F: Leiden Boxflügel wie normale Flügel unter induziertem Luftwiderstand?
A: Ja und Nein. Box Wing-Flugzeuge werden leiden unter induziertem Luftwiderstand wie jedes Flugzeug, wenn sie schwerer als Luftfahrzeuge sind und ihre Flügel zum Fliegen verwenden. Der induzierte Luftwiderstand ist eine Funktion der endlichen Spannweitenbelastung und wird auf verschiedene Weise gemildert, um die Entwurfseffizienz bei einer bestimmten Spannweitenbelastung zu verbessern. Daher ist der Luftwiderstand und die Art und Weise, wie er erzeugt und vermieden wird, für einen Boxwing und ein Eindecker derselben Spannweite unterschiedlich. Heute enthält dieses Thema des induzierten Widerstands völlig andere Definitionen als das, was in wegweisenden Referenzen zu diesem Thema gelehrt wurde. Selbst wenn man über dasselbe spricht, wird das Thema Argumente aus zwei verschiedenen Lagern hören: diejenigen, die sich an repräsentative Mathematik halten, und diejenigen, die sich von Fall zu Fall auf die nicht-kartesische, nicht-lehrbuchbezogene Physik konzentrieren . Es ist ziemlich fair zu sagen, dass die ersteren eine stimmlichere Meinung haben als die letzteren, denn die letzteren wissen bis später weniger.
Die Aufgabe eines Flügels besteht darin, Luft effizient nach unten zu drücken und zu ziehen, wenn er sich vorwärts bewegt. Diese Aktion verursacht sowohl eine Newtonsche Reaktion als auch eine Bernoulli-Druckdifferenz, was zu einem Auftrieb führt.
Wenn der Auftrieb auf diese Weise erfolgt, wird auch die Luft in der Nähe als zeitabhängiges sekundäres Ergebnis beeinträchtigt. Es muss "in den absteigenden Lufttrog fallen", dass die Flügel nach unten verschoben werden.
Diese Sekundärbewegung verursacht (völlig unvermeidbare) Rotationsbewegungen in der "Nachlauf" -Zone zwischen Luft, die direkt von den Flügeln bewegt wird, und der nahe gelegenen stationären Luft, wodurch mehr Luftmasse als das Flugzeug benötigt wird, um sich nur zu bewegen den Aufzug, den es brauchte. (Der Impulsunterschied ist im wahrsten Sinne des Wortes der induzierte Widerstand, obwohl wir ihn normalerweise auf eine Weise lehren, die eher damit zusammenhängt, wie der induzierte Widerstand in 2D visualisiert und berechnet wird. Andere hier veröffentlichte Antworten veranschaulichen dies auf herkömmliche Weise.)
Induzierter Drag & Wake-Wirbel kann für ein Hubflügelsystem jeglicher Art NICHT beseitigt werden . Die meisten Flugzeugflügelkonstruktionen lassen jedoch etwas anderes zu, das die Kosten für das Heben mit einer begrenzten Flügelspannweite erheblich erhöht: Sie lassen hohen Druck unter dem Flügel "zu nahe" sein. auf die niedrigen Drücke über dem Flügel für den Betrag der Druckdifferenz , die sich im Flug entwickelt hat. Wenn an einer Flügelspitze ein hoher Differenzdruck besteht, bildet sich dort ein starker, tornadoartiger Wirbel.
Wenn sich zwischen Niederdruck und Hochdruck ein starker Gradient bildet, Luft, um sich mit hoher Geschwindigkeit in Richtung Niederdruck zu bewegen, wenn dies möglich ist. Der Luftwiderstand nimmt exponentiell mit den Geschwindigkeiten zu, die der Luft verliehen werden. Daher verwenden Designer verschiedene Ansätze, um zu verhindern, dass dieser Ausgleich schnell erfolgt. Je langsamer es passiert, desto weniger kinetische Energie wird vom Flugzeug auf die Luft übertragen.
Hier haben Boxwings eine völlig andere Möglichkeit, den induzierten Widerstand zu reduzieren als bei einem normalen Flügel: Sie stellen eine Wand zwischen dem niedrigen Druck über dem Flügel und dem auf überall sonst höherer Druck. Die 'Wand' kann höher sein als ein Winglet, da sie oben einen Flügel hat, um den Kräften zu widerstehen, die von der Seite auf sie einwirken. Bei dieser Verbindung mit dem oberen Flügel steht die wandartige vertikale Oberfläche eines Kastenflügels ebenfalls zwischen dem höheren Druck unter dem Flügel und dem niedrigeren Druck überall sonst.
Wenn ein Designer dies tut Eine gute Arbeit mit dieser Idee (viele nicht), sowohl die Doppeldeckerflügeloberflächen als auch die vertikalen Oberflächen des Boxwing-Systems werden die Geschwindigkeit von gradienteninduzierten Luftströmen mildern, indem sie gegen die unerwünschten Strömungen im 3D-Raum wirken. Sie werden dabei mit größerem vertikalen Abstand effektiver.
Der einfachere und effektivere Weg, den induzierten Luftwiderstand zu verringern, besteht einfach darin, die Flügelspannweite zu erhöhen oder das Fahrzeuggewicht zu verringern. Wenn ein Flügel länger wird, verringert sich der Teil des Auftriebs, den jede Einheit des Flügels ausführen muss, was bedeutet, dass zwischen der oberen und der unteren Oberfläche ein geringerer Druckunterschied besteht. Nach bewährten Methoden muss dieses Differential an der Spitze minimiert werden, damit der Gradient geschwächt wird. Das Ergebnis ist dann, dass ein schwächerer Druckgradient und ein längerer Abstand zwischen niedrigem und hohem Druck die Ausgleichsgeschwindigkeiten niedrig halten.
Wenn ein Flugzeug jedoch schwerer oder schneller wird, wird dieser Ansatz zunächst sehr teuer. dann unmöglich. Materialfestigkeitsbeschränkungen begrenzen die Flügelspannweite herkömmlicher Flugzeuge deutlich.
Überraschenderweise schneiden Boxflügel nicht besser ... vielleicht sogar schlechter ab. Was als struktureller Vorteil erscheint, konzentriert lediglich die von jedem Flügel erzeugten Biegekräfte auf die Ecken des Kastens. Wenn man sie schnell stark genug macht, wird sie übermäßig schwer. Daher sollte ein Kastenflügelflugzeug wie ein Doppeldecker eine kürzere Spannweite haben als ein Eindecker mit äquivalentem induziertem Luftwiderstand. Seine Spannweite trägt bei Konstruktionen mit kurzer Spannweite mehr Früchte bei, als wenn die Flügelspannweite erhöht werden kann.
Man könnte meinen, dieser Vorteil würde dann indirekt durch Geschwindigkeit Früchte tragen. Je schneller ein Flugzeug bei einer bestimmten Spannweite fliegt, desto weniger Luftwiderstand wird es verursachen. Tatsächlich wird bei hohen angezeigten Fluggeschwindigkeiten der induzierte Luftwiderstand zu einer kleinen Komponente des Gesamtwiderstands. Andere Aspekte der Konstruktion von Kastenflügeln scheinen jedoch Hochgeschwindigkeits-Boxwing-Lösungen behindert zu haben. insbesondere Stabilität; und "Interferenzwiderstand".
In einem Kastenflügeldesign gibt es einen vorderen Satz von Hubflügeln und einen hinteren Satz von Hubflügeln . Im Hochgeschwindigkeitsflug kann diese Konfiguration auf bestimmte Bedingungen nicht so stabil oder schnell reagieren wie ein Flügel mit einem (nach unten hebenden) Heck.
Bei der Einrichtung als Tandem-Hubflügelanordnung ohne einen solchen Stabilisator, wie es für moderne Versionen typisch ist, müssen Boxwings in ihrer kombinierten Mitte des Aufwärtshubs balancieren und nicht wie zuvor konventionelle Flugzeuge tun dies dank des stabilisierenden Einflusses eines in die entgegengesetzte Richtung drückenden Hecks. Diese Einschränkung und das Tandemflügel-Stall-Verhalten stellen anspruchsvolle, inhärente Anforderungen an Boxwing-Designs, die ihren Erfolg bei höheren Fluggeschwindigkeiten einschränken.
Wie oben erwähnt, erzeugen sie auch einen Interferenzwiderstand. Diese Art von Widerstand kann schwer vorherzusagen sein und wird auch häufig missverstanden. In der Praxis verringert der inhärente 3-D-Interferenzwiderstand eines Boxwing-Flugzeugdesigns den theoretischen 2-D-Vorteil der Konfiguration erheblich, um induzierte Widerstandsvorteile zu erzielen. Aus diesem Grund sind sie überhaupt nicht wie "normale Flügel".
Wie im ursprünglichen Beitrag erwähnt, gibt es eine neue Flugzeugkonfiguration, die häufig mit einem Kastenflügeldesign verwechselt wird. Es ist jedoch nichts wie sie. Es wird als Box-Tail- oder Double-Boxtail-Konfiguration bezeichnet. Ich bin der Designer des Synergy Double Boxtail-Flugzeugs , das als erstes Flugzeug dieser Art entwickelt wurde.
Diese etwas enttäuschenden Eigenschaften der ansonsten logischen Kastenflügelkonfiguration standen während der langen Entwicklungsphase von Synergy im Mittelpunkt. Es war mein Wunsch, eine hohe Spannweite und laminare Strömung in einem Hochgeschwindigkeitsflugzeugdesign zu nutzen und gleichzeitig Hochgeschwindigkeitslandungen und unvorhersehbares, instabiles Verhalten bei niedrigen Geschwindigkeiten zu vermeiden. Ein Video eines 25% -Modells im Flug und eine grundlegende Übersicht finden Sie unter synergyaircraft.com. Dort finden Sie auch einen Beitrag zum Thema Boxwings.
Für weitere Informationen zur Spanneneffizienz und zu nicht planaren Konfigurationen hat Ilan Kroo sehr gründliche Übersichten zu diesem Thema veröffentlicht. Die folgende Grafik wurde von einer in seinen Papieren erscheinenden übernommen. Es zeigt, wie der induzierte Widerstand im 3D-Raum bekämpft werden kann, indem man sich von einem flachen, ebenen Flügel in die vertikale Dimension bewegt. Synergy baut dieses Verständnis in den Längs- und Zeitdimensionen weiter auf, in Übereinstimmung mit den Konzepten, die George C. Greene zuerst bei der NASA Langley entwickelt hat.
