Flugzeug: Auswirkung der Flügelplanform - Airplane: Effect of wing planform

Das Verständnis der Auswirkungen verschiedener Flügelplanformen ist wichtig, wenn Sie mehr über die Flügelleistung und die Flugeigenschaften von Flugzeugen erfahren möchten. Eine Planform ist die Form des Flügels, wie er direkt von oben betrachtet wird, und befasst sich mit dem Luftstrom in drei Dimensionen. Seitenverhältnis, Verjüngungsverhältnis und Sweepback sind Faktoren im Planform-Design, die für die aerodynamischen Gesamteigenschaften eines Flügels sehr wichtig sind.

Das Seitenverhältnis ist das Verhältnis von Spannweite zu Flügelsehne. Das Verjüngungsverhältnis kann entweder in der Planform oder in der Dicke oder beidem vorliegen. Einfach ausgedrückt ist es eine Abnahme der Flügelsehne oder Flügeldicke von der Flügelwurzel zur Flügelspitze. Sweepback ist die Rückwärtsneigung eines Flügels, eines horizontalen Leitwerks oder einer anderen Tragflächenoberfläche.  

Es gibt zwei allgemeine Mittel, mit denen der Konstrukteur die Planform eines Flügels ändern kann, und beide beeinflussen die aerodynamischen Eigenschaften des Flügels. Die erste besteht darin, eine Änderung des Seitenverhältnisses zu bewirken. Das Seitenverhältnis ist der Hauptfaktor bei der Bestimmung der dreidimensionalen Eigenschaften des gewöhnlichen Flügels und seines Auftriebs-/Widerstandsverhältnisses. Eine Erhöhung des Seitenverhältnisses bei konstanter Geschwindigkeit verringert den Luftwiderstand, insbesondere bei hohen Anstellwinkeln, und verbessert die Leistung des Flügels in einer Steigfluglage.

Eine Verringerung des Seitenverhältnisses führt zu einer entsprechenden Erhöhung des Luftwiderstands. Es sollte jedoch beachtet werden, dass mit einer Erhöhung des Streckungsverhältnisses eine Erhöhung der Spannweite mit einer entsprechenden Erhöhung des Gewichts der Flügelstruktur auftritt, was bedeutet, dass der Flügel schwerer sein muss, um die gleiche Last zu tragen. Aus diesem Grund geht ein Teil des Gewinns (aufgrund einer Verringerung des Luftwiderstands) aufgrund des erhöhten Gewichts verloren, und es ist ein Kompromiss im Design erforderlich, um die besten Ergebnisse aus diesen beiden widersprüchlichen Bedingungen zu erzielen.

Die zweite Möglichkeit, die Planform zu ändern, ist das Verjüngen (Verringern der Sehnenlänge von der Wurzel bis zur Flügelspitze). Im Allgemeinen bewirkt eine Verjüngung eine Verringerung des Luftwiderstands (am effektivsten bei hohen Geschwindigkeiten) und eine Erhöhung des Auftriebs. Es gibt auch einen strukturellen Vorteil aufgrund einer Gewichtseinsparung des Flügels.

Die meisten Trainingsflugzeuge und Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt werden mit hohen Auftriebskoeffizienten betrieben und erfordern daher vergleichsweise hohe Seitenverhältnisse. Flugzeuge, die für den Betrieb bei sehr hohen Geschwindigkeiten entwickelt wurden, erfordern eine größere aerodynamische Sauberkeit und eine größere Festigkeit, was niedrige Seitenverhältnisse erfordert. Sehr niedrige Seitenverhältnisse führen zu hohen Flächenbelastungen und hohen Strömungsabrissgeschwindigkeiten. Wenn ein Sweepback mit einem niedrigen Streckungsverhältnis kombiniert wird, führt dies zu Flugqualitäten, die sich stark von einer konventionelleren Flugzeugkonfiguration mit einem hohen Streckungsverhältnis unterscheiden. Solche Flugzeuge erfordern sehr präzise und professionelle Flugtechniken, insbesondere bei langsamen Geschwindigkeiten, während Flugzeuge mit einem hohen Seitenverhältnis in der Regel unangemessene Pilotentechniken besser verzeihen.

Der elliptische Flügel ist die ideale Unterschallplanform, da er für ein Minimum an induziertem Widerstand für ein gegebenes Seitenverhältnis sorgt, obwohl, wie wir sehen werden, seine Strömungsabrisseigenschaften in mancher Hinsicht schlechter sind als die des rechteckigen Flügels. Es ist auch vergleichsweise schwierig zu konstruieren. Das sich verjüngende Strömungsprofil ist vom Standpunkt des Gewichts und der Steifigkeit wünschenswert, aber wiederum ist es aerodynamisch nicht so effizient wie der elliptische Flügel. Um die aerodynamische Effizienz des elliptischen Flügels beizubehalten, werden rechteckige und verjüngte Flügel manchmal durch Verwendung von Flügelverwindung und Variation der Tragflächenabschnitte maßgeschneidert, bis sie der Auftriebsverteilung des elliptischen Flügels so nahe wie möglich kommen. Es stimmt zwar, dass der elliptische Flügel die besten Auftriebskoeffizienten liefert, bevor er einen beginnenden Strömungsabriss erreicht, 

Im Vergleich dazu neigt der rechteckige Flügel dazu, zuerst an der Flügelwurzel abzureißen und bietet eine angemessene Stallwarnung, eine angemessene Querruderwirksamkeit und ist normalerweise ziemlich stabil. Es wird daher bei der Konstruktion von kostengünstigen Flugzeugen mit niedriger Geschwindigkeit bevorzugt.