Nenne die wichtigsten Anforderungen an das Wing Desgin?
Performance (for cruise, climb & descent, take-off & landing, maneuvers etc.)
Structural requirements (loads, mass, safety)
Flight characteristics (stall characteritics, handling etc.)
Volume capacity (fuel, landing gear, systems)
Welche TLARs fallen direkt in das Wing desgin mit rein? Nenne 3 Beispiele
Payload
Take-off distance and landing distance
Cruise spped
Welche Zertifzierungsrichtlininien fallen direkt in das Wing desgin mit rein? Nenne 3 Beispiele
Climb requirement
Operating speed
Maneuvering und gust loads
Wovon hängt die aerodynamische Leistung eines Flügels ab? Nenne drei Aspekte.
Wingplanform (Fläche, Spannweite, Aspect ratio, taper ratio)
Profile (thickness, twist, etc.)
Spanwise lift distribution
Geometry and type of high-lift system and rudders.
Nenne drei strukturelle Anforderungen an Flügel.
Safety (withstand loads)
Minimal structural mass
Integration of engines and landing gear (if necessary)
Nenne 5 Parameter, die auf die Strukturmasse eines Flügels einwirken.
Mass (payload, OEM, MTOM)
Design Speeds (vs, vMO, vD)
Wing planform
Aeroelasticity, maneuvering loads and gust loads
Span limits
Size and type of rudder controls
Welche kritischen Effekte müssen für die Anforderung an die Flugeigenschaften betrachtet werden? Nenne drei Effekte.
Stall
Low-Speed and high-speed buffeting
Aeroelastic effects (especially flutter)
Gust loads
Nenne drei Beispiele, für die "Volume capacity” bereitgestellt werden muss.
Fuel
Landing gear
High-lift system and control system
Accomodation of additional systems like fuel pipes, anti-ice systems …
Welche Einfluss hat ein erhöhter Sweep (Pfeilung) auf:
den Stall speed
Rate of climb
Absolute ceiling
Take-off and landing
low altitude high subsonic speed
Welche Einfluss hat eine erhöhte Aspect Ratio (Seitenverhältniss) auf:
Welche Einfluss hat eine erhöhte Thickness of chord (Sehnendicke) auf:
Welche Einfluss hat ein erhöhter Area (Flügelfläche) auf:
Welche Einfluss hat ein erhöhter Camber (Wölbung) auf:
Welche Flügelkonfiguration ist heutzutage der Standard?
Low wing configuration with engines located underneath the wing.
Nenne 6 der wichtigsten Flügelparamter.
In welchem Bereich befindet sich die Spannweite, die Flügelfläche, die Aspect ratio, der Sweep, die MAC, und die Reynoldszahl bei heutigen Flugzeugen?
Nenne je zwei Vor- und Nachteile von kleineren Tragflächen bei gleicher Streckung(Aspect ratio).
Nenne je zwei Vor- und Nachteile von großen Tragflächen bei gleicher Streckung(Aspect ratio).
Wie kann der Design-Auftriebs-Koeffizient bestimmt werden? Welche Größenordnung ist dabei zu erwarten?
CLdesign = 0,4-0,6
Bestimmt sich aus Flächenbelastung, Geschwindigkeit und Reiseflughöhe.
Aus welchem Grund wird eine elliptische Auftriebsverteilung angestrebt?
Zur Reduzierung des induzierten Widerstands
Nenne je 3 Vor- und Nachteile einer hohen Aspect Ratio (Streckung).
Welche Größenordnung hat die Aspect Ratio bei gewöhnlichen Passagierflugzeugen?
Zwischen 6.9 und 9.5
Wie kann das Wurzelbiegemoment bei Tragflächen mit hoher Aspect Ratio reduziert werden?
Masse im Flügel erhöhen:
Engines
Nenne Vor- und Nachteile von einer hohen Pfeilung:
Vorteile
-
Nachteile
Wo liegt normalerweise die Wing reference line, welche unter anderem zur Definition der Pfeilung verwendet wird?
Leading edge
oder 1/4 Linie
Warum ist ein nach vorne gepfeilter Flügel so selten?
Nachteile in der Stabilität und Aeroelasticity
Erkläre warum für ein short-range aircraft mit einer Reisegeschw. von Ma = 0,8 und einer Flughöhe von 10km, bei einer Minimierung des Widerstand und annahme einer Laminaren Strömung, die vordere Pfeilung besser geeignet ist, als die nach hinten gerichtete Pfeilung.
In welcher Größenordnung befindet sich die Pfeilung von kommerziellen Passagierflugzeugen?
Wie ist die taper Ratio definiert?
Ratio between the chord at the wing tip and the chord at the wing roots
Nenne Vor- und Nachteile einer hohen Taper Ratio.
In welcher Größenordnung befindet sich die taper Ratio von kommerziellen Passagierflugzeugen? Nenne auch den Bereich, welchen Hope vorgibt.
Hope: 0,2 - 0,3 (high subsonic speed)
Zwischen welchen Parametern läuft der Trade-off für die Definition der Taper-Ratio?
Gute Aerodynamik (Elliptischer Auftriebsverteilung)
Struktur (Wurzelbiegemoment)
Welche Eigenschaften zeichnet den Referenz-Flügel aus, welcher für den Vorentwurf häufig genutzt wird?
Einfach verjüngender Flügel
Rumpf wird vernachlässigt
MAC kann graphisch abgeschätzt werden
Wie lautet die Formel zur Berechnung der abgeschätzen MAC?
Wie lautet die allgemeine Definiton der MAC?
Wie ist der Twist definiert?
Twist ist die Variation der Nullauftriebslinie des Profils in Abhängigkeit von der Spannweitenposition:
Spannweitenwechsel von Sehne und Wölbung, was zu einem verdrehten Flügel führt.
Welche Arten von Twist gibt es?
Geometrischen Twist: Lokale Änderung des Angriffswinkel
Aerodynamischer Twist: Änderung der Nullauftriebs-Richtung durch die Variation der Wölbung oder des Profils.
Was ist der Haupteffekt des Flügel-Twists?
Realisierung einer nahezu elliptischen Auftriebsverteilung aufgrund von C_L -> Reduzierung des induzierten Widerstands
Verhindert ein stallen der Querruder
Beeinflusst die Stall-Eigenschaften
In welcher Entwurfsphase wird der Wing-twist betrachtet?
Im Vorentwurf rechnet man ohne einen Wing-twist
Wird später für Optimierungen genutzt.
Zeichne den Verlauf des Auftriebsbeiwertes über die Spannweite für einen Flügel mit und ohne Twist auf.
Welche Aspekte sind bei der Auswahl der Tragflächen in Spannweitenrichtung zu beachten?
Die Tragflächen können an der Spitze schlanker sein (strukturelle Gründe)
Ein hoher maximaler Auftriebskoeffizient und gute Überzieheigenschaften sollten an der
Spitze (Querruderwirksamkeit)
Im inneren Bereich müssen hohe C_L,max-Werte mit Hochauftriebsgeräten erreicht werden
Das Nullmoment des Flügels sollte so klein wie möglich sein, um den Trimmwiderstand zu reduzieren.
Eine Veränderung der Wölbung entlang der Spannweite führt zu einer aerodynamischen Verdrehung (twist)
Nenne Vor- und Nachteile in der Erhöhung der Flügeldicke.
Vorteile:
1
2
3
4
Warum ist ein dicker Flügel leichter als ein dünner?
Ein dicker Flügel hat geometrisch einen größeren Widerstand gegen das Wurzelbiegemoment, welches i. d. R. dimensionierend ist.
Formuliere die Cantilever ratio-Gleichung und erläutere, was diese Gleichung beschreibt. Welche Größenordnung hat dieser Paramter=
Dieser Parameter ist ein Maß für die Spannung resultierend aus dem Biegemoment), das auf die Flügelwurzel wirkt. Er ist abhängig von der Dicke an der Wurzel und dem Hebelarm.
CR = 18..22
Was beschreibt der dihedral angle (V-Stellungswinkel)?
Auf welche Anforderungen basiert der dihedral angle?
Ein positives dihedral unterstützt die natürliches statische Roll-Stabilität
Das Roll-Moment durch einen Positiven Schiebwinkel muss negativ sein
Konfiguration: z. B. Bodenfreiheit für das Triebwerk
Mit welchem Parameter korrliert der dihedral angle stark und muss daher gut abgestimmt sein?
Sweep
Abschätzung nach Howe
Welche Vor- und NAchteile haben Winglets?
Was ist die Funktion von Winglets?
Winglets reduzieren die (unerwünschte) Umströmung der Flügelspitze, die sich aus dem Druckausgleich zwischen der Ober- und Unterseite des Flügels ergibt.
Zeige graphisch den Einfluss von Winglets auf die Auftriebsverteilung eines Flügels.
Welcher Trade-off muss bei Winglets betrachtet werden?
Zwischen Aerodynamsicher Vorteile und Strukturellen Anforderungen (Masse)
Welche Arten von Winglets gibt es?
Welche Alternativen zu Winglets gibt es`?
Weiterentwicklung: Multi-Winglets
weiter red. Widerstand
erhöhte instabilität eines Winglets
Split-wing-Loop bzw. “Spiroid”
Kombination der Hoch- und Niedruckdruckseiten eines Flügels
keine Verifikation
Welche Eigenschaften haben Wing grids?
Strömungsinteraktion durch parallele Flügelgitter an den Flügelspitzen
Die Idee ist, die Wirbelschleppe an der Flügelspitze in mehrere kleine Wirbel, die stark interagieren -> reduzierte Wirbelschleppenstärke
Negative Aspekte für Hochgeschwindigkeitsflüge
Wie ein ein Strake aufgebaut?
Kombination aus einem schwach gepfeilten (swept) äußeren und einem stark gepfeilten inneren Flügel
Produziert starken Vorderkanten Wirbel mit starken, nichtlinearen zusatzauftrieb
Maximaler Auftrieb und Anstellwinkel werden damit signifikant erhöht.
Vorbeugung von Stall am Ende des Flügels
Zeichne den Verlauf des Auftriebsbeiwertes über den Anstellwinkel für unterschiedliche Geschwindigkeiten und einer Konfiguration mit und ohne strake auf
Was sind Riblets?
Drag reducing surface devices bzw.
Widerstandsreduzierende Oberflächengeräte
bestehen aus extrem kleinen Rillen und sind parallel zum Airflow angebracht.
Was ist das Funktionsprinzip von Riblets?
Die Rillen verhindern Querströmungen in turbulenten Grenzschichten
Da die Querströmung zum Teil für den Reibungswiderstand verantwortlich ist, kann der Widerstand durch Riblets reduziert werden
Beschreibe die Struktur der Rillen, aus denen Riblets bestehen.
Diese sind parallel zur Strömung angebracht
Rillenbreite ist für kommerzielle Flugzeuge bei 30-60 Mikrometer
Welchen Zweck haben Riblets?
Minimierung der Oberflächen-Reibung der turbulenten Strömung
Welche Resultate erbringt die Riblet-Folie?
Beispiel A320 (erste Implementation)
Reduzierung des Widerstands um 8% (global ~1%)
Maximale wirksamer Winkel zwischen Strömung und Ausrichtung der Rillen: 10°
-> Riblets sind an manchen Orten und teilweise sogar kontraproduktiv
Welche Probleme hat Riblet-Folie?
Die Folie kann sich aufgrund von Schubspannungen ablösen
Sehr sensitiv für aggressive Fluide (z. B. Hydraulik Flüssigkeiten)
Hohe Wartungskosten, da Folie wieder entfernt werden muss
Nur geringe Fläche des Flugzeugs kann wirklich bedeckt werden
Welche Motivation steht hinter der Laminar-Erhaltung?
Reibungswiderstand hat den größten Anteil am Widerstand (~50%)
Reibung von laminarer Grenzschicht wesentlich geringer als Turbulente
Welche Lösungen gibt es, um den Reibungswiderstand gering zu halten?
Umschlagpunkt (Laminar->turbulten: shifting point) möglichst nach hinten verschieben.
Laminarfluss durch Form
Natürliche Laminarflusserhaltung (NLF)
Laminarfluss durch Grenzschicht absaugung
Laminarflusskontrolle (LFC)
Von welchen drei Mechanismen ist der Übergang bei eine, 3-D Fluss um einen gepfeilten Flügel abhängig?
Tollmien-Schlichting-Instabilität
Crossflow-Instability (CFI)
Attachment-line-Instability (ALI)
Nenne Vor- und Nachteile eines Laminaren Profils
Welche Eigenschaften müssen Laminare Profile haben?
Hohe Dickenrücklage:
maximale Strömungsgeschwindigkeit und Druckminimum auf der Flügeloberseite sind weiter stromabwärts
Längerer Abschnitt, in dem der Luftstrom beschleunigt wird → erst nach dem Druckminimum wird die Grenzschicht durch wird die Grenzschicht durch Druckanstieg destabilisiert
Übergangspunkt liegt weiter stromabwärts als bei konventionellen Profilen längere Grenzschichtausdehnung bei laminarer Strömung
Beschreibe den Unterschied in der Druckverteilung zwischen einem Konventionellen Profil, einem Transonischen und einem Laminaren Profil.
Konventionell
große Sog Spitze, großes Überdruck Gefälle, keine Heckbelastung (rear loading)
Transonisch
kleinere Sogspitze, kleinerer Druckgradient, Heckbelastung
Laminarprofil
keine sogspitze, Druckminimung sehr weit hinten, starke Heckbelastung
Zeige graphisch den Einfluss von NLF, LFC, HLFC auf die Druckverteilung auf.
Was ist unter NLF, LFC, HLFC zu verstehen?
NLF
Laminar flow by shaping
LFC
Laminar flow by boundary layer suction
HLFC
Combination of
NLF in the middle und hinterem Profilbereich
LFC im Nasenbereich
Was ist das Prinzip hinter der HLFC-Hybrid Laminar Flow Control?
Durch das Absaugen der Grenzschicht werden Instabilitäten in der Grenzschicht abgemildert und damit, der Übergang von der laminaren zur turbulenten Grenzschicht wird weiter in Strömungsrichtung verschoben
Der größere Anteil an laminarer Grenzschicht über der Flügelsehne reduziert den Reibungswiderstand Reibungswiderstand der Oberfläche in der Strömung
Nenne drei Herausforderungen bei der aktiven Beeinflussung der Strömung durch Absaugung.
Ein zu starker Sog kann als Verschmutzung wirken und zu einem früheren Übergang zur turbulenten Strömung führen
Der Energiebedarf für die Grenzschichtabsaugung muss deutlich geringer sein als die Energie, die durch die Verringerung des Luftwiderstands eingespart wird
Der Herstellungsprozess der Saugfläche ist sehr komplex
Die Oberflächenqualität muss sehr hoch sein
Die Ansauglöcher dürfen nur eine geringe Verstopfungsanfälligkeit aufweisen
Zusätzliche Aufgaben müssen berücksichtigt werden: Hochauftriebssystem, Enteisung
Die poröse und gleichzeitig hochwertige Oberflächenstruktur macht die Wartung komplexer aufwändiger und erhöht damit die Kosten
Welche Funktion hat ein Gaster Bump?
Methode zur Verhinderung von Anbindungsinstabilität (validiert für Seitenleitwerke mit relativ geringer Spannweite)
Für den Einsatz am Flügel (z. B. A340 ~ 30m Halbspannweite) evtl. mehrere Gasbumps erforderlich
-> Reduzierung der der Ansaugfläche (=> Konzept & Validierung erforderlich)
Wie kann die Funktionalität von HLFC in der Flugerprobung gemessen werden?
Ein Schlepprechen hinter dem Höhenleitwerk misst die Druckverhältnisse, aus denen auf den Widerstand des Leitwerks geschlossen werden kann
Infrarotkameras, die am Höhenleitwerk montiert sind dem Höhenleitwerk angebracht sind, liefern ein Bild. Dieses zeigt, wo laminare und turbulente Strömung vorherrscht.
Welche Einsatzmöglichkeiten und Potenziale haben HLFC in der Zukunft?
Die positiven Testergebnisse deuten darauf hin, dass die Forschung zur Grenzschichtabsaugung in Zukunft weiter vorangetrieben werden könnte.
- Die HLFC könnte bei allen Leitwerken, Flügeln und Gondeln eingesetzt werden.
- Es wird davon ausgegangen, dass der Gesamtwiderstand eines Flugzeugs der heutigen (konventionellen) Konfiguration um bis zu 20 % reduziert werden könnte: 13% Flügel, 3% Leitwerk, 2% Nacelle, 2% Vorderer Rumpfbereich
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