Split Scimitar"-Winglets

[frankito]

Nicht schoen, aber offenbar effizient und in Oesterreich (!) hergestellt.

 

http://www.airliners.de/facc-fertigt-neuartige-737-winglets/29354

[Heimi]

Solche und ähnliche Dinge wird man in Zukunft auch an anderen Fliegern öfter sehen.

Der Trend geht eindeutig bei mehreren Herstellern zu den oben genannten Split Scimitar und wohl auch zu Spiroid Winglets. Blended Winglets und Raked Wingtips werden wohl in Zukunft bei Neu- oder Redesign nicht mehr so stark in Betracht bezogen. Nur Airbus hinkt "noch" hinterher.

 

Vielleicht kommt ja auch mal sowas:

[josch]

(...) und in Oesterreich (!) hergestellt.

 

No - da schaust, was?! ;)

 

FACC ist schon länger erfolgreich am Drücker - wissen halt nur wenige.

 

Hauptsächlich erzeugt FACC diverse tragende Flügelteile, Teile zur Verbesserung der Flügelströmung, Klappensysteme für die Bremsen, Laufwerke, Schubumkehr-Komponenten, Kunststoff-, Titan- und Verbundstoff-Teile für die Triebwerke von Rolls Royce sowie die Inneneinrichtung der Flugzeuge wie Lampen und Fächer für das Gepäck der Fluggäste. Quelle

 

Von FACC erzeugte Komponenten sind u.a. im A380, im Dreamliner sowie in der A350 verbaut.

 

Gruss

Johannes

[Volume]

Blended Winglets und Raked Wingtips werden wohl in Zukunft bei Neu- oder Redesign nicht mehr so stark in Betracht bezogen.

Als jemand der sich seit den frühen 90ern mit Winglets beschäftigt würde ich das nicht unterschreiben. Das Flügelspitzendesign beeinflusst nicht nur die Aerodynamik, sondern auch das Aussehen maßgeblich. Daher ist es Moden unterworfen, und kein Mensch kann sagen was Airlinemanager in 10 Jahren glauben es würde ihre Kunden ansprechen.

Nur Airbus hinkt "noch" hinterher

Und da war glaube ich noch ein Hersteller aus Nordamerika der gerade eine 777X mit raked Wingtips für in 10 Jahren entwickelt, und ein Kanadier und Brasilianer und Japaner die auf konventionelle blended Winglets setzen und und und...

 

Winglets sind bisher zu mindestens 50% ein add-ob gewesen, etwas das zu einem bestehenden Flügel hinzugefügt wurde. Das schränkt die Designmöglichkeiten ein. Bei einem völligen Neudesign würde man etwas ganz anderes optimal finden, als bei einer Modifikation. Und die Designanforderungen sind sehr unterschiedlich. Während z.B. bei großen Flugzeugen schlicht der Platzbedarf am Flughafen ein entscheidender Faktor ist, und daher Winglets viel Sinn machen, kann bei einem kleineren Flugzeug etwas mehr Spannweite / höhere Streckung eher das Mittel der Wahl sein. Man muss auch immer sehr unterscheiden, ob ich nun den absolut geringsten Widerstand erreichen möchte (meist etwas fürs Guinness Buch der Rekorde...) oder eine über weite Betriebsbereiche optimale Wirtschaftlichkeit, die dann eben auch Aspekte wie Gewicht, Lebensdauer, Wartung, Flugeigenschaften etc. mit berücksichtigen muss. Gerade wenn wir transsonisch fliegen, kann ein Wingletdesign sehr schnell in bestimmten Betriebszuständen sehr viel Widerstand machen, was dann die Gesamtbilanz verhagelt. Es kann auch die Kursstabilität oder das Dutch-Roll Verhalten sehr negativ beeinflussen.

 

Wir sind beim Wingletdesign heute vielleicht da, wo das Flügeldesign im zweiten Weltkrieg war. (entsprcht auch etwa dem selben Erfahrungszeitraum, wir fliegen seit der Jahrhundertwende und haben Winglets seit den 70ern). Wir können schon richtig gute Winglets designen, aber wir sind weit davon entfernt alles zu verstehen und noch weit von dem entfernt was möglich ist. Wir werden noch einiges an Entwicklung erleben, von dem noch keiner sagen kann wie es aussehen wird. Ich befürchte das dabei Ästhetik nicht immer der treibende Fator sein wird.

 

Und wir werden sicher noch viele kreative Namen für jahrzehnte alte Randbogendesigns erleben: Sharklets, Raked Wingtip, Split Scimitar...

Ich würde das FACC Bildchen eher "MD-11 Winglet nennen" :004: Obwohl das die NASA beleidigen würde, die schon 15 Jahre vor der MD-11 sowas im Windkanal hatte...

 

FACC ist schon länger erfolgreich am Drücker - wissen halt nur wenige.

Was vielleicht auch an dem im englischsprachigen Raum nicht gerade optimal auszusprechenden Namen liegt :D

 

Gruß

Ralf

[Lubeja]

Danke Ralf, für diesen ausführlichen Beitrag! Meiner Meinung nach sind die von Kay angesprochenen Designs (die "Federn" an der Antonov, Spiroids, oder irgendwelche Lattenzäune) hervorragend im Langsamflug mit hohem Anstellwinkel. Da kann es Sinn machen, die auftretenden Randwirbel in mehrere kleine aufzusplitten. Bei höheren Geschwindigkeiten hingegen stelle ich mir das eher als Albtraum vor, ich möchte nicht der Aerodynamiker sein, der sich mit den diversen Interferenzen rumschlagen darf...

[Volume]

Lukas,

 

du sitzt hier einem klassischen Irrtum der "kleinen" Flieger auf: Reiseflug = hohe Geschwindigkeit = kleines Ca = Randwirbel egal.

Verkehrsflugzeuge fliegen im Reiseflug in sehr dünner Luft, daher brauchen sie trotz viel TAS (True Airspeed) immer noch hohe Ca (relativ nahe am Ca max ohne Klappen) , eben weil die EAS (Equivalent Airspeed) gar nicht soooo hoch ist.

Wo du recht hast, sind die Interferenzen, die nämlich im Flügel-Winglet-Übergang zu Überschallströmung und Stoßinterferenzen führen und damit lokale Ablösungen und viel Zusatzwiderstand machen. Deshalb sind Winglets bei Verkehrsflugzeugen meist viel großzüger ausgerundet, als z.B. bei Segelflugzeugen.

 

Gruß

Ralf

[Lubeja]

Wie meinst du dies jetzt? Dass bei den "Kleinen" im Reiseflug die Randwirbel egal sind, oder dass genau dies der Irrtum ist? Sorry, stehe gerade auf dem Schlauch:confused:

 

Ich bezog mich aber ohnehin explizit auf den Langsamflug. Ein Winglet kann auch immer nur ein Kompromiss sein, der in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich funktioniert. Nach meinem Verständnis sind die von Kay angesprochenen Designs deshalb eher für Kleinflugzeuge geeignet, da sie im Langsamflug viel bringen und im Reiseflug wenig stören. Nicht zuletzt deshalb, weil die durchschnitlliche GA-Maschine einen vergleichsweise geringen Anteil an Reiseflug hat.

Ein wie auch immer geformter Winglet für einen Langstreckenairliner muss logischerweise eher für den Reiseflug mit hohen Machzahlen ausgelegt sein. Einen Laubrechen à la Winggrid mit engen Zwischeräumen zwischen den einzelnen Elementen halte ich aber hierfür aus den erwähnten Gründen der Interferenzen für Blödsinn, unabhängig des Anstellwinkels.

[Heimi]

Das hat nur bedingt mit dem Geschwindigkeitsbereich zu tun. Alles was sich im Unterschallbereich bewegt kann man annäherend vergleichen. Auch ist es so das Hochauftriebsprofile mehr induzierten Widerstand erzeugen, soweit kann ich dem Gedankengang nachvollziehen. Bedeute jedoch nicht das große/schnelle Airliner weniger Widerstand erzeugen. Den auch die brauchen in der dünnnen Luft genug Auftrieb um oben zu bleiben.

Ein kleiner Ausflug in die Theorie:

Das ganze Thema Winglet wurde ja von den Vögeln abgeguckt. Die haben ja bekanntlich viele Federn (Winglets) an den Flügelenden und reduzieren so ihren induzierten Widerstand fast gegen 0.

Das würde bei Flugzeugen theoretisch auch funktionieren, daher auch die Ansätze mit Winggrids und "Federn" wie bei der Antonov. Nur leider funktioniert das nur effektiv wenn die beweglich sind und sich dem Flugzustand anpassen. Jedoch steht der technische Aufwand nicht in relation zur Wirtschaftlichkeit, mal von den noch nicht ausgereiften/verfügbaren Technologien abgesehen. Aber gerade daran wird geforscht und es gibt sogar schon Versuchsträger. Ich weiß allerdings nicht wie weit fortgeschritten das ist, da sind kaum Information zu bekommen.

Im Moment sind wie schon gesagt die "Split Scimitar" Winglets hoch im Kurs. Da werden wir in Zukunft nicht nur Boeings mit fliegen sehen. Scheint im Moment vom Kosten/Nutzen Faktor das beste zu sein. Natürlich werden auch weiterhin andere Formen angwendet.

Soweit ich weiß wird für die Zukunft -also zwischen Split Scimitar und "beweglichen Federn"-, am stärksten an den Spiroids geforscht. Die versprechen bis zu 15% Spritersparnis im Gegensatz zu 1% bis 5% zu bisherigen Wingletdesigns. Dort gibt es aber auch noch technische Probleme so das die Zulassung in naher Zukunft wohl nicht stattfinden wird.

[Volume]

Die haben ja bekanntlich viele Federn (Winglets) an den Flügelenden und reduzieren so ihren induzierten Widerstand fast gegen 0.

Entschuldigung, da muss ich im Namen der Physik und Mutter Natur leider widersprechen. Der induzierte Widerstand ist immer wenigstens Ca/Pi*Streckung. Bei schlechtem Flügeldesign ist er höher, aber weniger geht nicht. Vögel haben aus strukturellen Gründen meist wenig Streckung, daher müssen sie tief in die Trickkiste greifen, um auf ein absolutes Minimum an induziertem Widerstand zu kommen.

Ausserdem haben Seevögel wie z.B. der aerodynamisch hocheffiziente Albatross keine aufgespreizten Flügelenden, das haben nur die niedrig gestreckten Greifvögel.

Die versprechen bis zu 15% Spritersparnis im Gegensatz zu 1% bis 5% zu bisherigen Wingletdesigns.

Um die aerodynamische Güte eines Flügeldesign zu beschreiben, gibt es den sogenannten Oswaldfaktor. Er beschreibt das Verhältnis zwischen dem induzierten Widerstand und dem geringst möglichen induzierten Widerstand. Die bei Segelflugzeugen lange üblichen Doppeltrapezflügel liegen bei Oswaldfaktoren von 1.05 bis 1.1. Da ist überhaupt nur Potential für 5-10% Ersparnis. Bei Verkehrsflugzeugen mag mal im Einzelfall ein Oswaldfaktor von bios zu 1.2 vorkommen, aber definitiv nicht bei einem modernen Design. Da der induzierte Widerstand nicht den vollen Widerstand ausmacht, gehören die 15% Einsparung wohl eher in den Bereich des Marketings...

Oswaldfaktoren kleiner 1 sind natürlich möglich, aber nur wenn man für die Berechnung den Flügel ohne Winglets als Referenz ansetzt. Wenn man die Streckung und die Bezugsfläche "korrekt" über Flügel und Winglet benutzt, kommt auch ein Wingletdesign nicht unter 1. Das ist halt die Crux des dimenslosen Rechnens: man vergleicht Äpfel mit Birnen.

Nur leider funktioniert das nur effektiv wenn die beweglich sind und sich dem Flugzustand anpassen.

Genau da liegt der Vorteil des MD-11 Design (Neudeutsch: Split-Scimitar ;) ), man kann das kleine Flügelchen beweglich (drehbar) gestalten, und damit das Winglet ohne viel Aufwand für verschiedene Flugzustände optimieren.

Wie meinst du dies jetzt? Dass bei den "Kleinen" im Reiseflug die Randwirbel egal sind

Korrekt. Insbesondere bei Flugzeugen ohne komplizierte Klappen, also bei Segelflugzeugen und Motorseglern. Die fliegen im Reiseflug bei Ca-Werten von weniger als 1/4 des Maximalwerts, also ist der Induzierte Widerstand gerade mal 1/16 oder 6.3% des Widerstands im Langsamflug, unter Freunden ist das "egal".

Ich bezog mich aber ohnehin explizit auf den Langsamflug.

Langsamflug bedeutet meist Flug mit Hochauftriebshilfen, dann ist der Aussenflügel und der Randbogen auch relativ egal, da der aerodynamische Randbogen (der stärkste abgehende Wirbel) dann ohnehin am Klappen- nicht am Flügelende liegt. Auf Airliners.net (oder ähnlichem) gibt es reichlich entsprechende Photos mit auskondensierten Randwirbeln. Der Betriebsbereich nahe dem Ca max ohne Klappen kommt bei der GA nicht sehr oft vor, praktisch nur in der Platzrunde, wo Widerstand kaum eine Rolle spielt.

Bei Verkehrsflugzeugen hingegen ist er wichtig, da diese einen Großteil ihrer Zeit in dünner Luft, und damit bei hohen Auftriebsbeiwerten fliegen, und der Widerstand entscheidend für die Wirtschaftlichkeit ist.

Somit sind Winglets eigentlich nur für Segelflugzeuge und für Verkehrsflugzeuge, im wesentlichen Langstreckenflugzeuge interessant. In der sonstigen GA sind sie mehr vom Marketing getrieben, als vom aerodynamischen Sinn.

 

Gruß

Ralf

[Lubeja]

Insbesondere bei Flugzeugen ohne komplizierte Klappen, also bei Segelflugzeugen und Motorseglern. Die fliegen im Reiseflug bei Ca-Werten von weniger als 1/4 des Maximalwerts, also ist der Induzierte Widerstand gerade mal 1/16 oder 6.3% des Widerstands im Langsamflug, unter Freunden ist das "egal".

 

Einverstanden:cool:

 

Langsamflug bedeutet meist Flug mit Hochauftriebshilfen, dann ist der Aussenflügel und der Randbogen auch relativ egal, da der aerodynamische Randbogen (der stärkste abgehende Wirbel) dann ohnehin am Klappen- nicht am Flügelende liegt. Auf Airliners.net (oder ähnlichem) gibt es reichlich entsprechende Photos mit auskondensierten Randwirbeln. Der Betriebsbereich nahe dem Ca max ohne Klappen kommt bei der GA nicht sehr oft vor, praktisch nur in der Platzrunde, wo Widerstand kaum eine Rolle spielt.

 

Genau das meinte ich ja mit den dem Geschwindigkeitsbereich angepassten Designs! Muss den ein Winglet zwingend auf Effizienz im Reiseflug ausgelegt sein? Das wäre doch bei einem unförmigen Drahtverhau wie die Antonov-2 ohnehin Wasser in den Rhein getragen. Kann es bei entsprechender Ausführung nicht auch die Manöverierbarkeit verbessern oder die Stallspeed senken? Ich meine ja, weil sie z.B. die Anströmung im Aussenbereich der Querruder stabilisieren können, oder ganz einfach das tun, was sie immer tun: Die zur Verfügung stehende Flügelfläche (mit oder ohne Auftriebshilfen) besser ausnutzen und so indirekt auftriebserhöhend wirken. Es stimmt, in der Platzrunde ist mir der Luftwiderstand reichlich egal, wenn nicht sogar nützlich. Drei oder fünf Knoten mehr Spielraum nach unten sind aber immer willkommen.

[Volume]

Kann es bei entsprechender Ausführung nicht auch die Manöverierbarkeit verbessern oder die Stallspeed senken? Ich meine ja, weil sie z.B. die Anströmung im Aussenbereich der Querruder stabilisieren können, oder ganz einfach das tun, was sie immer tun: Die zur Verfügung stehende Flügelfläche (mit oder ohne Auftriebshilfen) besser ausnutzen und so indirekt auftriebserhöhend wirken.

Können kann man viel, nur ein Winglet das einerseits im Langsamflug mit Auftriebshilfen die Manövrierbarkeit verbessern, und anderseits im Reiseflug den Widerstand reduzieren, die gibt es wirklich nicht.

 

Gruß

Ralf

[Heimi]

Da kommen die von mir oben gennanten beweglichen bzw. verformbaren Winglets wieder ins Spiel. Wie gesagt ist das aber noch Zukunftsmusik.

 

Entschuldigung, da muss ich im Namen der Physik und Mutter Natur leider widersprechen. Der induzierte Widerstand ist immer wenigstens Ca/Pi*Streckung. Bei schlechtem Flügeldesign ist er höher, aber weniger geht nicht. Vögel haben aus strukturellen Gründen meist wenig Streckung, daher müssen sie tief in die Trickkiste greifen, um auf ein absolutes Minimum an induziertem Widerstand zu kommen.

Ausserdem haben Seevögel wie z.B. der aerodynamisch hocheffiziente Albatross keine aufgespreizten Flügelenden, das haben nur die niedrig gestreckten Greifvögel.

 

Da muss ich widersprechen. Du beziehst Dich wahrscheinlich auf starre Flügel von Flugzeugen und deren Berechnung, in der Natur sieht das zwar nicht komplett, aber etwas anders aus. Es ist auch noch nicht vollständig erforscht was wirklich alles bei "Naturflügeln" und durch die Federn passiert, aber es wird versucht Ableitungen auf Flugzeugflügel zu übertragen wo es geht.

Es gab schon Studien für komplett adaptive Flügel, ist aber noch nicht machbar wie man sich vorstellen kann. Deshalb wird zur Zeit am meisten Gewicht auf die Winglet Entwicklung gelegt. Bei der DLR gibt es ein schönes Modell dazu, wurde auch schon mal in einer Doku im TV gezeigt.

 

Um nochmal die Einsparpotentiale aufzuzeigen: Der induzierte Widerstand hat im Cruise bis zu 30% Anteil am Gesamtwiderstand, während der Langsamflugphase bei Start und Landung bis zu 50%.

[Lubeja]

Können kann man viel, nur ein Winglet das einerseits im Langsamflug mit Auftriebshilfen die Manövrierbarkeit verbessern, und anderseits im Reiseflug den Widerstand reduzieren, die gibt es wirklich nicht.

 

Gruß

Ralf

 

Na davon rede ich doch die ganze Zeit - von faulen Kompromissen:007:;)

 

Da muss ich widersprechen. Du beziehst Dich...

...

...

...

Landung bis zu 50%.

 

Also, meine bescheidenen aerodynamischen Kenntnisse sagen mir folgendes: Auftrieb = Anstellwinkel vorhanden = induzierter Widerstand vorhanden. Oder umgekehrt: 0 induzierter Widerstand = 0 Auftrieb...

[Heimi]

Abgesehen vom Anstellwinkel stimmt das auch, der kann ruhig 0 sein wenn das Profil stimmt.

Die Frage um das sich aber alles dreht: In welchem verhältnis steht Auftrieb zu induziertem Widerstand? Und mit Winglets wird der Anteil des induzierten Widerstands bei gleichbleibendem Auftrieb reduziert. Je mehr Winglets (siehe Wingrid oder Federn) man hat desto kleiner wird der induzierte Widerstand. Man muß nur aufpassen das dabei andere Widerstäne das nicht wieder zunichte machen.

[Volume]

Es ist auch noch nicht vollständig erforscht was wirklich alles bei "Naturflügeln" und durch die Federn passiert,

Ich vermute auch Naturflügel folgen den physikalischen Gesetzen, Newton und dem Impulssatz.

Um eine Kraft (Auftrieb) zu erzeugen, muss ich eine (Luft)Masse beschleunigen bzw. einen (Luft)Massenstrom umlenken. Wenn ich Luft nach unten Beschleunige drehe ich mein aerodynamisches Koordinatensystem gegenüber meiner Flugbahn. Damit bekommt mein Auftrieb im aerodynamischen Koordinatensystem eine Komponente entgegen der Flugbahn, das nennen wir induzierten Widerstand. Induzierter Widerstand ist unvermeidlich.

Im Impulssatz für strömende Medien formuliert, wenn ich eine Strömung ablenke strömt jetzt nicht nur eine Komponente quer zur Flugrichtung (und macht Auftrieb), sondern die Komponente in der ursprünglichen Richtung wird kleiner (Massen- und Energieerhaltung). d.h. in Strömungsrichtung habe ich unvermeidbar einen auftriebsabhängigen Impulsverlust, dier darus resultierende Kraft nennen wir induzierten Widerstand.

Der Randwirbel "erzeugt" nicht den induzierten Widerstand, der Randwirbel ist ein unvermeidliches Resultat der Physik, und entsteht aufgrund der selben Zusammenhänge wie der Auftrieb und der induzierte Widerstand. Von daher hängt der Randwirbel genauso unvermeidlich mit dem Auftrieb zusammen, wie mit dem induzierten Widerstand.

Was wir mit den ausgefallenen Randbögen erreichen können, ist im Strömungsfeld einen Flügel größerer Spannweite (Streckung) zu simulieren, d.h. die Natur "denkt" wir hätten mehr Spannweite als wir wirklich haben.

 

Auftrieb = Anstellwinkel vorhanden = induzierter Widerstand vorhanden. Oder umgekehrt: 0 induzierter Widerstand = 0 Auftrieb...

Äääääh, jein!

Auch wenn es die Standardformel überfordert, man kann auch ohne Auftrieb induzierten Widerstand haben, und zwar immer dann wenn man in einem Teil des Flügels Auf- und in einem anderen Abtrieb erzeugt. Zum Beispiel bei nicht über die ganze Spannweite gehenden Klappen oder bei einem geschränkten Flügel. Aber das ist schon ein sehr spitzfindiger Spezialfall, der allenfalls mal relevant wird, wenn sich die Absetzmaschine ein Rennen mit den Fallschirmspringern liefert... (der senkrechte Sturzflug ist der einzige stationäre Fall mit Auftrieb = 0 der trotzdem noch unter Flugmechanik fällt)

Je mehr Winglets (siehe Wingrid oder Federn) man hat desto kleiner wird der induzierte Widerstand.

...desto kleiner kann er werden, wenn die Federn optimal an den Betriebspunkt angepasst sind.

Um nochmal die Einsparpotentiale aufzuzeigen: Der induzierte Widerstand hat im Cruise bis zu 30% Anteil am Gesamtwiderstand, während der Langsamflugphase bei Start und Landung bis zu 50%.

Was bringt so eine "bis zu" Aussage? Ich kann bis zu 110 Jahre alt werden, OK.

Je nach Flugzeug kann der induzierte Widerstand im Langsamflug sogar bis zu 90% ausmachen, und wenn ich im Cruise zu so richtig hohen Machzahlen gehe (> 0.9) wird irgendwann alles ausser dem Wellenwiderstand zur Nebensache.

 

Es ist schon klar, das im Vergleich zu anderen Maßnahmen (laminarer Flügel, Grenzschichtabsaugung, adaptiver Flügel...) das Winglet derzeit den besten Wirkungsgrad zur Widerstandsreduktion ohne viel Aufwand und andere Nachteile hat. Deshalb wird da auch intensiv dran geforscht. Das Potential ist aber überschaubar, selbst wenn ich die Zahl von "bis zu 30%" für den induzierten Widerstand ansetze, mehr als 20% davon (also 6%) kann ich durch Winglets nicht einsparen, und schon das wäre ein guter Wert.

Ein großer Segelflugzeugkonstrukteur (Klaus Holighaus) hat mal gesagt: Winglets bringen nur etwas, wenn der alte Randbogen schlecht konstruiert war. Deshalb hat es zu seinen Lebzeiten auch keine Winglets für den Discus gegeben, die sind auf Druck des Marktes erst später eingeführt worden...

Gerade im Metallflugzeugbau sind Randbögen lange Zeit nur aus produktionstechnischen Gesichtspunkten konstruiert worden, von daher erzeugen sie durchaus auch einigen parasitären Widerstand (durch lokale Ablösungen), den man mit Winglets durchaus auf Null bringen kann. Ist der Randbogen schon "von sich aus gut" wie z.B. der Dornier TNT, Tragflügel neuer Technologie (in den 80ern "neu"), dann bringen Winglets nur ein paar Prozentpunkte. Deshalb haben 777 und 787 ja auch keine Winglets.

 

Und die 787 und der A350 haben statt Winglets erste Aspekte eines adaptiven Flügels. Etwas, das im Segelflug seit 1922 erfolgreich eingesetzt wird (auch wenn das so mancher Forscher und Flugzeugentwickler nicht wahrhaben will, der behauptet er habe das in den 80ern erfunden ;) )

Der adaptive Flügel braucht auch adaptive Winglets, und dann wird schnell das Winglet zum verzichtbaren Detail in der Gesamtbilanz.

 

Gruß

Ralf

[Hans Tobolla]

@Ralf,

 

Ich verstehe dich so:

 

Unter induziertem Widerstand versteht man die entgegen der Flugrichtung Komponenten von der etwas nach hinten gerichteten Auftriebskraft.

 

Wenn ich „induzierter Widerstand“ bei Google eintippe wird fast immer die Wirbelschleppe als Ursache für den induzierten Widerstand genannt. Um diese Wirbelschleppe zu erzeugen muss aus meiner Sicht eine Leistung aufgewendet werden, nämlich ein Anteil des Triebwerksschubs zur Überwindung eines Widerstandes mal TAS.

 

Ist jetzt dieser Widerstand in dem induzierten Widerstand so wie du diesen beschreibst bereits enthalten?

 

Gruß!

 

Hans

[Volume]

Um diese Wirbelschleppe zu erzeugen muss aus meiner Sicht eine Leistung aufgewendet werden

Das ist die Betrachtung des Problems von der Energieseite. Der Energiesatz ist meist perfekt, wenn man die Details nicht versteht (oder nicht verstehen will) und einfach die Energiebilanz innerhalb einer gewissen Bilanzhülle betrachtet. Dann kommt man meist zu einer Lösung ohne genau zu wissen was innerhalb meines Kontrollvolumens nun genau vorgeht.

In der Luft durch die ein Flugzeug geflogen ist steckt definitiv Energie drin (die Randwirbel), die vorher da nicht drin war. Diese Energie kann ich bestimmen, z.B. indem ich die Geschwindigkeiten über eine Kontrollfläche senkrecht zur Flubahn messe. (die Geschwindigkeiten parallel zur Flugbahn gehören zum Reibungswiderstand...) Also muss das Flugzeug Energie an die Luft abgeben. Wenn ich weiss wie schnell mein Flugzeug ist, kann ich die Kraft bestimmen, die offensichtlich auf das Flugzeug eingewirkt hat.

In einer idealen Welt könnte ich das Strömungsfeld weit hinter dem Flugzeug vollständig vermessen (z.B. mit LDA) und die Energie des Strömungsfeldes vollständig bestimmen. Leider ist reale Luft reibungsbehaftet, und wandelt die Strömungsenergie vergleichsweise zügig in Wärme um. Ich habe daher schlicht nicht die Zeit, das Strömungsfeld vollständig zu vermessen. Im Windkanal kann ich natürlich die Luft kontinuierlich ersetzen, und habe damit alle Zeit der Welt zum messen, nur ist die Anströmung im Windkanal selbst natürlich nicht vollständig homogen.

Also idealisiere ich mein Strömungsfeld als zwei diskrete Wirbel, dann kann ich mit sehr wenigen Messpunkten deren Lage und Stärke bestimmen, und mittels mathematischem Modell die Energie, und damit den induzierten Widerstand berechnen.

 

Je komplexer ich nun meinen Randbogen gestalte (z.B. durch die aufgespreizten Federn eines Greifvogels) desto weniger entspricht mein Wirbelnachlauf noch den zwei idealisierten Randwirbeln. Damit wird die Vermessung des Nachlaufs und eine exakte Energiebetrachtung unmöglich.

Umgekehrt ist eine Messung des induzierten Widerstands praktisch unmöglich, da ich nur Gesamtwiderstände halbwegs exakt messen kann. Von daher arbeite ich schnell mit Messfehlern in der Größenordnung meines nachzweisenden Messwerts (hier z.B. um die 5% induzierter Widerstand, also 1-2% Gesamtwiderstand). Von daher bin ich auf Computersimulationen und mathematische Modelle angewiesen, und wir haben schon in vielen anderen Bereichen der Aerodynamik gelernt, das diese auch immer nur für sehr spezifische Berechnungen gut (z.T. perfekt) funktionieren, in anderen Bereichen aber auch schonmal weniger gut (bis hin zu völligem Versagen).

 

Mathematisch betrachtet herrscht im Kern jedes Wirbels eine unendliche Geschwindigkeit (also noch viiiiiel mehr als Lichtgeschwindigkeit). Das ist ganz offensichtlich eine falsche Annahme. Ganz offensichtlich herrscht ja noch nichteinmal mehr als Schallgeschwindigkeit dort, denn sonnst müsste man die Randwirbel als Knall hören, und nicht als Zischen. Durch die auskondensierten Randwirbel sowie die offensichtlichen Dichteänderungen kann man grob abschätzen welche Geschwindigkeiten wohl in Randwirbeln herrschen. Die Energie eines Wirbels hängt nun aber leider sehr von der Modellierung des Wirbelkerns (also der angenommenen Maximalgeschwindigkeit) ab, von daher kann man abschätzen, wieviel Fehler in der Rechnung man ansetzen muss.

 

Von daher werden wir wohl noch eine ganze Weile mit Faustformeln (Cwi = Ca² / Pi*Streckung), Modellvorstellungen (zwei diskrete Randwirbel) und trial-and-error Wingletauslegung mit Windkanalmessung und Flugversuch leben müssen. Aber damit sind wir ja schon erfreulich weit gekommen.

 

Gruß

Ralf

[Hans Tobolla]

....Das ist die Betrachtung des Problems von der Energieseite. Der Energiesatz ist meist perfekt, wenn man die Details nicht versteht (oder nicht verstehen will) und einfach die Energiebilanz innerhalb einer gewissen Bilanzhülle betrachtet. Dann kommt man meist zu einer Lösung ohne genau zu wissen was innerhalb meines Kontrollvolumens nun genau vorgeht...

 

 

Ja, das stimmt. Es ist unbefriedigend. Also habe ich versucht hinsichtlich des induzierten Widerstandes wenigstens den Verhältnissen an der Tragfläche etwas näher zu kommen.

 

Wie bei den Lottozahlen das Ganze ohne Gewähr:

 

Mal angenommen ein Airbus verliert während des Fluges die Wingtip Fences.

 

Jetzt kann die Luft das Tragflächenende leichter umströmen, die Wirbelschleppen werden stärker und wegen des Druckausgleichs zwischen Unterseite und Oberseite der Tragfläche wird der Auftrieb geringer.

 

Für einen unbeschleunigten Horizontalflug muss der Anstellwinkel nun soweit erhöht werden, dass die senkrechte Komponente der Auftriebskraft wieder das Gewicht ausgleicht. Durch den größeren Anstellwinkel ist die Auftriebskraft aber weiter nach hinten geneigt mit der Folge, dass die horizontale Komponente entgegen der Flugrichtung, und damit auch der der induzierte Widerstand, auch stärker wird. Das muss durch mehr Schub ausgeglichen werden.

 

Eine Kleinigkeit noch. Ich habe in meinen Skripten Cwi = Ca^2/(Pi*Streckung) stehen. Ralf, würdest du bitte noch einmal nachschauen?

 

Gruß!

Hans

[Lubeja]

Mal angenommen ein Airbus verliert während des Fluges die Wingtip Fences.

 

Jetzt kann die Luft das Tragflächenende leichter umströmen, die Wirbelschleppen werden stärker und wegen des Druckausgleichs zwischen Unterseite und Oberseite der Tragfläche wird der Auftrieb geringer.

...

Gruß!

Hans

 

Hier sitzt noch ein kleiner Denkfehler in der Kausalität: Winglets verringern die Wirbelschleppen nicht, sondern verschieben sie bloss hinter und über den Flügel. Dadurch bekommt die Tragfläche einen besseren Ausnutzungsgrad, der Auftrieb steigt, ich kann den Anstellwinkel verringern, der induzierte Widerstand sinkt und erst dadurch werden auch meine Wirbelschleppen kleiner. Oder, um deinen Fall des sich verselbstständigenden Wingtips abzudecken: Die Wirbelschleppen werden nicht durch das fehlende Winglet an sich stärker, sondern erst indirekt durch den dadurch notwendigen höheren Anstellwinkel.

[Hans Tobolla]

Hier sitzt noch ein kleiner Denkfehler in der Kausalität: Winglets verringern die Wirbelschleppen nicht, sondern verschieben sie bloss hinter und über den Flügel.

 

Lukas, beachte bitte den Energiesatz. Man will im Reiseflug möglichst wenig Leistung für die Wirbelschleppen aufwenden. Das geht nur wenn man mit einer Vielzahl von konstruktiven Maßnahmen versucht die Wirbelstärke gering zu halten.

 

Gruß!

 

Hans

[Lubeja]

Natürlich Hans, deine Ausführungen sind an sich auch völlig korrekt, ich habe auch nirgendwo etwas anderes gesagt. Es ist bloss ein populärer Irrtum über die grundlegende Wirkungsweise eines Winglets, dass sie primär "Wirbelschleppen verringern". Sie machen das schon, bloss über einen Umweg, indem sie die Tragfläche über ihre ganze Spannweite nutzbar machen.

 

Bei einer Tragfläche ohne Winglet oder sonstwie aerodynamisch optimierten Randbogen übernimmt im wesentlichen die Flügelspitze die Funktion des Winglets. Dadurch muss der innere Teil der Fläche mehr Auftrieb generieren, was bei einer gegebenen Reisegeschwindigkeit (dein unbeschleunigter Horizontalflug von vorhin) logischerweise in einem erhöhtem Anstellwinkel (=höherer induzierter Widerstand, blahblahblah) resultiert. Bei diesem Foto von Forumskollege Fames (in diesem Beitrag) ist die nach hinten-oben verlegte Wirbelbildung deutlich am Backbord-Winglet zu sehen, während die Tragfläche "sauber" bleibt.

 

Irgendjemand hat die Dinger mal verächtlich "Hightech-Dichtleisten" genannt:D.

[Volume]

Winglets verringern die Wirbelschleppen nicht, sondern verschieben sie bloss hinter und über den Flügel.

Insbesondere verschieben sie sie nach aussen! Da das Winglet "Intrieb" macht, induziert es eine Auswärtsgeschwindigkeit (beide Winglets stoßen sich an der Luft ab, und drängen sie damit etwas nach aussen). Damit wandern auch die freien Randwirbel etwas nach aussen, das Abwindfeld wird breiter und darf damit etwas schwächer werden, um noch genausoviel Impulsänderung zu erfahren, und damit genausoviel Auftrieb zu erzeugen.

bekommt die Tragfläche einen besseren Ausnutzungsgrad, der Auftrieb steigt, ich kann den Anstellwinkel verringern

So könnte man das Resultat auch ausdrücken. Ich erzeuge des selben Auftrieb mit etwas weniger Stömungsumlenkung, dafür erfasse ich etwas mehr Luft. Ich erhöhe die "effektive Streckung" meines Flügels, und damit den Wirkungsgrad.

Man kann auch sehr schön an den Kondesstreifen (bevorzugt vierstrahliger Flugzeuge) sehen, wie stark oder eben wie viel weniger stark sich der Nachlauf hinter dem Flügel einschnürt. So kann man die 747 (schnürt stark ein) super am Kondesstreifen vom A340 (bleibt fast parallel) unterscheiden.

 

Bei diesem Foto von Forumskollege Fames (in diesem Beitrag) ist die nach hinten-oben verlegte Wirbelbildung deutlich am Backbord-Winglet zu sehen, während die Tragfläche "sauber" bleibt.

Dieses Photo ist unter Einfluss des Bodeneffekts entstanden, und daher bezüglich Nachlauf und Abwindfeld nicht repräsentativ. Schön ist es trotzdem, und zeigt wo der Hauptrandwirbel abgeht.

 

Gruß

Ralf

[Volume]

Noch etwas aus der Presse zum Thema.

 

Gruß

Ralf

[Lubeja]

Weitere Lektüre zum Thema (von Leuten, die es wissen sollten;)):

 

http://www.nasa.gov/centers/dryden/about/Organizations/Technology/Facts/TF-2004-15-DFRC.html

 

http://spinoff.nasa.gov/Spinoff2010/t_5.html

 

http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/winglets.html

 

http://www.aeronautics.nasa.gov/ebooks/downloads/nasa_innovation_in_aeronautics.pdf

[G-GFFD]

Heute (18.2.2014) fand der 1. Pax Flug einer 737-800 mit den neuen Split Scimitar Winglets statt!

 

UA1273 von Houston nach Los Angeles.

 

Weitere 737 sollen bald umgerüstet werden, 757 und 767 sollen anscheinend später auch folgen.

 

Quellen:

http://airchive.com/blog/2014/02/15/unites-begins-install-split-scimitar-winglets/

http://www.airliners.net/aviation-forums/general_aviation/read.main/5998274/

 

Wichtigstets Zitat aus der 1. Quelle:

Earlier this month, the FAA certified the new design and the retrofit program

 

Dominic