Gibt es Grenzen?

[Heiri_M]

Gibt es Grenzen?

 

Die Gleitzahlen der Segelflugzeuge werden immer besser, die Turbofans verbrauchen immer weniger Treibstoff.

 

Ich kann mir nun nicht vorstellen, dass ein Segelflugzeug, sagen wir mal von 400 kg mit 90 km/h auch bei allerbester Aerodynamik tagelang oben bleiben kann. Muss das Segelflugzeug nicht auch noch (neben dem Auftrieb an der Profiloberseite) Luft nach unten bewegen um oben zu bleiben. Und das kostet doch Energie? Hängen der Auftrieb und Downwash irgendwie zusammen?

 

Daher meine Frage: Gibt es theoretische Grenzen, und wenn ja, wie nah sind wir daran? Lohnt es sich noch, neue Segelfugzeuge zu entwickeln?

 

Bei den Turbofans ist mir bekannt, dass die Turbinen-Eintrittstemperatur begrenzend wirkt. Gibt es auch hier physikalische Grenzen? Kann da am Wirkungsgrad (sagt man dem so?) noch viel verbessert werden?

[Dierk]

Gibt es Grenzen?

 

Die Gleitzahlen der Segelflugzeuge werden immer besser, die Turbofans verbrauchen immer weniger Treibstoff.

 

Ich kann mir nun nicht vorstellen, dass ein Segelflugzeug, sagen wir mal von 400 kg mit 90 km/h auch bei allerbester Aerodynamik tagelang oben bleiben kann. Muss das Segelflugzeug nicht auch noch (neben dem Auftrieb an der Profiloberseite) Luft nach unten bewegen um oben zu bleiben. Und das kostet doch Energie? Hängen der Auftrieb und Downwash irgendwie zusammen?

Ein Segelflugzeug wird abgesehen von der Lageenergie, welches es üblicherweise entweder durch die Motorwinde oder den Flugzeugschlepp erhält, immer durch Energiezufuhr von aussen angetrieben, und zwar durch aufsteigenge Luftpolster, sei es durch Thermik (aufsteigende Luftblasen) oder Hangaufwinde. Das Prinzip ist hier sehr schön sichtbar: https://youtu.be/tac2KXEuANU

 

Je mehr Energie von aussen zugeführt wird und je weniger es verbraucht, desto mehr Lageenergie kann es gewinnen oder desto schneller/weiter kann es fliegen. Das Problem, einen ganzen Tag, also auch Nachts fliegen zu können, scheitert an der Zulassung (nicht nachtflugtauglich mangels Lampen) und der niedrigeren Energiezufuhr in der Nacht - keine Thermik, abschwächender Wind und damit abschwächende Hangaufwinde. Ist wirklich ein bisschen wie beim Surfen: ohne Wellen klappt das nicht so gut.

 

Je nach Wetterlage wäre es allerdings zumindest theoretisch physikalisch möglich, bei grossem Druckgradienten über den Alpen eine Nacht in einer Leewelle zu verbringen :blink:

 

Vielleicht gibt es irgendwann mal einen Red Bull Piloten, der das (mit Ausnahmegenehmigung) versucht...

Bearbeitet 8. Oktober 2016 von Dierk

[Heiri_M]

Danke Dierk. Ja, das ist mir schon bekannt. Ich meine aber den Gleitflug, also bei völlig ruhiger Luft. Die Gleitzahl basiert ja auch auf unbewegter Luft.

[iwl]

Es werden keine Dauerflugrekorde mit Segelflugzeugen mehr angenommen, weil das einzige Problem ist wach zu bleiben und Aufputschmittel genommen wurden.

Es braucht nur einen entsprechenden Hang, 100m hoch reicht, und Wind in Mitteleuropa meist Südwest, muß nur mal ein paar Tage wehen, kommt ja vor.

Früher war man da mit Licht nicht so genau, heute wäre das notfalls schon zu machen. 

[Lubeja]

Hängen der Auftrieb und Downwash irgendwie zusammen?

'actio et reactio' hätte ich mit meinen bescheidenen Physikentnissen gesagt?

 

Bei den Turbofans ist mir bekannt, dass die Turbinen-Eintrittstemperatur begrenzend wirkt. Gibt es auch hier physikalische Grenzen? Kann da am Wirkungsgrad (sagt man dem so?) noch viel verbessert werden?

Tja, die Sache mit dem Wirkungsgrad. Man könnte theoretisch noch sehr viel mehr aus einem Strahltriebwerk heraus holen, selbst mit heute beherrschbarer Technik. Das Problem ist wie du sagst die Turbinen-Eintrittstemperatur, bzw. genauer noch die Frischgastemperatur. Man könnte natürlich sagen, das löst man dadurch, über entsprechend hochtemperaturfeste Materialien zu verfügen. Das ist nicht falsch, aber heute nicht das Problem. Vielmehr ist man bisher (und wohl auch in Zukunft) auf ca. 1400°C limitiert, weil sich oberhalb dieser Temperatur ein steiler Anstieg in der Produktion schädlicher und unerwünschter Stickoxyde einstellt.

 

Ein besserer Wirkungsgrad kann man daher zur Zeit nur dadurch erreichen, wenn man es schaffte, für den Antrieb des Fans dem Gasstrom 'gegen unten hin' mehr thermische Energie zu entziehen, also 'kältere' Abgase hat. So kann man den Herrn Carnot zufrieden stellen. Aber ehrlich gesagt muss da für die Details unser Forenkollege 'Brufi' ran, der kennt sich mit Gasturbinen bestens aus.

[Chipart]

Daher meine Frage: Gibt es theoretische Grenzen, und wenn ja, wie nah sind wir daran? Lohnt es sich noch, neue Segelfugzeuge zu entwickeln?

 

Wenn ich Deine Frage mal so interpretiere, dass Du wissen möchtest, was die beste Gleitzahl ist, die theoretisch mit einem Segelflugzeug erreichbar wäre, dann ist sie ja durchaus interessant - aber nur theoretisch, nicht so sehr im praktischen Segelflugzeugbau!

 

Zwischen Theorie und Praxis gibt es hier nämlich einen sehr relevanten Unterschied:

Das Segelflugzeug mit der theoretisch besten Gleitzahl muss relativ langsam fliegen, weil mit der Geschwindigkeit (quadratisch) der Luftwiderstand steigt und dieser führt zu Energieabfluss. 

In der Praxis braucht man Flugzeuge, die bei möglichst hohen Geschwindigkeiten sehr gute Gleitzahlen haben, da es in Wettbewerben ja darum geht, eine Strecke möglichst schnell zurück zu legen.

 

Florian

[Volume]

Ob es technisch je möglich ist ist die Frage, aber theoretisch könnte man die Grenzschicht überall komplett absaugen, und damit einen Reibungswiderstand von Null erreichen. Die Grenzschichtabsaugung braucht aber Energie, und die muss ja irgendwo her kommen. Per Definition muss man sie heute der Luftströmung entnehmen.

Selbst wenn man den Reibungswiderstand anders auf Null brächte (Stichwort Haifischhaut), bliebe der unvermeidliche induzierte Widerstand. Den kann man (analog zum Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine in Abhängigkeit von der Verdichtung) mit immer mehr Streckung immer kleiner bekommen, aber nie auf Null. Und je größer die Streckung, desto weicher wird der Flieger, und damit kann man keine optimale Auftriebsverteilung über größere Geschwindigkeitsbereiche hinbekommen, irgendwann rennt man in eine Sättigung. Viel steifer als mit Kohlefaser wird es nicht mehr, da sind wir schon nahe am physikalisch machbaren.

 

Ich kann mir kaum vorstellen, das man jemals eine Gleitzahl von 100 realisieren können wird, und wie schon gesagt, darauf wird auch heute gar nicht optimiert. Ein Flugzeug muss sich unterhalb der Geschwindigkeit des besten Gleitens gut kurbeln lassen, und fliegt zwischen den Aufwinden deutlich oberhalb der Geschwindigkeit des besten Gleitens. Ähnlich wie beim Automotor ist die Drehmomentkurve als ganzes wichtig, nicht das höchste Drehmoment. Und in diese Richtung wird auch entwickelt, da gut sein wo man ständig fliegt.

 

Gruß

Ralf

[Heiri_M]

@Florian: Danke! Es geht mir nur um die Theorie.

 

@Ralf: Nehmen wir an, die Grenzschichtwiderstände und die diversen Randwirbel könnten wir eliminieren. Für den Auftrieb sorgt der Bernoulli und die Downwashkomponente. Sind diese beiden Komponenten anteilmässig zu trennen? Vom Gefühl her würde ich sagen, dass der Flieger oben bleibt wegen des Downwashs, und dieser braucht, auch wieder vom Gefühl her, Energie. Wie ist es mit dem Bernoulli? Ist der gratis zu haben? Es müsste doch eine theoretische Maximalgleitzahl geben, die von Masse und Geschwindigkeit abhängt?

Ich weiss: Viele Fragen.

[Dierk]

In der Theorie ist der ideale Flügel unendlich dünn und unendlich lang, und der Holm, der darin verbaut ist, kann unendliche hohe Zug- und Dehnungskräfte aufnehmen. Schon die Werkstofftechnik setzt letzterem in der Praxis Grenzen, der Flügel kann also nicht unendlich dünn und lang sein. Je länger die Flügel, desto unfliegbarer wird es für den Piloten. Irgendwann fliegt es einfach nur noch geradeaus, überspitzt gesagt.

Bearbeitet 9. Oktober 2016 von Dierk

[Chipart]

Eigentlich gar nicht viele Fragen: Das einzige, was Du am Ende sagst, ist, dass der Luftwiderstand nicht 0 sein kann, weil der gleiche Prozess der für den Auftrieb sorgt eben auch immer automatisch einen Luftwiderstand verursacht. Selbst wenn Du Schubspannungswiderstand, Interferenzwiderstand und induzierten Widerstand auf 0 bringen könntest, bliebe die Druckwiderstandskomponente, die Du nicht los bekommst, weil dann auch der Auftrieb weg ist. 

 

Der daraus resultierende Widerstandsbeiwert kann nicht kleiner als 0,002 werden. Daraus kannst Du Dir jetzt die minimale Kraft und damit den minimalen Energieverlust bei gegebener Geschwindigkeit ausrechnen.

 

Florian

 

P.S.: Auch durch Grenzschichtabsaugung kann man den Schubspannungswiderstand nicht komplett auf 0 bringen - ausser man vernachlässigt die innere Reibung der Absaugung. Soweit ich mich erinnern kann wird diese bei modernen Segelflugzeugen auch nicht primär zur Verringerung des Reibungswiderstands sondern zur Verlängerung der laminieren Strömungsstrecke eingesetzt.

[Volume]

 

die diversen Randwirbel könnten wir eliminieren. Für den Auftrieb sorgt der Bernoulli und die Downwashkomponente.

Die Randwirbel sind nichts anderes als der Übergang von Downwashzone zu ungestörter Strömung. Du kannst das eine nicht ohne das andere haben.

Aus diesem Grund kannst du keine Kraft erzeugen, ohne auch einen Wirbel zu haben.

Oder als elektromagnetische Analogie: du kannst keinen Strom durch einen Leiter schicken, ohne ein Magnetfeld zu erzeugen.

 

Aerodynamisch erzeugter Auftrieb erzeugt immer induzierten Widerstand. Selbst bei Segelflugzeugen macht der beim besten Gleiten noch unter Freunden um die 50% des Gesamtwiderstands aus, daher mein Wert von etwa 100 als denkbares Maximum, wenn man alle anderen Widerstände tatsächlich eliminieren könnte..

 

Gruß

Ralf

[Volume]

Soweit ich mich erinnern kann wird diese bei modernen Segelflugzeugen auch nicht primär zur Verringerung des Reibungswiderstands sondern zur Verlängerung der laminieren Strömungsstrecke eingesetzt.

Das ist korrekt, wobei es meines Wissens bisher alles nur Experimentelle, und nicht moderne Serienflugzeuge sind.

Aber das ist nur der erste Schritt, im Prinzip kann man die Grenzschicht auch komplett absaugen, das braucht im Bereich des größten Sogs natürlich sehr viel Energie, würde aber in nahezu Null Reibungswiderstand resultieren. Nur die turbulente Grenzschicht im hinteren Bereich des Profils abzusaugen, wo der Sog viel geringer ist, hat wesenlich bessere Wirkungsgrade. Sie macht den meisten Widerstand und ist relativ einfach abzusaugen.

 

und ich muss mich noch ein wenig korrigieren:

Aerodynamisch erzeugter Auftrieb erzeugt im Unterschallbereich immer induzierten Widerstand.

Aber Überschall und Segelflug ist glaube ich mit dem Ende des Space Shuttle Geschichte.

 

Gruß

Ralf

[Meerkat]

Es werden keine Dauerflugrekorde mit Segelflugzeugen mehr angenommen, weil das einzige Problem ist wach zu bleiben und Aufputschmittel genommen wurden.

 

Deswegen bin ich dafür, dass man für Segelflieger kleine leichte Autopiloten entwickelt, so dass der Pilot nacht seinen verdienten Schlaf hat.

Wobei ich persönlich eher zur Zeit eher solar angetriebene Flugzeuge wie die Solar Impuls bevorzuge.

 

 

 

Früher war man da mit Licht nicht so genau, heute wäre das notfalls schon zu machen. 

 

?

Wo liegt das Problem heute?

[Chipart]

Wo liegt das Problem heute?

 

Man muss halt genügend große Batterien mitnehmen, um in der Nacht die vorgeschriebenen Positionslichter betreiben zu können - mit LEDs sollte das aber gehen.

 

Kann man nicht in einem Doppelsitzer immer abwechselnd schlafen? Dann könnte man doch auch ganz ohne Drogen sehr lange im Hangaufwind fliegen. Ich sage nicht, dass das vernünftig ist - aber bevor man Kinder dafür feiert, dass sie in Motorflugzeugen die Welt umrunden sollten Erwachsenen doch auch solchen Unsinn machen dürfen...

 

Florian

[Dierk]

Man muss halt genügend große Batterien mitnehmen, um in der Nacht die vorgeschriebenen Positionslichter betreiben zu können - mit LEDs sollte das aber gehen.

 

Kann man nicht in einem Doppelsitzer immer abwechselnd schlafen? Dann könnte man doch auch ganz ohne Drogen sehr lange im Hangaufwind fliegen. Ich sage nicht, dass das vernünftig ist - aber bevor man Kinder dafür feiert, dass sie in Motorflugzeugen die Welt umrunden sollten Erwachsenen doch auch solchen Unsinn machen dürfen...

 

Florian

Abwechselnd schlafen, dann ist man noch näher an den Vögeln

 

http://www.sueddeutsche.de/wissen/voegel-schlafen-mit-einer-hirnhaelfte-1.517920

 

Analog kann dann über seinen Partner sagen: meine bessere Hälfte schläft gerade...

[Meerkat]

Manche Vögel leben und schlafen in der Luft und kommen nur auf die Erde um sich um die Kinder zu kümmern.

http://www.n-tv.de/wissen/frageantwort/Landen-Mauersegler-nie-article13300946.html

 

Wir Menschen sind da schon sehr begrenzt und am die Grenzen zurück zu kommen.

 

 

Vielleicht schaffen wir es mal Segelflugzeuge wie die Albatrosse fliegen zu lassen. (ist mir gerade noch ein kleines Rätsel wie die das machen)

http://www.spiegel.de/fotostrecke/albatrosse-fliegen-im-wind-ohne-energie-zu-verbrauchen-fotostrecke-87070-7.html

[DaMane]

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Vielleicht schaffen wir es mal Segelflugzeuge wie die Albatrosse fliegen zu lassen. (ist mir gerade noch ein kleines Rätsel wie die das machen)

http://www.spiegel.de/fotostrecke/albatrosse-fliegen-im-wind-ohne-energie-zu-verbrauchen-fotostrecke-87070-7.html

Dazu gibt es sogar hier im Forum etwas schlaues zu lesen:

 

http://www.flightforum.ch/board/index.php?/topic/91733-alternative-auftriebstheorie-nach-newton/?hl=albatros&do=findComment&comment=852554

 

Gruß

Manfred

Bearbeitet 12. Oktober 2016 von DaMane

[PeterH]

Oh, Oh....

 

Beim Thema "Albatros" werd' ich plötzlich ganz unruhig... weiß garnicht, warum... :lol:

Ob's was mit der Reynoldszahl zu tun hat? Oder mit Wolkenschiebern? :huh:

 

Gruß

Peter

Bearbeitet 12. Oktober 2016 von PeterH

[Heiri_M]

Das muss wohl mit der Reynoldszahl zu tun haben. Jaja, ist zwar nicht das Thema. Dass der Albatros ohne Flügelschlag weite Strecken im dynamischen Segelflug zurücklegen kann, bezweifle ich nicht, aber kommt er auch wieder ohne Flügelschlag gegen die Windströmung zum Nest zurück?

[DaMane]

........... Dass der Albatros ohne Flügelschlag weite Strecken im dynamischen Segelflug zurücklegen kann, bezweifle ich nicht, aber kommt er auch wieder ohne Flügelschlag gegen die Windströmung zum Nest zurück?

Bauen Albatrosse überhaupt Nester? Ohne eigene Erfahrung in Albatrossens Flugtechnik vermute ich - einem Gefühl folgend -  daß es ohne Flügelschlag nur gegen den Wind geht.

 

Gruß

Manfred

[iwl]

Es ist halt keine Leistung, daß der Wind weht und kein Unterschied zum Pfahlsitzen.

 

Ingo