Der Amerikaner Wainfan war der erste,
der einen lifting body als Ultraleicht entwarf, baute und
erfolgreich flog. Ein Flugzeug, das an die Stealth-Flugzeuge
erinnert, laut Wainfan aber vor diesen und unabhängig davon
entwickelt wurde. Warum auch nicht, Ideen entstehen oft zur
gleichen Zeit an verschiedenen Orten.
Interessant ist, daß dieses Flugzeug
in der Leistung den üblichen UL-Flugzeugauslegungen nicht
nachsteht, sogar in puncto Stall und Trudeln sicherer ist und
mit modernen Baustoffen aufgrund der facettierten Oberfläche
extrem leicht gebaut werden könnte. Als ein Hohlkörper aus
Sandwichplatten. Dazu gibt es eine schöne Studie: http://members.aol.com/slicklynne/pavreport.pdf
Nachteilig ist aber, daß für solche
Flugkörper keine standardisierten Daten ähnlich solchen von
Flügelprofilen und Flächenformen vorliegen, sondern daß
man jeden Lifting body als ein neues Gesamtsystem betrachten
muß, für das es gilt, ein sinnvolles Gesamtströmungsumfeld
zu schaffen. Und was da sinnvoll ist, erklärt sich z.B. auch
aus einer Betrachtung der Deltaflugzeuge.
Deltaflugzeuge entwickeln je nach
Flügelform, Profil, Anstellwinkel und Ausformung ihrer
Nasenkante zwei Arten von Auftrieb. Bei Deltas mit großem
Nasenwinkel und großer Streckung überwiegt der
Potentialauftrieb, der auf die gleiche Weise entsteht wie bei
einem üblichen Flügel, durch eine Translationsstromung.
D.h., der Flügel wird in Flugrichtung umströmt und es
entstehen Druckdifferenzen in der Umströmung. Links zeigt
dies die untere Kurve.
Bei Deltas mit einem kleinen
Nasenwinkel, also auch kleiner Streckung, entstehen dagegen
bei einem flachen Profilverlauf und einer scharfen
Eintrittskante eine Rotationsströmung über der Oberfläche.
Zwei Tütenwirbel, deren örtliche Zusatzgeschwindigkeiten
einen sehr starken Auftrieb erzeugt - den Wirbelauftrieb. Er
ist stabiler als der Potentialauftrieb, läßt also höhere
Anstellwinkel zu, ist aber widerstandreich.
Und es können auch beide Formen im
Wechsel, je nach Anstellwinkel vorkommen. Einen besonderen
Nachteil hat die typische Deltaform aber auch:
Die linke Skizze zeigt die
Auftriebsverteilungen über dem Flügel im Querschnitt - von
hinten oder von vorne gesehen. Es fällt auf: Deltaflugzeuge
weisen mittig einen sehr schwachen Auftrieb auf, es fehlt das
schraffierte Gebiet. Ursache dafür ist, daß hinter dem
Flügel mittig ein starkes Abwindfeld entsteht, bewirkt durch
die starken Randwirbel, die bei jeder Auftriebsart auftreten.
Starker Abwind mittig hinter einem Flügel hebt aber die
Strömung mittig vor dem Flügel an - der effektive
Anstellwinkel wird dort klein. Die Folge ist deutlich
fehlender Auftrieb in der Mitte.
Ein lifting-body kann nun dieses
"Mittenloch" im Auftrieb dadurch zu füllen
versuchen, daß er dort eine "überhohe" gekrümmte
Struktur aufweist, die über den Coanda-Effekt - die
Strömung folgt der Form - einen Coanda-Zusatzauftrieb nur
für die Oberseite erzeugt. Daadurch kann das
"Mittenloch" schwächer werden.
Der mittlere Rumpfkörper für den
Coanda-Auftrieb darf aber nicht wie die Oberseite eines
Profils arbeiten, da dieser Auftrieb im Wirkort mit dem
Anstellwinkel stark wandern würde. Schlecht für die
Flugstabilität. Kantige Formen mit definierten
Unterdruckgebieten an den Kanten bieten einen weit
ortsstabileren Auftrieb, aber mit höherem Widerstand.
Deshalb funktioniert das Facetmobile von Wainfan so gut. Die
Unterseite des Körpers kann gerade sein oder wie hier
gezeigt v-förmig. Dies erhöht die Rolldämpfung eines
solchen Flugkörpers.
Auch die Natur kennt lifting bodies,
etwa bei bestimmten Pfeilschwanzkrebsen Diese weisen einen
flachen "Umlaufflügel" auf, der seitlich stabilen
Wirbelauftrieb möglich macht. Und inder Mitte sitzt dann wie
oben erläutert ein "Rumpfmittelteil", das scharf
vom Hinterteil getrennt ist.
Einverstanden: Wohl niemand außer
mir sieht in diesem uralten Krebs ein lifting body, aber Form
und Ausprägung sprechen dafür.
Interessant ist auch das Ende des
"Flügels", beim Krebs, der in zwei Spitzen
ausläuft. Solche Formen findet man, wenn Tütenwirbel
maximal weit über eine Fläche geführt oder definiert
abgeführt werden.
Eine mögliche technische Lösung:
Grundform ist der Umriß einer
Parabel. Dazu grün gezeichnet ein horizontale Umlauffläche,
mit der Tütenwirbel leicht erzeugt und mangels Reibung
stabil gehalten und geführt werden können. Tübenwirbel
sind empfindlich für Reibung, da sie innen viel langsamer
drehen als außen, also durch äußere Reibung schnell zur
Gänze in der Rotation gebremst werden können. Das sollte
erst am Ende des Flugkörpers der Fall sein, damit der nun
frei abgehende Wirbel so schwach wie möglich ist, da dessen
Existenz Energie vom Flugzeug abzieht. (Daher hinten die Flossen.)
Und um das "Mittenloch" dieses speziellen
Parabelfliegers zu füllen, mittig eine kantige Struktur, wie
sie die Natur an bestimmten Pfeilschwanzkrebsen zeigt und wie
sie Wainfan erfolgreich am Delta verwendete. Drei Ideen in
einem gemeinsamem Konzept.
Doch eigentlich bin ich von diesem
Crab-Konzept wieder weg und bei dem Parabelring angelangt...
Hier die gegenwärtige Auslegung des
Parabelflugzeugs erstellt mit Vortex von Frank Ranis. Der
abgebildete Flugkörper besitzt eine Spannweite von 7 m, hat
eine Masse von 450 kg und weist bei 150 km/h ein
Gleitverhältnis von 22:1 auf. Stabilitätsmarge 15%.
Flügelhöhe Mitte o,8 m - ein 0,2 m Cockpit fehlt noch.
Man sieht deutlich, dass die Finnen
den Wirbelabgang von der Fläche weg weiter nach oben
verlegen. Die Verschlechterung ohne Finnen (oder mit
waagerechten Finnen = Flügelverlängerungen) beträgt rund
18%!
Der gleiche Flugkörper von unten. Ob
er für negative Anstellwinkel so "rund" sein darf,
ist noch fraglich.
Hier die "inneren Werte".
Die Idee beruht darauf, eine parabelförmige Zone geringen
Druckes zu schaffen, die ein konkaves Gebiet stromabwärts
umschliesst.
Spezielle Profile, die im
Anstellwinkel von ca 0 bis 0,6 vernünftig arbeiten und einen
hohlen Rücken haben werden zum Aussenbereich hin zu
bikonvexen Profilen gestrakt - Schränkung. Die gesamte
Hinterkante kann eine differenzierte Klappenfunktion
aufweisen. Stabilität wird ab -2 Grad S-schlag an der
Hinterkante erreicht - StMarge 15%.
Links die Druckverteilung bei 4 Grad
Anstellwinkel. Nach einer Vorbeschleunigung soll der
Druckverlauf durch eine längere Anlaufstrecke halbwegs
gemässigt sein. (Programm profili2)
Ob es gelingt, mit solchen Profilen,
die in der Art einer Parabel zu einem Körper angeordnet
werden, für diesen eine Druck-/ Geschwindigeitsverteilung zu
erzeugen, die vorteilhafter ist als für einen der heute
diskutierten blended wing bodies, bleibt noch abzuwarten und
kann von mir nicht untersucht werden. Dazu braucht man
CFD-Programme/Rechner.
Wozu überhaupt solch ein
Parabelflugzeug?
Klassische Rümpfe erzeugen
Widerstand und kaum Auftrieb. Klassische Nurflügel sind
nicht gerade ein Wunder an Kompaktheit - so kam man auf den
sogenannten blended-wing-body. Nach allem, was ich weiss,
werden blended wing bodies im Kanal und Modell gut
funktionieren, können aber im Original plötzliche
Druckpunktwanderungen zeigen, die das System instabil machen.
(Das ist auch schon passiert mit einem Originalflugzeug,
dessen Grossmodell hervorragend ferngesteuert flog. Bereits
im Start kam es zu einem völlig unerwarteten "pitchup"
mit Crash.
Ursache dafür ist/war meines
Erachtens, dass man Auftrieb in seiner Ursache sehr
verschieden definieren kann - und das heute auch tut - und
dass man bei einem sehr grossen blended wing body unerwartete
Effekte erwarten muss, wie sie ähnlich an einem nicht
eindeutig gewölbten Dach einer Halle auftreten. Hier
versagen klassische sowie modernere Theorien der
Auftriebserzeugung in der voraussage und man ist auf Coanda
beschränkt.
Gleichwohl entsteht ganz
beträchtlicher, messbarer Auftrieb. Und ein Auftrieb, dessen
Wirkzentrum bei geringer Wölbung des Daches je nach
Anblasrichtung viel weiter wandern und neue Druckzentren
haben kann, als es bei einem Flügel - etwa einem eindeutigen
Delta - je der Fall wäre.
Solche Lift-shift-Effekte auf grossen
gewölbten Flächen, denen man kein eindeutiges Profil
zuordnen kann, kann man vermeiden, wenn man wie hier gezeigt,
klare Auftriebszonen um ein hohlgeschnittenes Zentrum in der
Oberfläche des Körpers anordnet. Eine Oberfläche mit
klaren Kanten und Wirbelabgängen (ähnlich wie beim Boxfish)
wäre ein anderer Weg...
Schauen wir mal, manchmal bin ich mit
meinen Überlegungen ja etwas früh.
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