Leiden Box-Wings genauso wie normale Wings unter induziertem Widerstand?

Der Kastenflügel ist nur dann besser, wenn Sie Flügel mit identischer Spannweite vergleichen . Die beiden Flügel eines Kastenflügels arbeiten in verschiedenen Treffz-Ebenen , sodass die Abwaschung vertikal verteilt ist. Der Unterschied im induzierten Luftwiderstand zu einem einzelnen Flügel ist nicht groß, nur ein paar Prozent. Der Reibungswiderstand ist höher (siehe unten), ebenso wie die Strukturmasse, sodass der Kastenflügel mehr Auftrieb erzeugen muss. Dadurch ist der induzierte Widerstand eines Kastenflügels effektiv höher als der eines einzelnen Flügels.

Was ist induzierter Widerstand überhaupt? Dies ist die Folge der Erzeugung eines Auftriebs über eine begrenzte Spannweite. Der Flügel erzeugt Auftrieb, indem er Luft nach unten ablenkt. Dies geschieht allmählich über die Sehne des Flügels und erzeugt eine Reaktionskraft orthogonal zur lokalen Luftgeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die Reaktionskraft nach oben und leicht nach hinten zeigt. Diese Rückwärtskomponente wird durch Luftwiderstand induziert! Flügelspitzen sind nicht beteiligt und nicht Dies führt zu induziertem Luftwiderstand. Die Erzeugung eines Auftriebs ist.

Wenn Sie schnell fliegen, strömt pro Zeiteinheit viel Luftmasse am Flügel vorbei, sodass Sie die Luft nur geringfügig ablenken müssen. Ihr induzierter Luftwiderstand beträgt klein. Gleiches gilt für eine große Spannweite: Es gibt mehr Luft, die abgelenkt werden kann, sodass der induzierte Luftwiderstand gering ist.

Ein Kastenflügel benötigt zwei schlanke Flügel pro Seite, die eine kleinere Sehne als a haben einzelner Flügel mit derselben Oberfläche. Daher ist ihre Reynolds-Zahl kleiner und ihr Reibungswiderstand höher. Außerdem ist der Flügelholm weniger dick und muss schwerer sein, um denselben Auftrieb zu tragen!

Wenn Wenn Sie die Beschränkung auf eine identische Spannweite aufheben, kann es sich der optimale Einzelflügel leisten, mehr Spannweite zu haben (aufgrund seiner besseren Struktur) l Effizienz), und weg geht der Vorteil des Kastenflügels. Und wenn Sie sich das Gesamtbild ansehen und die strukturelle Masse hinzufügen, hatte der Kastenflügel diesen Vorteil überhaupt nicht.

Ja, aber was ist mit der Synergie?

Die Synergie ist Ein cleveres Design mit einigen Vorteilen, aber es kann die Physik nicht betrügen. Dies sind die Vorteile:

• Die Schubstütze hält die Flugzeugzelle frei von Nachlaufverwirbelungen, sodass mehr Fläche in laminarer Strömung gehalten werden kann.
• Die Schubstütze saugt die Luft ab Der hintere Rumpf verhindert effektiv eine Trennung.
• Die beiden stumpfen Heckausleger und Lamellen bieten einen hervorragenden Schutz für den Propellerbereich am Boden.
• Die kompakte Anordnung hält die stabilisierende Wirkung des Propellers gering Die Manövrierfähigkeit leidet also nicht viel.
• Die Verwendung von Verbundwerkstoffen und Segelflugzeugtechnologien verringert den Reibungswiderstand.
• Der Dieselmotor verbraucht billigeren Düsentreibstoff und ist sparsamer als ein Benzinmotor.

Beachten Sie, dass ich das Design der Kastenflügel nicht erwähnt habe?

Hier sind die Nachteile:

• Die Flügelbewegung in einem Propellerflugzeug sieht cool aus, erhöht aber den Luftwiderstand , weil der Flügel größer sein muss, um den gleichen Auftrieb zu erzielen.
• Insgesamt hat diese Konfiguration vier vertikale Schwänze, von denen jeder seinen eigenen Interferenzwiderstand und einen kurzen Akkord hat, der wiederum den Widerstand über a erhöht vergleichbarer einzelner vertikaler Schwanz.
• Der ausgestreckte horizontale Schwanz ist auch weniger effektiv als eine kleinere einzelne Oberfläche mit mehr Sehne und mehr Abstand vom Schwerpunkt.
• Das kompakte Layout bietet wenig Pech- oder Gierdämpfung. Ich frage mich, wie die Fahreigenschaften bei böigem Wetter sind.

Ich würde ein konventionelleres Layout nach dem Vorbild des fs-28 erwarten wäre noch effizienter.

Akaflieg Stuttgart fs-28 im Flug (Bild Quelle )

Kommentare

• Hatte Wikipedia einen Artikel auf der Trefftz Flugzeug damals? Auf jeden Fall ist dieser Link praktisch tot, nur zu Ihrer Information.
• @AEheresupportsMonica: Danke, dass Sie mich informiert haben. Ich kann mich nicht erinnern, wie die Wikipedia-Seite vor 5 Jahren ausgesehen hat, aber jetzt hat MIT eine viel bessere Seite, die zeigt, was ich meine.

Sie sind nicht frei von induziertem Widerstand, aber der induzierte Widerstand ist stark verringert, wie in Prandtls NACA-Papier von 1924 und berichtet in diesem Buch (siehe Kapitel 11)

Die Autoren dieses Buches haben die Ergebnisse auf das Design von dieses Flugzeugs

Kommentare

• Cool! Woher kommt also der induzierte Widerstand?
• @falstro Die Flügel werden niemals perfekt sein, es wird immer noch eine gewisse Zirkulation stattfinden. Außerdem kann der aerodynamische Kraftvektor abhängig von der Flügelform leicht nach hinten geneigt werden, wodurch eine Widerstandskomponente entsteht.
• Wikipedia hat einige schematische die C-Flügel sich Box-Flügeln nähern lassen
• @Federico: Die Zirkulation um die Spitzen beträgt einige Prozent. Vielleicht 10 oder 20%, aber nicht mehr. Das meiste wird einfach dadurch verursacht, dass Luft und Luft mit Kraft beaufschlagt werden, frei beweglich sind, beschleunigen und kinetische Energie mitnehmen. Daran kann nichts getan werden. Das Ergebnis ist, dass der induzierte Widerstand verringert wird, aber nicht stark .
• @JanHudec Ich habe Schwierigkeiten zu verstehen, was Sie meinen, aber wenn ich Sie richtig lese, sprechen Sie über den gesamten Widerstand , nicht nur der induzierte Teil.

F: Leiden Boxflügel wie normale Flügel unter induziertem Widerstand?

A: Ja und nein. Box Wing-Flugzeuge leiden genauso wie alle Flugzeuge unter induziertem Luftwiderstand, wenn sie schwerer als Luft 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 Monoplane mit 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 tatsächliche 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 beeinflusst. in den absteigenden Lufttrog fallen, „den die Flügel nach unten verschoben haben.

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. Dadurch wird mehr Luftmasse als das Flugzeug benötigt, um sich zu bewegen, nur um den benötigten Auftrieb zu erhalten.(Der Impulsunterschied ist im wahrsten Sinne des Wortes der induzierte Widerstand, obwohl wir ihn normalerweise auf eine Weise lehren, die eher mit der Visualisierung und Berechnung des induzierten Widerstands in 2D zusammenhängt. Andere hier veröffentlichte Antworten veranschaulichen dies auf herkömmliche Weise.)

Induzierter Drag & Wake-Wirbel kann für ein Hubflügelsystem jeglicher Art nicht eliminiert werden. . Die meisten Flugzeugflügelkonstruktionen lassen jedoch etwas anderes zu, das die Kosten für das Auftrieb mit einer begrenzten Flügelspannweite erheblich erhöht: lassen sie hohe Drücke unter dem Flügel sind „zu nahe“ an den niedrigen Drücken über dem Flügel für den Betrag der Druckdifferenz , das sich im Flug entwickelt hat. Wenn an einer Flügelspitze ein hoher Differenzdruck besteht, bildet sich dort ein starker, tornadoartiger Wirbel.

Ermöglichen, dass sich zwischen niedrigem Druck ein starker Gradient bildet und hoher Druck bewirkt, dass sich Luft mit hoher Geschwindigkeit in Richtung niedriger Druck bewegt, 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 oben ein Flügel angebracht ist, um den Kräften zu widerstehen, die von der Seite auf sie einwirken. Bei dieser oberen Flügelverbindung steht die wandartige vertikale Oberfläche eines Kastenflügels ebenfalls zwischen dem höheren Druck unter dem Flügel und der niedrigere Druck überall sonst.

Wenn ein Konstrukteur mit dieser Idee gute Arbeit leistet (viele nicht), werden sowohl die Doppeldeckerflügelflächen als auch die vertikalen Flächen des Boxwing-Systems die Geschwindigkeit der Gradienten-induzierten moderieren Luftströme durch Einwirkung gegen die unerwünschten Strömungen im 3D-Raum. Sie werden dabei mit größerem vertikalen Abstand effektiver.

Der einfachere und effektivere Weg, den induzierten Widerstand 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 Spannweiteneffizienz trägt bei Konstruktionen mit kurzer Spannweite mehr Früchte als bei einer größeren Spannweite.

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 Vorwärtssatz von Hubflügeln und ein Achternsatz 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 ausbalancieren nach oben heben, anstatt wie bei herkömmlichen Flugzeugen davor zu fahren, dank des stabilisierenden Einflusses eines in die entgegengesetzte Richtung drückenden Hecks. Diese Einschränkung und das Verhalten des Tandemflügelstalls stellen herausfordernde, 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 erste Flugzeug dieser Art, das 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.

Kommentare

• Sie Beginnen Sie mit einer großartigen Erklärung, warum induzierter Widerstand auftritt, und fallen Sie dann in die alte Falle von “ Wirbeln, die durch den Fluss um die Spitze “ erzeugt werden wie die meisten anderen hier. Traurig.
• @Peter Ich denke, Sie ‚ sind hier ein bisschen pedantisch (was in Ordnung wäre, wenn Sie es nicht traurig ‚). Während ‚ wahr ist, dass Wirbel nicht die Ursache für induzierten Widerstand sind, kann man zeigen, dass die Erzeugung eines Auftriebs ohne Wirbel gleichbedeutend mit der Erzeugung eines Auftriebs mit einer unendlichen Flügelspannweite wäre. Wie viele Dinge in der Physik hängen Ursache und Wirkung weitgehend von ihrem Standpunkt ab und nicht von einem absoluten Maß.
• @sanchises: Ich stimme zu. Ja, ich bin pedantisch, aber nur, weil ich davon überzeugt bin, dass nur strenge Logik zu einem vollständigen Verständnis führen wird. Verwirrtes Denken, bei dem Ursache und Wirkung austauschbar werden, führt zu verwirrtem Verständnis, und das Erklären von etwas von diesem Ausgangspunkt aus wird Anfängern, die die Details so leicht missverstehen, einen schlechten Dienst erweisen. Und dann hört man wieder von diesen armen Leuten, die nie die Gelegenheit hatten, die Dinge richtig zu lernen, dass die Spitzenwirbel Widerstand verursachen. Ist es nicht richtig, ‚ traurig darüber zu sein?
• @PeterK ä mpf Aber dann zu konzentriert zu sein Strenge führt zu unnötig komplizierten Dingen. Das Reduzieren von Flügelspitzenwirbeln führt zu einer erhöhten effektiven Flügelspannweite, die den induzierten Widerstand verringert – vielleicht als grobe Annäherung, wenn “ Flügelspitzenwirbel induzierten Widerstand verursachen “ hat einen Kern der Wahrheit. Aber ich denke, wie bei allem in der Luftfahrt hat die einfache Erklärung ‚ ‚ tatsächlich relativ wenig Erklärungskraft und wird bei Box Wings zu kurz kommen werden im Detail analysiert.

Der Hauptgrund für den induzierten Widerstand ist, dass der Flügel die Luft beschleunigt darüber und darunter nach unten erhöht sich die kinetische Energie und aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes muss es diese Energie irgendwohin bringen. Der einzige Weg besteht darin, negative Arbeit am Flugzeug zu leisten, dh Luftwiderstand zu induzieren.

Die pro Zeiteinheit beschleunigte Luftmenge ist proportional zur Spannweite und Geschwindigkeit des Flugzeugs. Wenn dieselbe Luft auf dieselbe Luft angewendet wird, wird sie auf eine niedrigere Geschwindigkeit beschleunigt, und da die kinetische Energie proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist, wird weniger Luftwiderstand induziert „s warum Flügel mit hoher Aspektration (lange Spannweite) effizienter sind und warum der induzierte Widerstand mit der Geschwindigkeit abnimmt.

Die Flügelspitzenwirbel sind einfach Grenzen dieses Bereichs absteigender Luft. Und weil Sie keinen Auftrieb erzeugen können, ohne die Luft nach unten zu beschleunigen (durch das Gesetz der Wirkung und Reaktion), ist dieser induzierte Widerstand der Hauptgrund, und jeder Flügel mit endlicher Spannweite wird ihn induzieren. Und er hängt nur vom erzeugten Auftrieb, der Flügelspannweite und der Geschwindigkeit und ab nichts sonst.

Siehe auch Wie es fliegt, Abschnitt 3.13 (die Abbildung stammt von dort).

Nun gibt es einen zusätzlichen induzierten Widerstand, der durch Luft mit höherem Druck verursacht wird, der um die Flügelspitze strömt und nicht zum Anheben beiträgt (oder sogar leicht negativ) ), trägt aber zum Ziehen bei. Es sind vielleicht niedrige zehn Prozent oder so ähnlich. Die mehreren Prozent, die durch verschiedene Maßnahmen eingespart werden können, sind bedeutend genug, um die Mühe wert zu sein, aber sie sind immer noch mehrere Prozent. Wunder sind nicht möglich.

Übrigens hat der Kastenflügel noch Spitzen. Luft kann nicht zu oder zwischen den Flügeln strömen, aber sie kann von unter der unteren horizontalen Oberfläche bis über die obere strömen. Außerdem hat der Flügel ein relativ geringes Seitenverhältnis.

Viele gute Punkte zur Reduzierung des Luftwiderstands.

Ja, der induzierte Luftwiderstand kann mit einem Kastenflügel um einige Prozent reduziert werden, indem der Wirbel der Flügelspitze diffundiert Macht einen Unterschied von einigen Prozent, was signifikant ist. Ungefähr das Gleiche wie ein Doppeldecker.

Der WIRKLICH überzeugende Vorteil von Boxwings ist strukturell. Mit den an den Spitzen verbundenen Flügeln ist dies möglich und praktisch für eine gegebene Festigkeit und Steifheit mit weniger Material zu entwerfen. Die Flügel können sich gegenseitig stützen und die natürliche Resonanz des anderen dämpfen, wodurch ein gewisser Spielraum gegen Flattern und Versagen entsteht.

Rick Gendreau, Designer, Halcyon Boxwing.

Geschlossene Systeme (Box Wing ist nur eine bestimmte Art von geschlossenem Flügel), C-Flügel und Biwings sind tatsächlich verwandt als Was die Minimierung des induzierten Widerstands betrifft.

Wenn Sie an technischen Antworten bezüglich interessiert sind Induzierte Widerstandsminimierung / Leistung von Box Wings, geschlossenen Systemen, Bi-Wing-Systemen und Multiwings finden Sie alle Details in den folgenden Veröffentlichungen (ich kann Ihnen auch die senden Papiere, wenn Sie mir eine E-Mail an die Adresse luciano.demasiATgmail.com ) senden:

===== Artikel 1 =====

Demasi Luciano , Monegato Giovanni, Dipace Antonio und Cavallaro Rauno „ Minimum Induced Drag Theorems für Joined Wi ngs, geschlossene Systeme und generische Biwings: Theorie „, Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, Seiten 1-36, DOI: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Artikel 2 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno und Dipace Antonio „ Minimale induzierte Widerstandssätze für verbundene Flügel, geschlossene Systeme und generische Biwings: Anwendungen „Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, Seiten 1-25 , Doi: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Artikel 3 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno „ Minimale induzierte Widerstandssätze für Mehrflügelsysteme „, 2016, 4.-8. Januar, SciTech2016, San Diego, Kalifornien, AIAA 2016-0236

===== Artikel 4 =====

Demasi Luciano, Dipace Antonio, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno „ Invariante Formulierung für die minimalen induzierten Widerstandsbedingungen von nichtplanaren Flügelsystemen „, AIAA Journal, 2014, Oktober, 10,2223-2240,52, Doi: 10.2514 / 1.J052837 URL: http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J052837

Mit freundlichen Grüßen

Luciano Demasi

Kommentare

• Die Referenzen sind sicherlich hilfreich, aber einige Informationen hier in die Antwort aufzunehmen wäre noch hilfreicher.
• Weitere Informationen finden Sie auf Wikipedia unter folgendem Link: en.wikipedia.org/wiki/Lift-induced_drag [dort werden auch mehrere Bilder gepostet] Oder ich kann Material senden, wenn Sie eine E-Mail senden Adresse. Viele Grüße, Luciano Demasi