Wieso sind widebodies schneller?

[Beginna]

Hallo.

 

Mein kleiner Sohn hat mich nach Geschwindigkeiten von verschiedenen Flugzeugen gefragt. Und da konnte ich ihm nicht erklären, warum die "Großen" ein klein wenig schneller sind als die "Kleinen". A320 und B737 fliegen doch so mit ca. Mach 0.78 umher. Die Widebodies sind eher mit Mach 0.85 unterwegs. Woran liegt das? An den Triebwerken? An einem anders optimierten aerodynamischen Profil - weil sie meist Langstrecke fliegen? Oder ist das aerodynamsche Profile schon allein aufgrund der Größe für höhere Geschwindigkeiten ausgelegt?

 

Wie geht man mit Geschwindigkeitsunterschieden zwischen den einzelnen Typen auf gleichen Strecken um (z.B. NAT) - darf dann (auf unterschiedlcher Höhe) überholt werden? Bzw. werden überhaupt vom ATC Geschwindigkeitsvorgaben auf Reiseflughöhe gegeben?

 

Danke euch und Allen einen schönen ersten Advent!

 

Mario

[Danix]

Langstreckenflugzeuge sind auf höhere Geschwindigkeit optimiert: Aerodynamik, Flügelprofil, Triebwerke. Historisch kommt es davon, dass man einfach lange Strecken schneller zurücklegen wollte, und auch mit mehr Gegenwind fertig werden musste (es lohnt sich, bei Gegenwind schneller zu fliegen).

 

Allerdings wäre es sicher möglich, auch Langstreckenflugzeuge auf tiefere Machzahlen zu optimieren, wenn man ganz von vorne beginnen würde. Diese Flugzeuge würde dann aber nicht mehr in die Langstrecken-Infrastruktur (Nordatlantik, wie du richtig bemerkst) passen. Es wäre jedoch meiner Meinung (Ralf kann da sicher mehr dazu sagen) effizienter (verbrauchsfreundlicher), wenn man langsamer fliegen würde. So sind die modernen Langstreckenflugzeuge langsamer als die alten (A330/B787 vs 747/MD11).

 

Auf dem Nordatlantik (NAT) bekommt man vor Eintritt eine fixe Machzahl, die darf man nicht mehr ändern (ausser man bekommt eine neue Freigabe). Überholen geht meist nicht, die Machzahl ist vorausberechnet, dass es auf geht. Allerdings muss man noch bemerken, dass Kurzstreckenflugzeuge sehr selten in diesen Lufträumen herumfliegen, ausser die wenigen A320/737 mit den Zusatztanks. Die müssen dann einfach tiefer fliegen oder andere Tracks.

[Volume]

Bei der Auslegung eines Flugzeugs spielt die Flügelpfeilung eine entscheidende Rolle, je stärker gepfeilt, desto schneller kann man noch wirtschaftlich fliegen. Gleichzeitig werden aber die Langsamflugeigenschaften schlechter, man kommt eigentlich nicht um Vorflügel herum, braucht meist kompliziertere Klappensysteme.

Hohe Geschwindigkeit macht vor allem Sinn, wenn man auch in großer Höhe fliegt, weil da die Luft dünner ist, und so weniger Widerstand produziert, allerdings auch weniger Auftrieb, den man dann mit Geschwindigkeit ausgleichen muss (oder kann).

 

Kurzstreckenflugzeuge operieren oft von kleinen Flugplätzen aus, deshalb brauchen sie Flügel, die gut im Langsamflugbereich sind. Und für kurze Flüge lohnt es sich nicht, auf sehr große Höhen zu steigen. Ausserdem werden in kleinen Flugzeugen magels Platz die Klappensysteme im Flügel sehr komplex, schwer und teuer in der Wartung.

Daher baut man Kurzstreckenflugzeuge (z.B. den Jumbolino, die Fokkers oder die kleinen Embraers und CRJ) mit relativ gering gepfeilten Flügeln ohne Nasenklappen. Die können dann zwangsweise nicht sehr schnell fliegen, ohne viel transsonischen Widerstand zu machen, und deshalb oft auch nicht sehr hoch fliegen. Dafür sind die Flügel leicht, preisewert und wartungsarm, und liefern trotzdem gute Langsamflugeigenschaften.

 

Es ist halt eine Optimierung auf den typischen Einsatzweck hin.

 

Gruß

Ralf

Bearbeitet 28. November 2016 von Volume

[Danix]

Danke Ralf, wie immer klasse beantwortet!

 

Kennst du irgendwelche Projekte, um Langstreckenflugzeuge langsamer zu machen? Gäbe es eine optimale Geschwindigkeit? Es gab doch sicher Projekte während den Zeiten des teuren Öls, auch die grossen umweltfreundlicher zu machen, ähnlich wie die Kurzstreckenflugzeuge (man erinnert sich an die UDFs, die 150-Plätzer-Propeller-Entwürfe usw.). Mit welcher Machzahl würde ein Blended Wing optimal fliegen (in der Auslegung die vorgeschlagen wurde)?

 

Dani

[Volume]

Kennst du irgendwelche Projekte, um Langstreckenflugzeuge langsamer zu machen?

Naja, A330/340 waren auf geringere Machzahl optimiert, als die damals existierenden Boeings. Bei gleichem Triebwerk waren sie ja auch in der Tat deutlich sparsamer. Aber A350 ist wieder mit mehr Pfeilung auf höhere Machzahl optimiert. Gerade auf der Langstrecke muss man auf die Flugzeit gucken. Man täuscht sich, wie oft die Flughafenöffnungszeiten einen bei der Wahl der Geschwindigkeit einschränken. Wer z.B. morgens um 7 am Golf losfliegt, kommt in Japan an wenn da alles zu ist... Deshalb gehen diese Flüge ja dann morgens um 3 raus (z.B. EK 316).

 

Mit welcher Machzahl würde ein Blended Wing optimal fliegen

Die Frage ist wohl eher, in welcher Flughöhe. Bei einem nichtzylindrischen Rumpf kostet die Druckkabine richtig Gewicht, von daher kann man ganz sicher nicht so hoch wie derzeit, und damit wird man dann wohl auch langsamer fliegen. Zumal der Blended Wing genau das Gegenteil von "Area-ruling" macht, und daher definitiv nicht für hohe Machzahlen (in der Region die wir heute kennen) gut ist.

 

Mal ganz davon abgesehen, dass Nurflügler noch nie sparsamer waren, als vergleichbare konventionelle Entwürfe. Und da reden wir noch gar nicht von Passagierkomfort...

 

Der Schlüssel zu hoher Effizienz ist hohe Streckung, die beisst sich leider mit viel Pfeilung, da das erhebliche Ansprüche an die Flügelsteifigkeit stellt, was wiederum richtig Gewicht kostet.

Von daher wären ultraeffiziente Flugzeuge wohl eher langsam. Da müsste der Sprit erst richtig teuer werden, ehe man sich darauf einlassen würde. Wenn man dem Kunden heute einen 12 Stunden Flug von Europa an die Amerikanische Ostküste für 15% weniger Geld anbieten würde, würden wohl 90% abwinken... (um mal den zu Tode diskutierten Vergleich zu bemühen, Umsteigeverbindungen mit ähnlich verlängerten Reisezeiten liegen preislich oft um über 50% günstiger um sie noch am Markt loszuwerden, das würde man mit Spritsparen allein nie hinbekommen, vermutlich würde der Bedarf an doppelter Crew und mehr auf die Zelle geflogenen Stunden die Spritersparniss schon wieder auffressen).

 

Wenn unsere heutigen Produkte nicht nahe am Optimum für die Airline liegen würden, würden wir keinen Dreamliner oder A350 in der heutigen Form sehen, sondern viel progressivere Entwürfe. Spritkosten sind halt nicht alles.

Es wäre mal interessant zu sehen, wo der A400M von den Spritverbräuchen her liegt (Turboprop, wenig Pfeilung). Und mit welchen Machzahlen der so operiert wird.

 

Gruß

Ralf

[Lubeja]

Bei der Auslegung eines Flugzeugs spielt die Flügelpfeilung eine entscheidende Rolle, je stärker gepfeilt, desto schneller kann man noch wirtschaftlich fliegen.

Naja, A330/340 waren auf geringere Machzahl optimiert, als die damals existierenden Boeings. Bei gleichem Triebwerk waren sie ja auch in der Tat deutlich sparsamer. Aber A350 ist wieder mit mehr Pfeilung auf höhere Machzahl optimiert.

 

Ohne jetzt zu sehr in die Details gehen zu wollen: welchen Einfluss haben eigentlich moderne, superkritische Profile darauf? Wenn ich das richtig im Kopf habe, war es doch nicht zuletzt der Sinn der Sache, die gleichen, hohen Machzahlen bei geringerer Pfeilung und damit möglicher, höherer Streckung zu erreichen?

 

Die Frage ist wohl eher, in welcher Flughöhe. Bei einem nichtzylindrischen Rumpf kostet die Druckkabine richtig Gewicht, von daher kann man ganz sicher nicht so hoch wie derzeit, und damit wird man dann wohl auch langsamer fliegen. Zumal der Blended Wing genau das Gegenteil von "Area-ruling" macht, und daher definitiv nicht für hohe Machzahlen (in der Region die wir heute kennen) gut ist.

 

Mal ganz davon abgesehen, dass Nurflügler noch nie sparsamer waren, als vergleichbare konventionelle Entwürfe. Und da reden wir noch gar nicht von Passagierkomfort...

Die konsequente Trennung von Auftriebserzeugung und Nutzlast hat halt eben auch ihre Vorteile. Wenn das Nurflügelkonzept so überlegen ist; warum hat es sich dann in der Tierwelt bloss bei Plattfischen durchgesetzt, nicht aber bei Vögeln?

 

Lustig finde ich auch immer wieder das Argument, "ja aber mit neuen Materialien lassen sich Nurflügler leicht genug bauen!" - schade, dass diesen Futureturbos entgeht, dass man mit den gleichen neuen Werkstoffen eben auch einen noch viel leichteren zylindrische Rumpf bauen kann...

 

Der Schlüssel zu hoher Effizienz ist hohe Streckung, die beisst sich leider mit viel Pfeilung, da das erhebliche Ansprüche an die Flügelsteifigkeit stellt, was wiederum richtig Gewicht kostet.

 

quod erat demonstrandum - sage ich ja schon lange: in Zukunft werden wir auf der Linie mit übergrossen TMG's unterwegs sein. Man muss ja nicht gleich auf die Speeds und Flughöhen der Super Connie-Ära zurückgreifen. Mit Mach 0.75 braucht man auch noch keine 12 Stunden von Zürich nach New York.

 

Es wäre mal interessant zu sehen, wo der A400M von den Spritverbräuchen her liegt (Turboprop, wenig Pfeilung). Und mit welchen Machzahlen der so operiert wird.

Mit dem Spritverbrauch und Machzahl kann ich nicht dienen. Aber neulich auf FR24 habe ich einen gesehen mit 462 Knöpfen GS auf FL280. Das gibt vielleicht ein Gefühl dafür, in welchen Regionen wir uns bewegen.

Bearbeitet 28. November 2016 von Lubeja

[Volume]

welchen Einfluss haben eigentlich moderne, superkritische Profile darauf?

"moderne" heisst in diesem Zusammenhang "aus den späten 60ern", also ab Mitte der 70er im Serienflugzegbau benutzt, nur um es mal für die Leser in die richtige Perspektive zu rücken, die noch etwas moderner sind (also noch in der 1. Hälfte ihre statistischen Lebenserwartung)  ;)

Ja, die haben natürlich auch noch mal etwas verbessert, wobei diese ja nicht generell so viel höhere Machzahlen ermöglichen wie Pfeilflügel. Die Entwicklung ist aber schon lange ausgereizt, ähnlich wie be den Laminarprofilen sind wir bei so langen Überschall-Lauflängen, mehr geht eigentlich nicht mehr. Man kann allenfalls den Arbeitsbereich noch besser an die Gesamtauslegung anpassen.

Während "antike" Profile ihre kritischen Machzahlen bei 0.65-0.7 haben, haben superkritische ihre bei um die 0.8 (keine 20% mehr). Durch 45° pfeilen erreichst du allerdings eine 40% höhere kritische Machzahl, und im Prinzip kannst du noch mehr pfeilen.

 

Man muss ja nicht gleich auf die Speeds und Flughöhen der Super Connie-Ära zurückgreifen.

Aber man wird da relativ nahe dran kommen müssen.

 

Ohne hier zu sehr ins Detail gehen zu wollen... Wenn die Briten dereinst das Problem mit der Materialermüdung nicht gehabt hätten, hätte sich die Comet trotzdem nicht längerfristig auf dem Weltmarkt durchgesetzt. Schlicht weil der Zellenentwurf (so schön er auch aussah :wub: ) nicht zum Düsentriebwerk gepasst hat. Die sehr moderate Hauptflügelpfeilung und die fast nicht vorhandene Leitwerkspfeilung erlaubt einfach keine wirtschaftlich hoch und schnell fliegenden Flugzeuge. Der eigentliche "Hit" der 707 war ihr (für ein Passagierflugzeug) sehr extrem gepfeilter Flügel, und ihr stark gepfeiltes Leitwerk. Diese Zelle war wirklich für hohe Geschwindigkeit und damit für große Flughöhe wirtschaftlich ausgelegt. Sie hat sogar noch mit "konventionellen" Profilen halbwegs funktioniert.

 

Wenn wir wirklich heftig Sprit sparen müssen, werden wir bei Höhe und Geschwindigkeit auf ähnliche Werte kommen wie die letzte Generation Kolbenmotorflugzeuge, also um die 600 km/h, die der "schnellste Motorsegler" auch nur mit Rückenwind geschafft hat. Vermutlich wird das nicht genug Sinn machen, um ein derartig "wirtschaftliches" Gerät zu bauen, man wird wohl eher einen Kompromiss eingehen, und den Preis für Geschwindigkeit zahlen.

 

Gruß

Ralf

[Hunter58]

737 und A320 sowie früher 727 oder MD80 liegen alle um und unterhalb von Mach 0.8. Warum hat Ralf bereits treffend beschrieben. Wichtig ist jedoch dass auch Nachfolgemodelle in dieselbe Slots hereinpassen. Die Fokkers und Jumbolinos flogen noch langsamer, die Differrenz wird durch ihre Ablösung kleiner ofer gleich null. Ideal für eine Airline ist es wenn jeder typische Flieger innerhab desselben Zeitfensters bewegt werden kann.

 

Die A350 fliegt mit M0.85 statt M0.82 weil sie für die Airlines eher 777/747 Ablösung ist und deren typische Routen fliegen soll. Die A330/340 war da um DC10/L1011 zu erstzen und sollte auch ähnlich schnell fliegen.

 

Natürlich könnte man einen Flieger entwickeln der diese Geschwindigkeitsbereiche nicht einhält, aber niemand wird auch nur einen cent mehr für höhere Geschwindigkeiten ausgeben. Und lles was langsamer unterwegs ist muss wesentlich wirtschaftlicher sein (im Netzwerk, nicht als einzelne Strecke) als das Bisherige.

 

Wenn mir einer einen 250-Sitzerbringen kann der mit 80% der heutigen Geschwindigkeit nur noch 50% desselben kostet interessiert mich das. Aber wenn es nur schlappe 10% sind reicht das nicht um sls System zu bestehen.

[Volume]

Wenn mir einer einen 250-Sitzerbringen kann der mit 80% der heutigen Geschwindigkeit nur noch 50% desselben kostet interessiert mich das.

Wenn du über den Sprit allein 50% billiger werden willst, musst du den Verbrauch um 150% reduzieren. Das ist kein wirklich realistisches Szenario...

Von daher wären schon "schlappe 10%" Gesamtkosten eine echte Sensation, die bereits echte technische Innovationen bräuchte.

 

Die A330/340 war da um DC10/L1011 zu erstzen und sollte auch ähnlich schnell fliegen.

 

Der A340 (330 war damals ja eher ein "Abfallprodukt"...) wurde zu Zeiten sehr hoher Spritpreise entwickelt, mit der klaren Vorgabe so sparsam wie möglich zu werden, darauf wurde optimiert. Die geringere Geschwindigkeit wurde absichtlich in Kauf genommen. Die Airlines wollten es zunächst auch so, allerdings war man bereits zum Zeitpunkt der ersten Auslieferungen wieder in einer Niedrigpreisphase, was dem Erfolg des Projekts sehr geschadet hat.

Die DC-10 hiess bei der Lufthansa damals wegen ihrer Geschwindigkeit DC-Fix (für die jüngeren hier, d-c-fix war in den 70ern eine populäre bunte Klebefolie zu Dekozwecken, mit der man z.B. alte Möbel psychedelisch bunt aufhübschen konnte, heute wohl eher in die Kategorie "ästhetische Entgleisungen" einzuordnen wie Nierentische und Schulterpolster...), der A340 war definitiv langsamer.

 

737 und A320 sowie früher 727 oder MD80 liegen alle um und unterhalb von Mach 0.8.

Die 737 (25°) hat deutlich weniger Pfeilung als die 727 (32°), letztere kann auch Mach 0.9.

Zum Vergleich:

747 37.5°,

Gulfstream 650 37°,

707 35°,

DC-10/MD-11 35°,

L1011 35°, 

Trident 35°,

Tu-134 35°,

Global Express 35°,

Tu-114 (Turboprop !) 34°,

VC-10 32.5°,

A340 31.1°,

DC-8 30°,

A320 25°,

MD-90 24.5°,

Fokker 70/100 20°,

Comet 15°,

Jumbolino 15°,

SAAB 2000 0°

 

Gruß

Ralf

Bearbeitet 29. November 2016 von Volume

[PeterH]

...

Ohne hier zu sehr ins Detail gehen zu wollen... Wenn die Briten dereinst das Problem mit der Materialermüdung nicht gehabt hätten, hätte sich die Comet trotzdem nicht längerfristig auf dem Weltmarkt durchgesetzt. Schlicht weil der Zellenentwurf (so schön er auch aussah :wub: ) nicht zum Düsentriebwerk gepasst hat. Die sehr moderate Hauptflügelpfeilung und die fast nicht vorhandene Leitwerkspfeilung erlaubt einfach keine wirtschaftlich hoch und schnell fliegenden Flugzeuge.

...

Ich glaube, mal gelesen zu haben, daß der Rumpf der Caravelle dem der Comet entsprach (von ihm inspiriert wurde? kopiert wurde?). Stimmt das eigentlich?

 

Und noch zur Pfeilung: Tu-114 (Turboprop!) 34°. Und über Mach 0.7! Die wurden immer mal wieder gerne von US-Jägern begleitet, die das nicht ganz glauben konnten...

 

Gruß

Peter

Bearbeitet 29. November 2016 von PeterH

[Volume]

Die Nase hat Sud Aviation von de Havilland übernommen. Der Rest des Rumpfes ist sehr verschieden.

Auch das Hauptfahrwerk ist sehr ähnlich (und exotisch), obwohl es bei der Comet nach aussen in den Flügel einfährt, und bei der Caravelle in den Rumpf.

Strukturell sind die beiden sehr verschieden, bei der Comet ist sehr viel geklebt, bei der Caravelle sehr viel punktgeschweisst. Und natürlich ist an der Caravelle alles metrisch...

 

Gruß

Ralf

[Hunter58]

A340 langsamer als DC10? Ich habe mit beiden Modellen 'herumspielen' dürfen und beide sind Mach 0.82 Flugzeuge. Du kannst eine 727 zwar auf Mach 0.90 heizen, aber nur wenn Du unbedingt ein Kaffeegespräch über Deine weitere Zukunft führen willst. Die meisten Operators haben sie mit Mach 0.80 bewegt. National Airlines hat sie im Karibikverkehr sogar mit nur Mach 0.76 geflogen, mit Triebwerk Nummer 2 auf Idle...

[Volume]

Maximale Machzahlen M_MO:

DC-10 0.88

A340 0.86 

 

Airliners Optimum cruising Speeds (Mach)

Boeing 747-400 0.86
Boeing 787 0.85
Boeing 777 0.84
Boeing 767 0.80
Boeing 757 0.80
Boeing 737 -800 0.78
Boeing 737 -300/400/500 0.74

Airbus 380 0.85
Airbus 340 0.82
Airbus 330 0.82
Airbus 320 0.78
Airbus 310 0.78

McDonnell MD-11 0.85

 

Mehr finde ich gerade nicht.

 

Gruß

Ralf
 

[G180]

Und noch zur Pfeilung: Tu-114 (Turboprop!) 34°. Und über Mach 0.7! Die wurden immer mal wieder gerne von US-Jägern begleitet, die das nicht ganz glauben konnten...

War mir noch im Gedächtnis, dass die TU-114 von einem strategischen Bomber ( TU-95 ) abstammt. Geld für Entwicklung von Militärflugzeugen war seinerzeit auf beiden Seiten genug vorhanden, und davon hat dieses Superflugzeug profitiert.

Interessante Geschichte: https://de.wikipedia.org/wiki/Tupolew_Tu-114