Tragflächendesign - Airfoil Design
Ein Strömungsprofil ist eine Struktur, die dazu bestimmt ist, auf ihrer Oberfläche eine Reaktion von der Luft zu erhalten, durch die sie sich bewegt oder die sich an einer solchen Struktur vorbeibewegt. Luft wirkt auf verschiedene Weise, wenn sie unterschiedlichen Drücken und Geschwindigkeiten ausgesetzt wird; aber diese Diskussion beschränkt sich auf die Teile eines Flugzeugs, mit denen sich ein Pilot im Flug am meisten beschäftigt – nämlich die Tragflächen, die dazu bestimmt sind, Auftrieb zu erzeugen. Betrachtet man ein typisches Tragflächenprofil, wie etwa den Querschnitt eines Flügels, kann man mehrere offensichtliche Konstruktionsmerkmale erkennen. Beachten Sie, dass es einen Unterschied in den Krümmungen (Krümmungen genannt) der oberen und unteren Flächen des Schaufelblatts gibt. Die Wölbung der Oberseite ist stärker ausgeprägt als die der Unterseite, die normalerweise etwas flach ist.
HINWEIS: Die beiden Enden des Schaufelprofils unterscheiden sich auch im Aussehen. Das abgerundete Ende, das im Flug nach vorne zeigt, wird als Vorderkante bezeichnet; das andere Ende, die Hinterkante, ist ziemlich schmal und spitz zulaufend.
Eine Bezugslinie, die häufig bei der Erörterung des Strömungsprofils verwendet wird, ist die Sehnenlinie, eine gerade Linie, die durch das Profil gezogen wird und die Enden der Vorder- und Hinterkante verbindet. Der Abstand von dieser Sehnenlinie zur Ober- und Unterseite des Flügels bezeichnet die Größe der oberen und unteren Wölbung an jedem Punkt. Eine weitere Bezugslinie, die von der Vorderkante zur Hinterkante gezogen wird, ist die mittlere Sturzlinie. Diese Mittellinie ist an allen Punkten gleich weit von der Ober- und Unterseite entfernt.
Ein Tragflügel ist so konstruiert, dass seine Form die Reaktion der Luft auf bestimmte physikalische Gesetze ausnutzt. Dies entwickelt zwei Aktionen aus der Luftmasse: eine positive Druckauftriebswirkung von der Luftmasse unter dem Flügel und eine negative Druckauftriebswirkung von einem verringerten Druck über dem Flügel.
Wenn der Luftstrom auf die relativ flache untere Oberfläche eines Flügels oder Rotorblatts trifft, wenn es in einem kleinen Winkel zu seiner Bewegungsrichtung geneigt ist, wird die Luft gezwungen, nach unten zurückzuprallen, was eine Aufwärtsreaktion in positivem Auftrieb verursacht. Gleichzeitig wird der auf den oberen gekrümmten Abschnitt der Vorderkante auftreffende Luftstrom nach oben abgelenkt. Ein Strömungsprofil ist so geformt, dass es eine Wirkung auf die Luft ausübt, und zwingt Luft nach unten, was eine gleiche Reaktion von der Luft liefert und das Strömungsprofil nach oben zwingt. Wenn ein Flügel so konstruiert ist, dass er eine Auftriebskraft verursacht, die größer ist als das Gewicht des Flugzeugs, fliegt das Flugzeug.
Wenn der gesamte erforderliche Auftrieb lediglich durch die Ablenkung der Luft durch die Unterseite des Flügels erzielt würde, würde ein Flugzeug nur einen flachen Flügel wie einen Drachen benötigen. Das Gleichgewicht des Auftriebs, der zum Tragen des Flugzeugs benötigt wird, kommt jedoch von der Luftströmung über dem Flügel. Hierin liegt der Schlüssel zum Fliegen.
Es ist weder genau noch nützlich, dem Prozentsatz des Auftriebs, der von der oberen Oberfläche eines Strömungsprofils erzeugt wird, gegenüber dem von der unteren Oberfläche erzeugten Auftriebsprozentsatz spezifische Werte zuzuordnen. Dies sind keine konstanten Werte. Sie variieren nicht nur mit den Flugbedingungen, sondern auch mit unterschiedlichen Flügeldesigns.
Unterschiedliche Flügel haben unterschiedliche Flugeigenschaften. Viele tausend Tragflächen wurden in Windkanälen und im tatsächlichen Flug getestet, aber es wurde keine Tragfläche gefunden, die alle Fluganforderungen erfüllt. Das Gewicht, die Geschwindigkeit und der Zweck jedes Flugzeugs bestimmen die Form seines Tragflügels. Das effizienteste Schaufelblatt zur Erzeugung des größten Auftriebs ist eines mit einer konkaven oder „ausgehöhlten“ unteren Oberfläche. Als festes Design opfert diese Art von Tragflächen zu viel Geschwindigkeit, während sie Auftrieb erzeugen, und ist nicht für Hochgeschwindigkeitsflüge geeignet. Fortschritte in der Technik haben es den heutigen Hochgeschwindigkeitsjets ermöglicht, die Vorteile der hohen Auftriebseigenschaften des konkaven Strömungsprofils zu nutzen. Vorderkanten- (Kreuger-) Klappen und Hinterkanten- (Fowler-) Klappen, wenn sie von der Grundflügelstruktur ausgefahren sind,
Andererseits hat ein perfekt stromlinienförmiges Profil, das wenig Luftwiderstand bietet, manchmal nicht genug Auftriebskraft, um das Flugzeug vom Boden abzuheben. Daher haben moderne Flugzeuge Tragflächen, die im Design ein Medium zwischen den Extremen treffen. Die Form variiert je nach den Bedürfnissen des Flugzeugs, für das sie ausgelegt ist.
Niedriger Druck oben
In einem Windkanal oder im Flug ist ein Tragflügel einfach ein stromlinienförmiges Objekt, das in einen sich bewegenden Luftstrom eingeführt wird. Hätte das Tragflächenprofil die Form einer Träne, wären die Geschwindigkeit und die Druckänderungen der oben und unten vorbeiströmenden Luft auf beiden Seiten gleich. Aber wenn das tränenförmige Tragflächenprofil der Länge nach halbiert würde, würde sich eine Form ergeben, die dem Grundabschnitt des Tragflächenprofils (Flügel) ähnelt. Wenn das Schaufelblatt dann geneigt wäre, so dass der Luftstrom es in einem Winkel trifft, würde die Luft, die sich über die obere Oberfläche bewegt, gezwungen, sich schneller zu bewegen als die Luft, die sich entlang der Unterseite des Schaufelblatts bewegt. Diese erhöhte Geschwindigkeit reduziert den Druck über dem Schaufelblatt.
Unter Anwendung des Bernoulli-Prinzips des Drucks erzeugt die Erhöhung der Luftgeschwindigkeit über der Oberseite eines Strömungsprofils einen Druckabfall. Dieser abgesenkte Druck ist eine Komponente des Gesamtauftriebs. Der Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite eines Flügels allein macht nicht die erzeugte Gesamtauftriebskraft aus.
Die nach unten gerichtete Rückwärtsströmung von der oberen Fläche eines Strömungsprofils erzeugt eine Abwärtsströmung. Dieser Abwind trifft auf die Strömung von der Unterseite des Schaufelblatts an der Hinterkante. Unter Anwendung des dritten Newtonschen Gesetzes führt die Reaktion dieser nach unten gerichteten Rückwärtsströmung zu einer nach oben gerichteten Vorwärtskraft auf das Strömungsprofil.
Hochdruck unten
Ein gewisser Auftrieb wird durch Druckverhältnisse unter dem Schaufelblatt erzeugt. Aufgrund der Art und Weise, wie Luft unter dem Schaufelblatt strömt, entsteht insbesondere bei höheren Anstellwinkeln ein Überdruck. Es gibt jedoch einen weiteren Aspekt dieses Luftstroms, der berücksichtigt werden muss. An einem Punkt nahe der Vorderkante wird der Luftstrom praktisch gestoppt (Stagnationspunkt) und nimmt dann allmählich an Geschwindigkeit zu. Irgendwann in der Nähe der Hinterkante erreicht es wieder eine Geschwindigkeit, die der an der oberen Oberfläche entspricht. In Übereinstimmung mit dem Bernoulli-Prinzip, wo der Luftstrom unter dem Schaufelblatt verlangsamt wurde, wurde ein positiver Aufwärtsdruck erzeugt (dh wenn die Fluidgeschwindigkeit abnimmt, muss der Druck zunehmen). Da die Druckdifferenz zwischen der oberen und unteren Oberfläche des Strömungsprofils zunimmt, nimmt der Gesamtauftrieb zu.
Druckverteilung
Aus Experimenten, die an Windkanalmodellen und an Flugzeugen in voller Größe durchgeführt wurden, wurde festgestellt, dass es Bereiche entlang der Oberfläche gibt, in denen der Druck negativ oder geringer ist, wenn Luft mit unterschiedlichen Anstellwinkeln (AOA) entlang der Oberfläche eines Flügels strömt als atmosphärisch und Regionen, in denen der Druck positiv oder größer als atmosphärisch ist. Dieser negative Druck auf der oberen Oberfläche erzeugt eine relativ größere Kraft auf den Flügel als durch den positiven Druck verursacht wird, der aus der Luft resultiert, die auf die untere Flügeloberfläche trifft. Der Durchschnitt der Druckvariation für jeden gegebenen AOA wird als Druckmittelpunkt (CP) bezeichnet. Aerodynamische Kraft wirkt durch diesen CP. Bei hohen Anstellwinkeln bewegt sich der CP nach vorne, während sich der CP bei niedrigen Anstellwinkeln nach hinten bewegt. Bei der Konstruktion von Flügelstrukturen ist dieser CP-Verfahrweg sehr wichtig, da es die Position der auf die Tragflächenstruktur ausgeübten Luftlasten sowohl bei niedrigen als auch bei hohen AOA-Bedingungen beeinflusst. Das aerodynamische Gleichgewicht und die Steuerbarkeit eines Flugzeugs werden durch Änderungen des CP bestimmt.
Tragflächenverhalten
Obwohl spezifische Beispiele angeführt werden können, in denen jedes der Prinzipien die Bildung von Auftrieb vorhersagt und dazu beiträgt, ist der Auftrieb ein komplexes Thema. Die Erzeugung von Auftrieb ist viel komplexer als ein einfacher Differenzdruck zwischen oberen und unteren Tragflächenoberflächen. Tatsächlich haben viele Tragflügel keine obere Fläche, die länger ist als die Unterseite, wie im Fall von symmetrischen Flügeln. Diese sind bei Hochgeschwindigkeitsflugzeugen mit symmetrischen Flügeln oder an symmetrischen Rotorblättern bei vielen Hubschraubern zu sehen, deren Ober- und Unterseite identisch sind. In beiden Beispielen besteht der einzige Unterschied in der Beziehung des Strömungsprofils zum entgegenkommenden Luftstrom (Winkel). Ein Papierflieger, der einfach eine flache Platte ist, hat eine Unter- und eine Oberseite, die genau die gleiche Form und Länge haben. Dennoch erzeugen diese Tragflächen Auftrieb,
Wenn sich ein Schaufelblatt durch Luft bewegt, wird das Schaufelblatt gegen den Luftstrom geneigt, wodurch eine andere Strömung erzeugt wird, die durch die Beziehung des Schaufelblatts zur entgegenkommenden Luft verursacht wird. Stellen Sie sich eine Hand vor, die mit hoher Geschwindigkeit außerhalb des Autofensters platziert wird. Wenn die Hand in die eine oder andere Richtung geneigt wird, bewegt sich die Hand nach oben oder unten. Dies wird durch Umlenkung verursacht, die wiederum dazu führt, dass sich die Luft innerhalb des Luftstroms um das Objekt dreht. Als Ergebnis dieser Änderung ändert sich die Geschwindigkeit um das Objekt herum sowohl in der Größe als auch in der Richtung, was wiederum zu einer messbaren Geschwindigkeitskraft und -richtung führt.
Eine dritte Dimension
Bis zu diesem Punkt hat sich die Diskussion auf die Strömung über die oberen und unteren Oberflächen eines Strömungsprofils konzentriert. Während der größte Teil des Auftriebs durch diese beiden Dimensionen erzeugt wird, hat eine dritte Dimension, die Spitze des Schaufelblatts, auch einen aerodynamischen Effekt. Der Hochdruckbereich an der Unterseite eines Flügels drückt um die Spitze herum zum Niederdruckbereich an der Oberseite. Diese Aktion erzeugt eine rotierende Strömung, die als Spitzenwirbel bezeichnet wird. Der Wirbel fließt hinter dem Strömungsprofil und erzeugt eine Abwärtsströmung, die sich bis zur Hinterkante des Strömungsprofils erstreckt. Dieser Abwind führt zu einer Gesamtreduzierung des Auftriebs für den betroffenen Teil des Strömungsprofils. Hersteller haben verschiedene Methoden entwickelt, um dieser Wirkung entgegenzuwirken. Winglets können an der Spitze eines Strömungsprofils hinzugefügt werden, um diese Strömung zu reduzieren. Die Winglets wirken wie ein Damm, der verhindert, dass sich Wirbel bilden. Winglets können sich auf der Ober- oder Unterseite des Strömungsprofils befinden. Eine andere Methode, der Strömung entgegenzuwirken, besteht darin, die Schaufelblattspitze zu verjüngen, wodurch die Druckdifferenz verringert und der Luftstrom um die Spitze herum geglättet wird.
