Ben Browns Triplewing
Dieses erstaunliche Pusher-Flugzeug oben, das im Jahre 1932 von Ben Brown entworfen, gebaut und erfolgreich geflogen wurde, war für mich in den 80ern der Anlass, über Flügelkonzepte wie Ringwing und Boxwing nachzudenken. Der Ben Brown Triplewing ist ein Warrenwing, ein rautenförmiger ebener Flügel, der mittig durch eine dritten Flügel, der nicht in der Ebene des Rautenflügels liegt, mechanisch abgestützt wird. Es gibt bei Youtube einen Film über dieses Flugzeug und seinen Erstflug - Link zum Film, Minute ~6 ff.
Above: This amazing pusher plane above was designed, built and flown in 1932 by Ben Brown. For me a first picture of this plane was the impulse to think about new wing concepts such as Ringwing and Boxwing in the 80ies. The Ben Brown Triplewing is a Warrenwing, a planar diamond wing which is supported mechanically in the middle by a third wing, which is not in the plane of the diamond wing. There is a movie about this aircraft and its maiden flight at YouTube Link, Minute ~6 ff.
Oben: Heute gibt es frei verfügbare Software, mit der man solch ein Flugzeug weit besser untersuchen kann, als es noch vor wenigen Jahren möglich war. Ich wollte schauen, ob es sinnvoll wäre, solch einen Triplewing als Ultraleichtflugzeug zu bauen. Abgebildet ist ein virtuelles Modell dieses Ultraleichtflugzeuges mit 6,8 m Spannweite und 13 qm Fläche, Länge 3,1 m, MTOW 240 kg.
Above: Today there is freely available software, with which one can examine such a plane far better than it was possible a few years ago. I wanted to see whether it would make sense to build such a triplewing as an ultralight. Pictured is a virtual model of this Ultraleichtflugzeuges with 6.8 m wingspan and 13 square meters, length 3.1 m, MTOW 240 kg.
Oben: Alle Flächenteile sind absolut identisch und haben keinerlei Schränkung, so als ob man aus einem uniformen 20 m langen Flügel die benötigten Flügelteile herausgeschnitten hätte. Extrudierte Flügel wären so beschaffen. Die Steuerung wird hier über Querruder-/Höhenruder (elevons) am hinteren Flügel sowie ein Ruder am konventionellen Seitenleitwerk möglich und ist effektiv. Wie auf den Seiten zum Ringwing und zum Boxwing erläutert, ist es nicht möglich, die Querruder in die vordere Fläche zu verlegen, da das System bei Betätigung der Querruder in der Flugbahn hart abknicken würde, weil die nachfliegenden Flügel weiterhin vollen Auftrieb erzeugen. Das negative Roll-Wende-Moment ist bei diesem Flugzeug gering.benOben:
Above: All wings are absolutely identical and have no washout, as if you would take a uniform 20-metre wings and cut out all needed wing parts. Extruded wings would be like that. Control by ailerons / elevators (elevons) on the rear wing as well as by rudder as part of a conventional fin. As explained on the pages to the Ringwing and the Boxwing, it is not possible to move the ailerons in the front wing, because the system would snap off hard in its flightpath, because the wings behind the front wing continue to produce full lift. The negative roll-yaw-moment is comparable low at this plane.
Oben: Diese Graphik zeigt die Änderung der Lastverteilung für die drei Flügelteile des Triplewing in einem Flugsimulationsprogramm. Der hintere Flügel (rear), die stabilisierende Fläche, trägt zu dem Gesamtauftrieb wenig bei. Der Anteil von vorderer und mittlerer Fläche verändert sich deutlich!
Above: This graphic shows the load distribution of the Triplewing at different speeds in a dynamic flight simulation. The rear wing, the stabilizing wing, contributes little to the overall lift. The load onfront and middle wing change significantly with speed.
Unten die Ergebnisse einer Vortex-lattice-Software für vergleichbare Flugzustände. Verwendetes Profil: NACA 23012, ein Profil, das sich durch hohe Auftriebsbeiwerte bei geringen Widerstand- und Momentenbeiwerten auszeichnet, aber ein schlechtes Überziehverhalten hat.
Below the results of a vortex-lattice-software for similar flight conditions. Used airfoilsection: NACA 23012, an airfoilsection, which is characterized by high lift coefficients as well as low drag and negative moment coefficients, but stalls sharp.
Oben die Auftriebsverteilung (türkis) und die Verteilung der Auftriebsbeiwerte (pink) für die einzelnen Flächen bei einem extremen Langsamflug mit überzogenem vorderen Flügel. Die hellblaue Fläche zeigt das Gebiet, in dem die notwendigen Auftriebsbeiwerte nicht erreicht werden können. Grün der Schwerpunkt, rot der Neutralpunkt des Systems.
Above the lift distribution (turquoise) and the distribution of lift coefficients (pink) for the individual wings for an extreme slow flight with stalled front wing. The light blue area shows the area in which the necessary lift coefficients will not be achieved. The CG green, red the neutral point of the system.
Oben die Auftriebsverteilung (türkis) und die Verteilung der Auftriebsbeiwerte (pink) für die einzelnen Flächen bei einem Gleitflug.Grün der Schwerpunkt, rot der Neutralpunkt des Systems.
Above the lift distribution (turquoise) and the distribution of lift coefficients (pink) for the individual wings for a glideflight. The CG green, red the neutral point of the system.
Oben die Auftriebsverteilung (türkis) und die Verteilung der Auftriebsbeiwerte (pink) für die einzelnen Flächen bei einem Schnellflug. Grün der Schwerpunkt, rot der Neutralpunkt des Systems.
Above the lift distribution (turquoise) and the distribution of lift coefficients (pink) for the individual wings for a fast flight. The CG green, red the neutral point of the system.
Die dichte Staffelung der Flügel hat zur Folge, dass alle Flügelteile in einem gemeinsamen und gekrümmten Strömungsfeld arbeiten. Es ist daher nicht verwunderlich, dass schon Ben Brown erkannte, dass der Schwerpunkt des Flugzeuges etwa dort liegen sollte, wo er bei einem planaren Ersatzflügel mit dem Umriss des Triplewing liegen würde. Orange der Umriss des Ersatzflügels, grün der Pfeil, der auf einen fliegbaren Schwerpunkt beider Systeme weist. Sinnvoll ist bei Tandem-Systemen, zu denen auch der Diamond-wing zählt, eine Stabilitätsmarge von 15%.
The short coupling of the three wings has the consequence that all wing parts work in a common and curved flow field. It is therefore not surprising that Ben Brown realized that the Centre of gravity of the aircraft should be about there, where it would be for a replacment wing with the outlines of the Triplewing - orange. The green arrow is pointing toward a flyable CG of both systems. Tandem-systems should show a center of gravity position, which gives a stability margin of 15%.
Oben eine Graphik von Darrol Stinton, die die gemessenen Momentenbeiwerte für verschiedene Rautenkonfiguration zeigt, von denen nur der positiv gestaffelte Warrenwing einen sinnvollen Verlauf zeigt, auch wenn die Kurve im negativen Anstellwinkelbereich nur indifferente Längsstabilität zeigt. Pink die mittel Vortex-Software ermittelte Kurve für den bisher gezeigten Triplewing. Sie zeigt bereits für kleine Änderungen im Anstellwinkel sehr grosse rückführende Momente an.
Above a graphic that shows the measured moment coefficients for different diamond configurations, of which only the posxitiv staggered Warrenwing shows a meaningful slope, although the curve indicates at negative angles of attack indifferent longitudinal stability. Pink the curve for the triplewing, calculated with the Vortex-software. The graphic indicates very large stabilizing moments for very small changes in the angle of attack.
Oben eine Graphik, die zeigt, dass Tandemflugzeuge in der Regel schlechtere Gleitverhältnisse als ein klassischer Rechteckflügel aufweisen, diese aber im Bereich höherer Auftriebsbeiwerte. Dies kann für Ultraleichtflugzeuge, die im Bereich höherer Auftriebsbeiwerte fliegen und ihre Flugleistung eher aus einem geringen Sinken beziehen, ein Vorteil sein. Die systembedingt meist geringe Streckung von Tandemflugzeugen hat einen schwachen Auftriebsanstieg zur Folge, was für sehr kleine Ultraleichtflugzeuge geringer Flächenbelastung ein Vorteil sein kann, denn sie fliegen dann in Turbulenz ruhiger.
Above a graphic showing that tandem aircraft have generally worse gliding ratio compared with a classical rectangular wing, but they show the best gliding ratio in a broad area of higher coefficients of lift. This can be an advantage for ultra light aircraft flying at lower speeds with higher coefficients of lift. Those crafts perform with low sinkrates, not with best glide-ratio. Additional the tandem has due to its low aspect ratio a weak lift increase over angle of attack, what may be an advantage for small ultralights with low wing loading, because they do not fly that bumpy in turbulence.
Oben ein Triplewing mit hochliegendem Propeller, wie er für einige x-plane Simulationen benutzt wurde. Es zeigte sich, dass auch dieses Tandem nur über Quer-Höhenruder an der hinteren Fläche sicher gesteuert werden kann. Dann aber zeigt es durchaus ausgeglichene und problemlose Eigenschaften in der Simulation. X-plane kann Flugzeuge in deren Dynamik nicht zuletzt durch sinnvolle Trägheitmomentradien und eine gut simulierte Flächeninduktion recht gut im Verhalten abbilden. Siehe auch die folgenden videos.
Above a Triplewing with high located tractor-propeller, which was used for some x-plane simulations. It turned out that even this tandem can only be controlled by elevons in the rear wing. But with this solution it shows hassle-free properties in the simulation. X-plane can model aircraft in their dynamics very well by a meaningful wing induction and adequate radii of mass gyration. See videos:
VVideo 1 zeigt die Steuerfolgsamkeit des Triplewing, Video 2 zeigt den gleich Triplewing ohne Antrieb an einem Küstenhang bei böigem Wind. X-plane modelliert den Wind entsprechend der Topographie. Unten die Draufsicht auf das x-plane-Modell im Gitterriss.
Video 1 shows the controllability, video 2 shows the typical movements of a little tandem configuration in hard and gusty conditions. X-plane modells the topograhics into the windmodell. Below top-view on the x-plane-model.
Unten ein neues
Video, das den Triplewing in böigem Wetter und mit so weit gezogenem
Höhenruder zeigt, dass der vordere Flügel in manchen Boen Strömungsabrisse
zeigt. Wie man sieht, stabilisiert der mittlere Flügel im Zusammenspiel mit
der unbelasteten hinteren Fläche den Flug. Die grünen Pfeile repräsentieren
die örtliche Auftriebsstärke und Richtung. Zum Ende des Videos werden die
Elevons auf Nullstellung gefahren.
Below a short
neo video showing the triplewing in hard gusty weather hands off with engine out and
elevons half the way up, which gives stall conditions. As one can see,
the craft is stabilized by the rear wings although the front wing stalls
partially. Green arrows represent the local lift forces and their
direction in this simulation. At the end the elevons flip back in the zero
position.
http://youtu.be/O5N8rc4ETLQ
Front- und Draufsicht auf den x-plane-Triplewing:
Front- and Topview of the x-plane-triplewing:
Mit einer Fpannweite von 6,5 m bei 13 qm Fläche ist der hier gezeigte Triplewing ein recht kleines Flugzeug für die 120 kg - Klasse bzw. Part 103 in den USA. Interessant ist, dass dieses Flugzeug mit einheitlichen Flächen gebaut werden könnte. With a span of 6,5 m and 13 m^2 wings surface the shown triplewing is a rather little aircraft. The craft could be build with identical wings.
Unten eine mögliche sinnvolle Anordnung der Flächenenden, wie sie mit der Vortex-Software gefunden wurde und auch in x-plane modelliert wurde. Below a possible arrangement of the wingtips as it was found using the Vortex software - also modeled in x-plane.
Alles in allem ist der Triplewing durchaus eine Konfiguration, über die man noch einmal nachdenken könnte. Richtig ist aber auch, dass man mit der klassischen Auslegung mit weitaus geringerem Risiko der Entwicklung zu einem stabil fliegenden System gelangt. Für Verkehrsflugzeuge wurden Triplewings von Airbus Ind. untersucht. Unten der Nachlauf des 6,3 m Flügels auf 60 m bei 6 Grad Anstellwinkel:
All in all the Triplewing is a configuration which has mechanical advantages and some drawbacks regarding the low efficiency of all tandem configurations. For commercial aircraft Triplewings were investigated by Airbus Group and others (probabely). Below the "wake" of the Triplewing with 6,5 m span calculated for 60 m, angle of attack 6 degree:
Hinweis des Autors / Authors note:
Für Tandem-Flugzeugen gilt die allgemeine Regel, dass für Längsstabilität zwischen vor- und nacheilender Fläche eine positive Einstellwinkeldifferenz vorliegen muss - bezogen auf die effektiven Winkel. Eine deutliche Schränkung der vorderen Fläche oder ein Querruderausschlag an dieser Fläche können diese Regel ebenso verletzen wie positive Ausschläge eines Höhenruders an der hinteren, stabilisierenden Fläche. Tandem-Flugzeuge in Originalgrösse reagieren auf eine Verletzung dieser Regel unerwartet mit einem drastischen Abknicken der Flugbahn in den Sturzflug oder mit einer Drehung um die Längsachse, obwohl Modelle dieses Verhalten nicht zeigten. Zum Unterschied zwischen Modell und Original siehe den Hinweis hier.
There is a well known rule of thumb that there must be a positive longitudinal dihedral (effective angles) between wing and stabilizer to achieve longitudianl stability. This rule applies to tandem aircrafts as well. Strong washout of the front wing or a negative aileron deflection at this wing can violate this rule as well as the positive deflection of an elevator at the rear (stabilizing) wing. Models might show no problem, but tandem winged aircrafts in the original size might show a drastic bend of the flightpath - dive, turning on the back - if this rule is violated. About the difference between models and originals see the note here.
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