man sehen, dass ein Flugzeug nicht weiter im Horizontalflug auf einer konstanten Höhe fliegen und den gleichen AOA beibehalten könnte, wenn die Geschwindigkeit erhöht wird. Der Auftrieb würde zunehmen und das Flugzeug würde infolge der erhöhten Auftriebskraft steigen oder beschleunigen. Um das Flugzeug gerade und waagerecht (ohne nach oben zu beschleunigen) und in einem Gleichgewichtszustand zu halten, muss der Auftrieb daher konstant gehalten werden, wenn die Geschwindigkeit erhöht wird. Dies wird normalerweise erreicht, indem der AOA durch Absenken der Nase reduziert wird. Umgekehrt, wenn das Flugzeug verlangsamt wird, erfordert die abnehmende Geschwindigkeit eine Erhöhung des AOA, um den Auftrieb ausreichend aufrechtzuerhalten, um den Flug aufrechtzuerhalten. Es gibt natürlich eine Grenze, wie weit der AOA erhöht werden kann, wenn ein Strömungsabriss vermieden werden soll. 

Da alle anderen Faktoren konstant sind, ist für jeden AOA eine entsprechende Fluggeschwindigkeit erforderlich, um die Höhe im stetigen, nicht beschleunigten Flug aufrechtzuerhalten (gilt nur, wenn der Horizontalflug beibehalten wird). Da ein Flügel immer bei der gleichen AOA abreißt, muss bei zunehmendem Gewicht auch der Auftrieb erhöht werden. Die einzige Methode, den Auftrieb zu erhöhen, besteht darin, die Geschwindigkeit zu erhöhen, wenn der AOA knapp vor dem „kritischen“ oder Stall-AOA konstant gehalten wird (unter der Annahme, dass keine Klappen oder andere Hochauftriebsvorrichtungen vorhanden sind).

Auftrieb und Widerstand variieren auch direkt mit der Dichte der Luft. Die Dichte wird von mehreren Faktoren beeinflusst: Druck, Temperatur und Feuchtigkeit. In einer Höhe von 18.000 Fuß hat die Luftdichte die Hälfte der Luftdichte auf Meereshöhe. Um seinen Auftrieb in einer größeren Höhe aufrechtzuerhalten, muss ein Flugzeug für jeden gegebenen AOA mit einer größeren wahren Fluggeschwindigkeit fliegen.

Warme Luft hat eine geringere Dichte als kühle Luft und feuchte Luft hat eine geringere Dichte als trockene Luft. Somit muss ein Flugzeug an einem heißen, feuchten Tag für eine gegebene AOA mit einer größeren wahren Fluggeschwindigkeit geflogen werden als an einem kühlen, trockenen Tag. 

Wenn der Dichtefaktor verringert wird und der Gesamtauftrieb gleich dem Gesamtgewicht sein muss, um im Flug zu bleiben, folgt daraus, dass einer der anderen Faktoren erhöht werden muss. Der Faktor, der normalerweise erhöht wird, ist die Fluggeschwindigkeit oder der AOA, da diese direkt vom Piloten gesteuert werden.  

Der Auftrieb variiert direkt mit der Flügelfläche, vorausgesetzt, es gibt keine Änderung in der Planform des Flügels. Wenn die Flügel die gleichen Proportionen und Profilquerschnitte haben, hebt ein Flügel mit einer Grundrissfläche von 200 Quadratfuß bei der gleichen AOA doppelt so viel an wie ein Flügel mit einer Fläche von 100 Quadratfuß.  

Zwei große aerodynamische Faktoren aus der Sicht des Piloten sind der Auftrieb und die Fluggeschwindigkeit, da sie leicht und genau gesteuert werden können. Natürlich kann der Pilot auch die Dichte steuern, indem er die Höhe einstellt, und kann die Flügelfläche steuern, wenn das Flugzeug zufällig Klappen des Typs hat, die die Flügelfläche vergrößern. In den meisten Situationen steuert der Pilot jedoch den Auftrieb und die Fluggeschwindigkeit, um ein Flugzeug zu manövrieren. Zum Beispiel wird beim Geradeausflug, der in konstanter Höhe fliegt, die Höhe aufrechterhalten, indem der Auftrieb angepasst wird, um ihn an die Geschwindigkeit oder Reisefluggeschwindigkeit des Flugzeugs anzupassen, während ein Gleichgewichtszustand aufrechterhalten wird, in dem der Auftrieb gleich dem Gewicht ist. Bei einem Landeanflug, wenn der Pilot so langsam wie möglich landen möchte, ist es erforderlich, die AOA nahe dem Maximum zu erhöhen, um den Auftrieb gleich dem Gewicht des Flugzeugs zu halten.

Auftriebs-/Widerstandsverhältnis 

Das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand (L/D) ist die Menge an Auftrieb, die von einem Flügel oder Tragflügel im Vergleich zu seinem Luftwiderstand erzeugt wird. Ein Verhältnis von L/D zeigt die Effizienz des Streits auf die Luftprofil an. Flugzeuge mit höheren L/D-Verhältnissen sind effizienter als solche mit niedrigeren L/D-Verhältnissen. Im unbeschleunigten Flug mit konstanten Auftriebs- und Widerstandsdaten können die Anteile des Auftriebsbeiwerts (CL) und des Widerstandsbeiwerts (CD) für einen bestimmten AOA berechnet werden.

Der Auftriebsbeiwert ist dimensionslos und bezieht sich auf den von einem Auftriebskörper erzeugten Auftrieb, den dynamischen Druck der Fluidströmung um den Körper und eine dem Körper zugeordnete Bezugsfläche. Der Luftwiderstandsbeiwert ist ebenfalls dimensionslos und wird verwendet, um den Luftwiderstand eines Objekts in einer flüssigen Umgebung wie Luft zu quantifizieren, und ist immer mit einer bestimmten Oberfläche verbunden.

Das L/D-Verhältnis wird bestimmt, indem CL durch CD dividiert wird, was dasselbe ist wie die Division der Auftriebsgleichung durch die Widerstandsgleichung, da sich alle Variablen außer den Koeffizienten aufheben. Die Auftriebs- und Widerstandsgleichungen lauten wie folgt (L = Auftrieb in Pfund; D = Widerstand; CL = Auftriebskoeffizient; ρ = Dichte (ausgedrückt in Slugs pro Kubikfuß); V = Geschwindigkeit (in Fuß pro Sekunde); q = Dynamik Druck pro Quadratfuß (q = 1 ⁄2 ρv2); S = die Fläche des Auftriebskörpers (in Quadratfuß); und CD = Verhältnis von Widerstandsdruck zu dynamischem Druck)

Typischerweise ist bei niedrigem AOA der Luftwiderstandsbeiwert niedrig, und kleine Änderungen des AOA erzeugen nur geringfügige Änderungen des Luftwiderstandsbeiwerts. Bei hohem AOA verursachen kleine Änderungen des AOA signifikante Änderungen des Luftwiderstands. Die Form eines Tragflügels sowie Änderungen des AOA beeinflussen die Erzeugung von Auftrieb.

Beachten Sie in Abbildung, dass die Kurve des Auftriebskoeffizienten (rot) für diesen speziellen Flügelabschnitt bei 20° AOA ihr Maximum erreicht und dann schnell abnimmt. 20° AOA ist also der kritische Anstellwinkel. Die cW-Kurve (orange) steigt ab 14° AOA sehr schnell an und überwindet die Auftriebskurve bei 21° AOA vollständig. Das Auftriebs-/Widerstandsverhältnis (grün) erreicht sein Maximum bei 6° AOA, was bedeutet, dass bei diesem Winkel der größte Auftrieb für den geringsten Widerstand erzielt wird.  

Beachten Sie, dass das maximale Auftriebs-/Widerstandsverhältnis (L/DMAX) bei einem bestimmten CL und AOA auftritt. Wenn das Flugzeug im stationären Flug bei L/DMAX betrieben wird, ist der Gesamtwiderstand minimal. Jeder niedrigere oder höhere AOA als der für L/DMAX reduziert den L/D und erhöht folglich den Gesamtwiderstand für den Auftrieb eines gegebenen Flugzeugs. Die Abbildung zeigt den L/DMAX durch den untersten Teil der blauen Linie mit der Bezeichnung „Gesamtwiderstand“. Die Konfiguration eines Flugzeugs hat einen großen Einfluss auf das L/D.

Ziehen

Luftwiderstand ist die Kraft, die der Bewegung eines Flugzeugs durch die Luft widersteht. Es gibt zwei Grundtypen: Parasitenwiderstand und induzierter Widerstand. Der erste wird als Parasit bezeichnet, weil er in keiner Weise dazu dient, den Flug zu unterstützen, während der zweite, der induzierte Luftwiderstand, das Ergebnis eines sich entwickelnden Auftriebs eines Tragflügels ist.

Parasiten ziehen

Der Parasitenwiderstand umfasst alle Kräfte, die daran arbeiten, die Bewegung eines Flugzeugs zu verlangsamen. Wie der Begriff Parasit schon sagt, ist es der Luftwiderstand, der nicht mit der Erzeugung von Auftrieb verbunden ist. Dies schließt die Verdrängung der Luft durch das Flugzeug, im Luftstrom erzeugte Turbulenzen oder eine Behinderung der Luftbewegung über die Oberfläche des Flugzeugs und des Tragflügels ein. Es gibt drei Arten von Parasitenwiderstand: Formwiderstand, Interferenzwiderstand und Mantelreibung.

Formular ziehen 

Der Formwiderstand ist der Teil des Parasitenwiderstands, der vom Flugzeug aufgrund seiner Form und Luftströmung um ihn herum erzeugt wird. Beispiele sind Motorhauben, Antennen und die aerodynamische Form anderer Komponenten. Wenn sich die Luft trennen muss, um sich um ein sich bewegendes Flugzeug und seine Komponenten zu bewegen, verbindet sie sich schließlich wieder, nachdem sie den Körper passiert hat. Wie schnell und reibungslos es sich wieder verbindet, ist repräsentativ für den Widerstand, den es erzeugt, der zusätzliche Kraft erfordert, um es zu überwinden.

Beachten Sie, wie die flache Platte in Abbildung bewirkt, dass die Luft um die Kanten wirbelt, bis sie sich schließlich stromabwärts wieder trifft. Der Formwiderstand lässt sich beim Entwerfen eines Flugzeugs am einfachsten reduzieren. Die Lösung besteht darin, so viele Teile wie möglich zu rationalisieren.

Interferenzwiderstand

Interferenzwiderstand entsteht durch den Schnittpunkt von Luftströmen, der Wirbelströme und Turbulenzen erzeugt oder einen gleichmäßigen Luftstrom einschränkt. Beispielsweise hat der Schnittpunkt des Flügels und des Rumpfes an der Flügelwurzel einen erheblichen Interferenzwiderstand. Luft, die um den Rumpf strömt, kollidiert mit Luft, die über den Flügel strömt, und verschmilzt zu einem Luftstrom, der sich von den beiden ursprünglichen Strömungen unterscheidet. Der stärkste Interferenzwiderstand wird beobachtet, wenn sich zwei Oberflächen in senkrechten Winkeln treffen. Verkleidungen werden verwendet, um diese Tendenz zu verringern. Wenn ein Düsenjäger zwei identische Flügeltanks trägt, ist der Gesamtwiderstand größer als die Summe der einzelnen Tanks, da beide einen Interferenzwiderstand erzeugen und erzeugen. Verkleidungen und Abstand zwischen Auftriebsflächen und externen Komponenten (z. B. an Flügeln aufgehängte Radarantennen) reduzieren den Interferenzwiderstand.

Hautreibungswiderstand

Der Hautreibungswiderstand ist der aerodynamische Widerstand aufgrund des Kontakts bewegter Luft mit der Oberfläche eines Flugzeugs. Jede Oberfläche, egal wie glatt sie aussieht, hat unter dem Mikroskop eine raue, zerklüftete Oberfläche. Die Luftmoleküle, die in direkten Kontakt mit der Oberfläche des Flügels kommen, sind praktisch bewegungslos. Jede Molekülschicht über der Oberfläche bewegt sich etwas schneller, bis sich die Moleküle mit der Geschwindigkeit der Luft bewegen, die sich um das Flugzeug bewegt. Diese Geschwindigkeit wird Freistromgeschwindigkeit genannt. Der Bereich zwischen Flügel und Freistrahlgeschwindigkeitsniveau ist etwa so breit wie eine Spielkarte und wird als Grenzschicht bezeichnet. Am oberen Rand der Grenzschicht erhöhen die Moleküle ihre Geschwindigkeit und bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Moleküle außerhalb der Grenzschicht. 

Der Luftstrom außerhalb der Grenzschicht reagiert auf die Form der Kante der Grenzschicht genauso wie auf die physische Oberfläche eines Objekts. Die Grenzschicht verleiht jedem Objekt eine „effektive“ Form, die sich normalerweise geringfügig von der physischen Form unterscheidet. Die Grenzschicht kann sich auch vom Körper trennen, wodurch eine effektive Form erzeugt wird, die sich stark von der physikalischen Form des Objekts unterscheidet. Diese Änderung der physikalischen Form der Grenzschicht verursacht eine dramatische Abnahme des Auftriebs und eine Zunahme des Luftwiderstands. Wenn dies geschieht, ist das Schaufelblatt abgewürgt. 

Um die Wirkung des Hautreibungswiderstands zu verringern, verwenden Flugzeugkonstrukteure bündig montierte Nieten und entfernen alle Unregelmäßigkeiten, die über die Flügeloberfläche hinausragen können. Darüber hinaus unterstützt eine glatte und glänzende Oberfläche den Luftübergang über die Oberfläche des Flügels. Da Schmutz auf einem Flugzeug den freien Luftstrom stört und den Luftwiderstand erhöht, halten Sie die Oberflächen eines Flugzeugs sauber und gewachst. 

Induzierter Widerstand 

Der zweite grundlegende Widerstandstyp ist der induzierte Widerstand. Es ist eine anerkannte physikalische Tatsache, dass kein System, das im mechanischen Sinne funktioniert, zu 100 Prozent effizient sein kann. Dies bedeutet, dass unabhängig von der Art des Systems die erforderliche Arbeit auf Kosten bestimmter zusätzlicher Arbeit erhalten wird, die im System verschwendet wird oder verloren geht. Je effizienter das System ist, desto geringer ist dieser Verlust.

Im Horizontalflug erzeugen die aerodynamischen Eigenschaften eines Flügels oder Rotors einen erforderlichen Auftrieb, der jedoch nur auf Kosten einer bestimmten Strafe erreicht werden kann. Der Name für diese Strafe ist induzierter Widerstand. Ein induzierter Widerstand ist immer dann inhärent, wenn ein Flügel Auftrieb erzeugt, und tatsächlich ist diese Art von Widerstand untrennbar mit der Erzeugung von Auftrieb verbunden. Folglich ist es immer vorhanden, wenn Auftrieb erzeugt wird. 

Ein Tragflügel (Flügel oder Rotorblatt) erzeugt die Auftriebskraft, indem es sich die Energie des freien Fahrtwinds zunutze macht. Immer wenn ein Tragflügel Auftrieb erzeugt, ist der Druck auf der Unterseite größer als auf der Oberseite (Bernoulli-Prinzip). Infolgedessen neigt die Luft dazu, vom Hochdruckbereich unterhalb der Spitze nach oben zum Niederdruckbereich auf der oberen Oberfläche zu strömen. In der Nähe der Spitzen besteht die Tendenz, dass sich diese Drücke ausgleichen, was zu einer seitlichen Strömung nach außen von der Unterseite zur oberen Oberfläche führt. Diese seitliche Strömung verleiht der Luft an den Spitzen eine Rotationsgeschwindigkeit und erzeugt Wirbel, die hinter dem Schaufelblatt nachziehen.

Wenn das Flugzeug vom Heck aus betrachtet wird, zirkulieren diese Wirbel im Gegenuhrzeigersinn um die rechte Spitze und im Uhrzeigersinn um die linke Spitze. Wenn die Luft (und die Wirbel) von der Rückseite Ihres Flügels abrollen, werden sie nach unten geneigt, was als Downwind bekannt ist. Die Abbildung zeigt den Unterschied im Abwind in der Höhe gegenüber dem in Bodennähe. Unter Berücksichtigung der Rotationsrichtung dieser Wirbel ist ersichtlich, dass sie eine aufwärts gerichtete Luftströmung hinter der Spitze und eine abwärts gerichtete Strömung hinter der Hinterkante des Flügels hervorrufen. Dieser induzierte Abwind hat nichts mit dem Abwind zu tun, der notwendig ist, um Auftrieb zu erzeugen. Es ist tatsächlich die Quelle des induzierten Widerstands.

Abwind zeigt den relativen Wind nach unten, je mehr Abwind Sie also haben, desto mehr zeigt Ihr relativer Wind nach unten. Das ist aus einem sehr guten Grund wichtig: Der Auftrieb ist immer senkrecht zum relativen Wind. In der Abbildung können Sie sehen, dass Ihr Auftriebsvektor vertikaler ist und der Schwerkraft entgegenwirkt, wenn Sie weniger Downwind haben. Und wenn Sie mehr Abwind haben, zeigt Ihr Auftriebsvektor weiter zurück und verursacht einen induzierten Widerstand. Darüber hinaus benötigen Ihre Flügel Energie, um Abwind und Wirbel zu erzeugen, und diese Energie erzeugt Luftwiderstand.

Je größer die Größe und Stärke der Wirbel und der daraus resultierenden Downwind-Komponente des Nettoluftstroms über dem Schaufelblatt, desto größer wird der induzierte Luftwiderstandseffekt. Dieser Abwind über die Oberseite des Schaufelblatts an der Spitze hat den gleichen Effekt wie das Biegen des Auftriebsvektors nach hinten; Daher ist der Auftrieb leicht achtern oder senkrecht zum relativen Wind, wodurch eine rückwärtige Auftriebskomponente entsteht. Dies ist induzierter Widerstand.

Um einen größeren Unterdruck auf der Oberseite eines Strömungsprofils zu erzeugen, kann das Strömungsprofil zu einem höheren AOA geneigt werden. Wenn die AOA eines symmetrischen Strömungsprofils Null wäre, gäbe es keine Druckdifferenz und folglich keine Downwind-Komponente und keinen induzierten Widerstand. In jedem Fall nimmt der induzierte Luftwiderstand proportional zu, wenn der AOA zunimmt. Um dies anders auszudrücken: Je niedriger die Fluggeschwindigkeit, desto größer ist der AOA, der erforderlich ist, um einen Auftrieb zu erzeugen, der dem Gewicht des Flugzeugs entspricht, und desto größer ist daher der induzierte Luftwiderstand. Der Betrag des induzierten Widerstands variiert umgekehrt mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit. 

Umgekehrt nimmt der Parasitenwiderstand mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit zu. Somit wird im stationären Zustand der Gesamtwiderstand größer, wenn die Fluggeschwindigkeit bis nahe an die Stalling-Geschwindigkeit abnimmt, was hauptsächlich auf den starken Anstieg des induzierten Widerstands zurückzuführen ist. Wenn das Flugzeug seine nie überschrittene Geschwindigkeit (VNE) erreicht, steigt in ähnlicher Weise der Gesamtwiderstand aufgrund des starken Anstiegs des Parasitenwiderstands schnell an. Wie in Abbildung zu sehen ist, ist der Gesamtwiderstand bei einer gegebenen Fluggeschwindigkeit auf seinem minimalen Wert. Bei der Berechnung der maximalen Reichweite von Flugzeugen ist der zur Überwindung des Luftwiderstands erforderliche Schub minimal, wenn der Luftwiderstand minimal ist. Die minimale Leistung und maximale Ausdauer treten an einem anderen Punkt auf. 

Gewicht

Die Schwerkraft ist die Zugkraft, die dazu neigt, alle Körper zum Mittelpunkt der Erde zu ziehen. Der Schwerpunkt kann als ein Punkt betrachtet werden, an dem das gesamte Gewicht des Flugzeugs konzentriert ist. Wenn das Flugzeug in seinem genauen Schwerpunkt unterstützt würde, würde es in jeder Fluglage balancieren. Es ist anzumerken, dass der Schwerpunkt in einem Flugzeug von großer Bedeutung ist, da seine Position einen großen Einfluss auf die Stabilität hat. Die zulässige Position des CG wird durch die allgemeine Konstruktion jedes einzelnen Flugzeugs bestimmt. Die Konstrukteure bestimmen, wie weit sich der Druckmittelpunkt (CP) bewegen wird. Es ist wichtig zu verstehen, dass das Gewicht eines Flugzeugs am Schwerpunkt konzentriert ist und die aerodynamischen Auftriebskräfte am CP auftreten. Wenn sich der CG vor dem CP befindet, besteht eine natürliche Tendenz des Flugzeugs, die Nase nach unten neigen zu wollen. Wenn sich der CP vor dem CG befindet, wird ein Nickmoment mit der Nase nach oben erzeugt.

Das Gewicht hat eine eindeutige Beziehung zum Heben. Diese Beziehung ist einfach, aber wichtig für das Verständnis der Aerodynamik des Fliegens. Der Auftrieb ist die Aufwärtskraft auf den Flügel, die senkrecht zum relativen Wind und senkrecht zur Querachse des Flugzeugs wirkt. Der Auftrieb ist erforderlich, um dem Gewicht des Flugzeugs entgegenzuwirken. Im stabilisierten Horizontalflug, wenn die Auftriebskraft gleich der Gewichtskraft ist, befindet sich das Flugzeug in einem Gleichgewichtszustand und beschleunigt weder nach oben noch nach unten. Wenn der Auftrieb geringer wird als das Gewicht, nimmt die vertikale Geschwindigkeit ab. Wenn der Auftrieb größer als das Gewicht ist, erhöht sich die vertikale Geschwindigkeit.