Wie man diesem
Link entnehmen kann, gibt es derzeit eine Fülle von
Vorschlägen, wie die neuen
Flugzeuge einer leisen und sparsamen Luftfahrt aussehen
könnten. Vom Nurflügel über den BWB
bis zum Boxwing und Mehrrumpfflugzeug ist so ziemlich alles vertreten,
was Sinn machen könnte.
Thelinked pdfshows some of the new
concepts considered as possible for a green fleet of future-aicrafts.
Among those especially the so called blended wing body
(picture permission
by Dryden FRC) has had (or has still) a
winner position - but there are some drawbacks:
Lange schien es so, als würden riesige, bis zu 100 m
Spannweite messende Blended-Wing-Bodies
das Rennen machen, übernahmen Sie doch den
leistungsfähigen Flügel konventioneller Flugzeuge,
dickten ihn mittig auf und erreichten ausreichende
Längsstabilität und gute Leistung durch die
seitlich auskragenden,
streckungsvergrössernden Flügel.
(Bild: permission by DrydenFRC, NASA)
Ein mögliches Problem solcher Flugzeuge / A possible problem with
those crafts:
Je geringer die Streckung des mittleren Flügelteils (isoliert
betrachtet) ausfällt, desto
schwächer ist der
Auftriebsanstieg dieses Mittelteils, was im Langsamflug die Folge haben
kann, dass die Mitte noch Auftrieb liefert, während die
auskragenden Flügel stallen. Dies
käme im Ergebnis dem Stall des Höhenleitwerks eines
konventionellen Flugzeuges gleich.
The middle
part of those
aircrafts has due to its low AR (seen isolated) a much slower rising
dCl/dalpha than the outer wing-extensions of high AR, which are
therefore stall prone under slowflight-conditions. And
the stall of this stabilizing area can lead to loss
of
controll.
Eine
mögliche Lösung dieses Problems
beschrieb ich in den
80er Jahren in einer Patentanmeldung für einen stabilisierten
Bodeneffektflügel -(DE 3636046 A1). Darunter ein Grossmodell
aus jener Zeit. Die stabilisierenden Flügelextensionen werden
invertiert und im Sinne eines Ringwings über die
Hauptfläche
geführt. In dieser Position liefern sie Auftrieb, stallen aber
nicht und können Steuerungsfunktionen übernehmen.
A possible solution for the BWB-stall-problem was already
found in the 80ths, when I stabilised a low AR wigwing. The
low AR wing gets his extensions "bended" up to a ringwing.
Due to this position the high AR stabilizing area produces
lift, but will not stall and can have elevons.
Der Umlaufflügel im Schlepp beim Abheben. The ringwing behind
a boat lifting itself.
Die moderne Version eines BWB-Verkehrsflugzeuges könnte ganz
ähnlich aussehen - unten: The modern version
of a stabilized BWB could look very similar - below:
Abgebildet ist oben links ein Blended-Wing-Body der aus identischen,
symmetrischen Profilen
einer Profilfamilie aufgebaut ist. Die inneren Profile sind 20% dick
und bilden einen Rumpf-
körper, der innen kreisförmig ist. Der
Flügel selbst hat nur 10% Dicke. Seine Extensionen
werden im Aussenbereich kreisförmig auf- und umgebogen und
ergeben damit den Stabilisierungs-
flügel, der sich auf einem mittigen Seitenleitwerk
abstützt. Es
resultiert
ein Umlaufflügel, dessen Einstellwinkel so
gewählt sind,
dass der Wechsel der Auftriebsgebiete aussen und oben erfolgt.
Siehe unten die Auftriebsvektoren: Above on the left
side the "unwind" BWB-ringwing. Using symmetrical airfoils
for the
vortex-
lattice-software this inverted stabilizing area produces lift - see the
vectors how the
lift
is distributed over the whole craft below. The ring changes
lift direction "late and up" to
get the most out of the downwing.
Unten eine Darstellung mit Nachlauf. Links und rotbraun die
Zirkulationsverteilung, grün
die Verteilung der Auftriebsbeiwerte - diese wechseln im Umlauf in den
negativen Bereich.
Wie der Pfeil rechts oben im linken Bild aber hilfreich anzeigt, ist
der Auftrieb dennoch
positiv. Eine tragende Stabilisierungsfläche.
Below brownishred
the distribution of circulation and green the distribution of local cl. Cl changes from
positive to negative in the ring section (like for a C-wing) but
produces a positive lift
(shown by the arrow in the right corner of the left picture).
In einer solchen Anordnung der Stabilisierungsfläche ist das
Stallproblem des Blended-Wing-
Body gelöst. Unten ein erzwungener 10 Grad Anstellwinkel.
Lila Auftriebsbeiwerte, Blaugrün
Zirkulationsverteilung, hellblau der
„überzogene“
Bereich, lila gepunktet die Grösse der
erreichbaren Auftriebsbeiwerte. Beim Stall erreichen die Werte
der Stabilisierungsfläche
nur 50% des Möglichen, obwohl die Streckung der
Stabilisierungsfläche sehr hoch ist.
Below a stall is
provoked by fixing the angle of attack at about 10 dregree. Stall occurs
(light blue areas) sideways the center of gravity banking the craft, but the stabilizing
area remains unaffected. The dotted lilac lines show the possible cl. Elevons in the
stabilizing area (green) could be used to correct the bank and pitch.
This is
prooven by
former models. (AR of the stabilizing area is very high to demonstrate
that no problems
with early stall will occur. Das
abgebildete Modell
entspricht in seiner
Gesamt- und Teilfläche
für Flügel und Leitwerk
in etwa den Flächen einer
Boeing 777-200. Der k-
Faktor beträgt für diesen
Flugzustand 0,86.
The shown modell
has the
areas and the mass of a
Boeing777-200 (about),
but span is only 75% and
k-factor is only 0,86 for
a flight with 120 m/s.
Unten dargestellt der typische Auftriebsanstieg über
Anstellwinkel einer solchen Konfiguration. Below the typical
rise of Cl versus alpha of such a configuration.
Links das Modell mit200 m langem Nachlauf für den
120 m/s Gleitflugzustand. Es zeigt sich, dass ein nichtplanares
System den Nachlauf glätten kann.
Left a possible
effect of a nonplanar system. The
wake of the wings could show a destructive inter-
ference flattening out the wake behind the craft.
Eine
interessante Beobachtung ist die folgende:
An interesting virtual phenomenon:
Links ein Ringwing mit 1,24 m Durchmesser und 0,2 m Flügeltiefe
bei einem Anstellwinkel von 15 Grad und 10 m Nachlauf. Auch ein
Ringwing hat bei Auftriebserzeugung zwei Randwirbel zur Folge,
aber bei genauerem Hinsehen erkennt man, dass diese Wirbel hier
bei diesem speziellen Zustand entgegegengesetzt zu der
üblichen
Drehrichtung drehen - es resultiert
ein Aufwindgebiet innen!
Left a ringwing
with 1,24 m diameter an 0,2 m cord, angle of attack is
15° and the shown wake is 10 m. This ringwing shows the typical two
vortices like every wing which produces lift. But in the shown
case the vortices turn against the direction
one is used to and they produce an upwind in the
middle!
Vielleicht ergeben sich aus dieser Beobachtung Möglichkeiten,
für einen ganz bestimmten
Flugzustand des Greenwings ähnlich wie mit einem
winglet eine Reduzierung des induzierten
Widerstands zu erreichen.
Maybe this astonishing result can be used later to reduce induced
drag for
a special condition of flight - just like a winglet.
Um dem
Greenwing mehr Rumpfanteil
zu geben, wurde das Mittelprofil so
gespreizt, dass ein ca.10 m breiter
Rumpfflügel entstand. Wichtig für
geringen Interferenzwiderstand ist
der Umstand, das Rumpf und Flügel
gleiche Profiltypen aufweisen.
In order to haven
more space for the
payload the middle section was stretched
sideways which led to a "fusewing"
which has 10 m useful span.
Low interferencedrag can be achieved
by using the same airfoil- familiy
to give fuse & wing shape.
Diese Ansicht zeigt den breiteren
Rumpf etwas deutlicher
The frontview shows
the wider fuselage.
Blau die Zirkulationsverteilung,
lila Auftriebsbeiwerteverteilung
für den Greenwing mit breitem
Rumpf bei 120 m/s.
Blue distribution
of circulation, lilac
distribution of coefficents of
lift for this craft - 120 m/s.
Die
Kurve zeigt den
Verlauf des Momentenbeiwerts über
Anstellwinkel. Die
Grundbedingung für Längsstabilität
ist auch mit verbreitertem Rumpf gut erfüllt.
The graph shows, that the above configuration with
a wider fuselage will show a very good longitudinal
stability. The graph rises from right to left and
indicates that lower angles of attack will cause a
stable pitching up moment and vice versa.
Ein Vergleich der
oben gezeigten Version mit einer
B777-200 bei gleichem Masstab. Spannweite des
Greenwing 51,4 m, Fläche (tragend) 678 qm.
Spannweite der B777-200 60,9 m und 417 qm
tragende Fläche.
Nutzbare "Rumpfbreite"
der Greenwings ist 10 m
gegenüber 6 bei der B777-200, aber
der Rumpf der Greenwings ist kürzer
A comparison with same scale. Span of the
Greenwings above is 51,4 m and lifting
surface is 678 sqm. Span of the B777-200
is 60,9 m and wingarea ist 417 sqm.
Useful width of the
Greenwings "fuselage"
is 10 m, but the fuselage is shorter than
the one of the B777-200 with 6 m width.
Unten die Polare von Greenwings bei Meereshöhe
und bei MTOW (15%
Stabilitätsmass) erzeugt über die
Höhenruderfunktion. Nicht eingerechnet ist in diese Polare der
Widerstand der Triebwerke. Kompressibilitätseffekte
wurden nicht berücksichtigt. Als Profile
wurden NACA0009 und NACA0010
Profile eingesetzt - Greewingsrumpf NACA0020. Eine Gleitzahl von 30
scheint erreichbar.
Blue the Polar of
Greenwings at sealevel with 15% stability margin and MTOW. The polar was
produced by elevator function. The drag of engines is not
calculated as well as compress.
effects. The craft showed NACA0009 and NACA0010 airfoils for the wings,
the fuselage of
Greenwings showed NACA0020. A L/D of 25 in the real world with
optimized airfoils might be
possible.
Insgesamt erscheint es prinzipiell möglich, die Vorteile des
Blended-Wing-Body mit denen
eines Ringwings zu kombinieren und Leistungen zu erzielen, die deutlich
über jenen liegen,
die heute konventionelle Auslegungen erreichen. Modelle solcher
Konfigurationen erreichten
in den 80er Jahren gute Flugleistungen bei hoher Stabilität.
It seems to be
possible to stabilize a BWB and give it a better efficiency than the
known wing-fuselage-stabilizer-configurations.
Modells of those crafts in the 80th showed good
behaviour and performed very well.
Eine
ganz andere Frage ist die, wie man mit solchen
Flugzeugen Hochauftrieb
ohne eine Hinterkantenhilfe
erzeugen soll - etwa um zu landen.
Noone really knows how one could make a BWB very
slow, because the usual flap combinations at the
trailing edge cannot be used and great angles of
attack (like with the concorde)will stall the
wingextensions. Eine mögliche
Idee wäre eine Split-Flap 40% der Profiltiefe vor der
Hinterkante, die mit dem
hinter ihr entstehenden Unterdruckgebiet über einen slat einen
Teil des Oberseitenstroms ab-
leitet und ablenkt. Die Splitflap liefert dabei auch newtonschen
Auftrieb, der weit vor der
Hinterkante des Hauptflügels wirkt. Krügerklappen
und/oder Nosedrops als Ergänzung.
An idea which came
in mind would be a well forward situated split flap which "evacuates" a part of the upper
stream deflecting it downwards, with the flap giving additional lift by Newtons law as well. Krugerflaps and/or
nosedrops would work anyway.
Oben
links die bisher besprochene Konfiguration, Mitte eine vereinfachte
Variation und ganz
rechts eine Blended-Wing-Body-Konfiguration, die Fläche und
Volumen deutlich vergrössert.
Die Endscheiben, die hier bei entsprechend vergrösserter
Spannweite den Ringübergang ersetzen,
wurden so optimiert, dass die Auftriebsrichtung dort weich wechselt:
Above left the
first configuration, in the middle the simplified variation and at the
right a
blended-wing-body-variation which shows much more lifting area and
volume. The endplates,
which are necessary to get the configuration in x-plane later, were
optimized for the change
of lift direction, span was increases by the diameter of the
ringconnection.
Die Polaren der Konfigurationen (wieder auf Meereshöhe). Polars at sea level.
Bei identischer Flächenbelastung von 330kg/qm ergaben
sich die oben abgebildeten Polaren
für die reine
Flügelkonfiguration. Das vereinfachte Modell in der Mitte unterscheidet sich
in der Leistung kaum von der Konfiguration ganz links.
With a wingloading
of 330 kg/sqm the VLM-software showed the polars above.
The simplified
version in the middle offers nearly the same performance as the more complex craft left.
Um zu sehen, wie sich das Flugzeug dynamisch, bei Steuereingaben und beim Setzen von Klappen
verhält, wird die vereinfachte Konfiguration
in x-plane 9.7 zunächst als Gleiter im Masstab
1:10 modelliert. Die Spannweite beträgt 5,1 m, die
tragende
Fläche 7 qm und die Masse 234 kg, womit die Flächenbelastung
von 33 kg/qm beträgt. Unten die Polare von Modell und "Original",
sie zeigt den Effekt des kubisch-quadr.-Gesetzes, wonach "downsizing" die Oberfläche relativ
vergrössert und damit den Widerstand erhöht und die Leistung verschlechtert.
In order to see how
the plane behaves dynamically it first was scaled down 1:10, mass was
re- duced to 234 kg,
which gives a wingloading of 33 kg/m for the glider with 5,1 m span.
Such a little glider in
the x-plane-simulation can show at once if something works not as
predicted, because its inertia is low. Below the polars of Greewings and its model, which show, that down_
sizing produces a greater (relativ) surface and increasing drag.
Das Video unten zeigt
das Verhalten des Modells mit ausgefahrenem 2-stufigen-Klappensystem
und slats (x-plane zeigt hier optisch nur
Symbolklappen) hands-off/stick fix in Turbulenz
und
Thermik. Typisch
für boxwings ist die leichte dutch-roll, eine Gier-Roll-Schwingung.
Das Modell liess sich problemlos steuern und erreichte ein L/D von 19,5.
The video shows the hands-off stick fix behaviour of the modell in rough conditions with well
developed thermals - landing configuration with double fowler flaps and slats. (X-plane shows
just the symbols for these flaps and slats, but calculates them right). One can see the light
dutch roll boxwing-configurations often show. The model was "handsome" and reached L/D 19.5
In einem
nächsten Schritt wurde für x-plane die dort als
Standard mitgelieferte B777-200
mit einem neuen Tragwerk versehen, der Rumpf entfernt, die Position der
Triebwerke sowie
Schwerpunkt, Tanks neu eingereichtet und Klappenfunktionen eingebaut, mit denen sich das
Flugzeug problemlos fliegen liess. Dazu wurde die Seitenruderwirkung durch
Ruderflächen
in den Seitenscheiben unterstützt und die Stabilisierungsfläche wurde mittig
etwas tiefer
ausgeführt, um eine optimale Höhenruderwirkung zu erzielen. Durch alle Massnahmen stieg
die tragende Fläche inkl. Stabilisierungsfläche auf 774 qm.
Next the Greenwings
was modelled in x-plane with the help of an existing standard
B777-200,
which is well
known to be very near the real world craft in performance and
behaviour. The wings
were removed and the boxwing took place, the fuselage was removed,
landig gear and CG were
altered and new flaps and slots installed, engines got another
place etc. Additional
little rudders were
installed in the endplates to support central rudder-function and the
stabilizing rear
wing was made more deep in the middle to get more elevatorarea, which in-
creased the total lifting area (incl. rear wing) to 774 qm.
Das Flugzeug war weiterhin mit den Profilen NACA 0020, 0012 und 0009 ausgestattet, denn es
kam mit x-plane nur darauf an, das dynamische und das Steuerverhalten der Konfiguration zu
testen. Die Stabilität um alle Achsen ist gut, wobei die Querachse auf Höhenrudereingaben
weit schneller reagiert als das Vergleichsflugzeug B777-200. Dies lässt sich auch an den
von x-plane zugrundegelegten Trägheitsradien (mit statistischen Werten ermittelt) ablesen:
The model was equipped with the airfoils NACA 0020, 0012 and 0009, because x-plane should not show the real world performance, but the handling qualities and dynamic behaviour. The stability around all axes was well and the craft followed the commands without a critical coupling of moments, but the pitch axis is much more lively than in the x-plane B777-200, which is said to be very near the real world behaviour. The radii of gyration show that too:
GreenwingsLF-si:
The radius of gyration in roll is 8.60 m.
The radius of gyration in pitch is 5.81 m.
The radius of gyration in yaw is 9.97 m.
B777-200:
The radius of gyration in roll is 6.63 m.
The radius of gyration in pitch is 11.30 m.
The radius of gyration in yaw is 12.74 m.
Die Langsamflugeigenschaften sind absolut harmlos, mit einem MTOW von 234.000 kg auf Meereshöhe
erreicht das x-plane-Modell antriebslos eine Mindestgeschwindigkeit ohne Klappen von 160 kn,
mit Klappen 10° 149 kn und mit Klappen 30° 139 kn - Gesamt-Cl 0,85, 0,95, 1,1. Greenwings hat
nicht die geringen Auftriebsbeiwerte eines Blended Wing Body, aber auch nicht die deutlich
höheren Auftriebsbeiwerte der Normalkonfiguration.
Der mittlere Rumpfflügel trägt bei x-plane im Normalflug mit 34,5 Prozent, der konventionelle
Flügel mit 46,3 % und der Stabilisierungsflügel mit 19,2 % zum Auftrieb bei.
The behaviour at low speed is forgiving, with a MTOM of 234.000 kg the x-plane-modell showed at sealevel and engine out a minimum speed of 160 kn, Flaps 10° 149 kn, flaps 30° 139 kn, which is the result of a Cl of 0,85, 0,95 1,1. Greenwings has better Cl than Blended Wing Bodies, but less than the usual configuration.
The fuselage-part of the frontwing generates in x-plane 34,5 % of the total lift, the outer
wing 46,3 % and the stabilizing rear wing 19,2 %.
X-plane gibt neben den auftriebserzeugenden Flächen auch die "nasse Fläche" mit an, sodass für
einen Vergleich auch die "nasse" Streckung (wet AR) ermittelt werden kann. Um vergleichbar zu
bleiben wurden bei der B777-200 die 4 Pylone für Antriebe und Klappensysteme abgezogen und es
wurde nur die reine Rumpfröhre ohne Erweiterungen gerechnet. Die Antriebsverkleidungen gingen
für beide Flugzeuge identische ein. - Das Ergebnis:
Die B777-200 in x-plane weist eine tragende Fläche (inkl. Höhenleitwerk) von 556 qm auf, ihre
nasse
Fläche beträgt nach den oben genannten Abzügen 1922 qm. Als Verhältnis
556/1922=0,289.
Und ihre nasse Streckung beträgt 60,9^2/1922=1,92.
Die GreenwingsLF-si weist in x-plane eine tragende Fläche (inkl. Stabilisierungsfläche) von
774 qm auf, die nasse Fläche beträgt 1102 qm. Als Verhältnis ergibt sich damit 774/1102=0,7.
Und ihre nasse Streckung beträgt 51^3/1102=2,27.
X-plane calculates the lifting area and the wetted area as well. In order to stay comparable the additional pylons of the B777-200 in x-plane were not counted and the fuselage counted only with its tube. Engines and their nacelles were identical. - The results:
The Boeing 777-200 in x-plane has a lifting area incl. elevator area of 556 qm, the wet area is calculated to 1922 qm, the ratio is 556/1922=0,289. The wet AR is 60,9^2/1922=1,92.
The Greenwings LF-si has a lifting area (incl. rear wing) of 774 qm whereas the wet area is
1102, the ratio is 774/1102=0,7. Wet AR is 51^3/1102=2,27.
Der Rumpfflügel erhält in x-plane seine Form alleine durch die verwendeten symmetrischen NACA
Profile 00xx, nicht aufgrund weitergehender Überlegungen. Gleiches gilt für die gezeigte Lage
der Triebwerke, die zum Rumpf hin verkleidet werden müssten etc. Eine andere Frage ist es, ob
ein fensterloser Rumpf akzeptiert würde. Für den BWB wurde diese Frage, neben anderen, zu dem
Kriterium der Ablehnung als Passagierflugzeug, doch ich denke, diese Überlegungen sind falsch:
Wenn die Darstellung auf "Bildschirmen" in 20 Jahren so weit fortgeschritten ist, wie es sich
heute schon abzeichnet, werden wir Häuser ohne Fenster haben, aber mit Wänden, die uns die
jeweilige Umgebung des Hauses so zeigen können, als wären sie aus Glas. Wir werden gewohnt
sein einen Schalter zu betätigen und die Welt draussen aus dem Haus zu betrachten, als wäre
nur der Boden des Hauses vorhanden. Und Gleiches kann dann für Flugzeuge gelten:
Deren Wände und Decken und vor allem deren vorderes Schott werden für die Passagiere in der
Zukunft vermutlich nicht existieren, sondern sie werden dort das Umfeld so sehen, als würden
sie auf einem "fliegenden Teppich" sitzen. Es wird vermutlich zu den begehrten Erlebnissen
zählen, das Fliegen als Reise im Cabrioflugzeug zu erleben, ohne den Unbilden ausgesetzt zu
sein. Mit vollem Blick nach vorne, wie die Piloten, falls es die dann noch gibt. Die Zukunft
ist nun einmal keine Extrapolation der Gegenwart, sondern sie kennt ganz neue Faktoren!
Ob es die hier vorgeschlagene Synthese aus BWB und Boxwing je geben wird, bleibt trotzdem
offen. Interessant wäre ein Greenwings mit 70 m Spannweite, dessen Rumpfvolumen dann bald
das 3fache des vorgestellten 50 m Greenwings hat, aber relativ weniger Oberfläche. Gleichwie:
Wichtig war mir, die Idee vorgestellt zu haben. In der mir eigenen Art und Weise.
Note: The wingbody in x-plane gets its shape from the used standard Naca-00xx airfoils and
would have an other look, if the idea of combining a Blended-Wing-Body with a boxwing or a
ringwing would be of interest. Here it is just a cheap trial. This also means the location
of the engines.
Another question is, if aicrafts without windows would be accepted. Boeing says no, but the
future might show us houses without windows, but walls which are giant screens and we will
sit on the couch as if we would sit there open air. People will be used to have screenwalls
instead of windows and perhaps people cant await to fly in a craft without windows, because
they have the impression to fly open air and with full view in front an to the sides through
the open sky.
The best Greenwings would perhaps have 70 m span instead the shown 50 m, then the volume of
fuselage is nearly 3 times greater, but the wetted aerea will not increase in the same way.
This BWB-Boxwing is just an idea which escaped me.
