Widerstand

Der Luftwiderstand ist die Kraft, die der Bewegung eines Flugzeugs durch die Luft entgegensteht. Es gibt zwei grundlegende Arten: den parasitären und den induzierten Luftwiderstand. Der erste wird als parasitär bezeichnet, weil er in keiner Weise den Flug unterstützt, während der zweite, der induzierte Widerstand, ein Ergebnis des Auftriebs einer Tragfläche ist.

Parasitärer Widerstand

Der parasitäre Widerstand besteht aus allen Kräften, die die Bewegung eines Flugzeugs verlangsamen. Wie der Begriff „parasitär“ schon sagt, handelt es sich um den Widerstand, der nicht mit der Erzeugung von Auftrieb verbunden ist. Dazu gehören die Verdrängung der Luft durch das Flugzeug, die im Luftstrom erzeugten Turbulenzen oder die Behinderung der Luftbewegung über die Oberfläche des Flugzeugs und des Tragflügels. Es gibt drei Arten von Luftwiderstand: Formwiderstand, Interferenzwiderstand und Mantelreibung.

Formwiderstand

Der Formwiderstand ist der Anteil des Luftwiderstands, der vom Flugzeug aufgrund seiner Form und der es umgebenden Luftströmung erzeugt wird. Beispiele sind die Triebwerksverkleidungen, Antennen und die aerodynamische Form anderer Komponenten. Wenn sich die Luft aufteilen muss, um ein sich bewegendes Flugzeug und seine Komponenten zu umströmen, fließt sie schließlich wieder zusammen, nachdem sie den Rumpf passiert hat. Wie schnell und reibungslos sie sich wieder zusammenfindet, ist repräsentativ für den Widerstand, den sie erzeugt und der zusätzliche Kraft erfordert, um ihn zu überwinden.

Beachten Sie, wie die flache Platte in Abbildung 5-7 die Luft an den Rändern verwirbelt, bis sie sich schließlich stromabwärts wieder vereinigt. Der Formwiderstand ist bei der Konstruktion eines Flugzeugs am einfachsten zu reduzieren. Die Lösung besteht darin, so viele Teile wie möglich stromlinienförmig zu gestalten.

Interferenzwiderstand

Interferenzwiderstand entsteht durch die Überschneidung von Luftströmen, die Wirbelströme und Turbulenzen erzeugt oder die gleichmäßige Luftströmung einschränkt. Der Schnittpunkt der Tragfläche mit dem Rumpf an der Flügelwurzel hat zum Beispiel einen beträchtlichen Interferenzwiderstand. Die um den Rumpf strömende Luft kollidiert mit der über die Tragfläche strömenden Luft und verschmilzt zu einem Luftstrom, der sich von den beiden ursprünglichen Strömungen unterscheidet. Der größte Interferenzwiderstand tritt auf, wenn zwei Flächen in einem rechten Winkel aufeinandertreffen. Um diese Tendenz zu verringern, werden Verkleidungen verwendet. Trägt ein Düsenjäger zwei identische Flügeltanks, so ist der Gesamtwiderstand größer als die Summe der einzelnen Tanks, da beide einen Interferenzwiderstand erzeugen und erzeugen. Verkleidungen und Abstände zwischen den Tragflächen und äußeren Bauteilen (z. B. an den Tragflächen aufgehängte Radarantennen) verringern den Interferenzwiderstand.

Hautreibungswiderstand

Der Hautreibungswiderstand ist der aerodynamische Widerstand, der durch den Kontakt von bewegter Luft mit der Oberfläche eines Flugzeugs entsteht. Jede noch so scheinbar glatte Oberfläche hat unter dem Mikroskop betrachtet eine raue, zerklüftete Oberfläche. Die Luftmoleküle, die direkt mit der Oberfläche des Flügels in Berührung kommen, sind praktisch unbeweglich. Jede Molekülschicht über der Oberfläche bewegt sich etwas schneller, bis sich die Moleküle mit der Geschwindigkeit der Luft bewegen, die sich um das Flugzeug herum bewegt. Diese Geschwindigkeit wird als Freistromgeschwindigkeit bezeichnet. Der Bereich zwischen dem Flügel und dem Niveau der Freistromgeschwindigkeit ist etwa so breit wie eine Spielkarte und wird als Grenzschicht bezeichnet. Am oberen Ende der Grenzschicht nehmen die Moleküle an Geschwindigkeit zu und bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Moleküle außerhalb der Grenzschicht. Die tatsächliche Geschwindigkeit, mit der sich die Moleküle bewegen, hängt von der Form des Flügels, der Viskosität (Klebrigkeit) der Luft, durch die sich der Flügel oder die Tragfläche bewegt, und ihrer Kompressibilität (wie stark sie verdichtet werden kann) ab.

Die Luftströmung außerhalb der Grenzschicht reagiert auf die Form des Randes der Grenzschicht genauso wie auf die physische Oberfläche eines Objekts. Die Grenzschicht verleiht jedem Objekt eine „effektive“ Form, die sich in der Regel leicht von der physischen Form unterscheidet. Die Grenzschicht kann sich auch vom Körper lösen und so eine effektive Form erzeugen, die sich von der physikalischen Form des Objekts stark unterscheidet. Diese Veränderung der physikalischen Form der Grenzschicht führt zu einer drastischen Abnahme des Auftriebs und einer Zunahme des Widerstands. Wenn dies geschieht, ist die Tragfläche abgewürgt.

Um die Auswirkungen des Reibungswiderstands zu verringern, verwenden Flugzeugkonstrukteure bündig sitzende Nieten und entfernen alle Unregelmäßigkeiten, die über die Oberfläche der Tragfläche hinausragen können. Außerdem erleichtert eine glatte und glänzende Oberfläche den Übergang der Luft über die Oberfläche des Flügels. Da Schmutz auf einem Flugzeug die freie Luftströmung stört und den Luftwiderstand erhöht, sollten die Oberflächen eines Flugzeugs sauber und gewachst sein.

Induzierter Luftwiderstand

Die zweite grundlegende Art des Luftwiderstands ist der induzierte Luftwiderstand. Es ist eine anerkannte physikalische Tatsache, dass kein System, das Arbeit im mechanischen Sinne verrichtet, zu 100 Prozent effizient sein kann. Das bedeutet, dass unabhängig von der Beschaffenheit des Systems die erforderliche Arbeit auf Kosten einer gewissen zusätzlichen Arbeit, die im System verloren geht, erreicht wird. Je effizienter das System ist, desto geringer ist dieser Verlust.

Im Horizontalflug erzeugen die aerodynamischen Eigenschaften eines Flügels oder Rotors den erforderlichen Auftrieb, der jedoch nur um den Preis eines gewissen Nachteils erreicht werden kann. Dieser Nachteil wird als induzierter Widerstand bezeichnet. Der induzierte Widerstand tritt immer dann auf, wenn eine Tragfläche Auftrieb erzeugt, und ist in der Tat untrennbar mit der Erzeugung von Auftrieb verbunden. Folglich ist er immer vorhanden, wenn Auftrieb erzeugt wird.

Ein Tragflächenprofil (Flügel oder Rotorblatt) erzeugt die Auftriebskraft, indem es die Energie der freien Luftströmung nutzt. Wenn ein Tragflächenprofil Auftrieb erzeugt, ist der Druck auf der Unterseite größer als auf der Oberseite (Bernoulli-Prinzip). Infolgedessen tendiert die Luft dazu, vom Hochdruckgebiet unterhalb der Spitze nach oben zum Niederdruckgebiet auf der Oberseite zu strömen. In der Nähe der Spitzen besteht die Tendenz, dass sich diese Drücke ausgleichen, was zu einer seitlichen Strömung von der Unterseite nach außen zur Oberseite führt. Diese seitliche Strömung verleiht der Luft an den Spitzen eine Rotationsgeschwindigkeit, wodurch Wirbel entstehen, die hinter dem Profil herziehen.

Wenn man das Flugzeug vom Heck aus betrachtet, zirkulieren diese Wirbel gegen den Uhrzeigersinn um die rechte Spitze und im Uhrzeigersinn um die linke Spitze. Wenn die Luft (und die Wirbel) an der Rückseite des Flügels abrollen, neigen sie sich nach unten, was als Abwind bezeichnet wird. Abbildung 5-10 zeigt den Unterschied im Abwind in der Höhe und in Bodennähe. Wenn man sich die Drehrichtung dieser Wirbel vor Augen hält, sieht man, dass sie eine Aufwärtsströmung hinter der Spitze und eine Abwärtsströmung hinter der Hinterkante des Flügels verursachen. Dieser induzierte Abwind hat nichts mit dem Abwind zu tun, der zur Erzeugung des Auftriebs notwendig ist. Er ist vielmehr die Quelle des induzierten Widerstands.

Der Abwind richtet den relativen Wind nach unten, d.h. je mehr Abwind Sie haben, desto mehr richtet sich der relative Wind nach unten. Das ist aus einem sehr guten Grund wichtig: Der Auftrieb steht immer senkrecht zum relativen Wind. In Abbildung 5-11 sehen Sie, dass der Auftriebsvektor bei geringem Abwind eher senkrecht ist und der Schwerkraft entgegenwirkt. Bei mehr Abwind ist der Auftriebsvektor stärker nach hinten gerichtet, was zu induziertem Widerstand führt. Darüber hinaus benötigen die Flügel Energie, um den Abwind und die Wirbel zu erzeugen, und diese Energie erzeugt den Luftwiderstand.

Je größer und stärker die Wirbel und die daraus resultierende Abwindkomponente in der Nettoströmung über dem Profil sind, desto größer wird der induzierte Widerstand. Dieser Abwind über der Oberseite des Schaufelblattes an der Spitze hat die gleiche Wirkung wie die Abbiegung des Auftriebsvektors nach hinten; daher ist der Auftrieb etwas achterlich und nicht mehr senkrecht zum relativen Wind, wodurch eine rückwärtige Auftriebskomponente entsteht. Dies ist der induzierte Luftwiderstand.

Um einen größeren Unterdruck an der Oberseite eines Schaufelblatts zu erzeugen, kann das Schaufelblatt zu einem höheren AOA geneigt werden. Wäre die AOA eines symmetrischen Schaufelblattes gleich Null, gäbe es keine Druckdifferenz und folglich auch keine Abwindkomponente und keinen induzierten Widerstand. In jedem Fall nimmt der induzierte Widerstand mit zunehmender AOA proportional zu. Anders ausgedrückt: Je niedriger die Fluggeschwindigkeit ist, desto größer ist die AOA, die erforderlich ist, um einen Auftrieb zu erzeugen, der dem Gewicht des Flugzeugs entspricht, und desto größer ist daher der induzierte Widerstand. Die Höhe des induzierten Widerstands variiert umgekehrt mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit.

Umgekehrt steigt der parasitäre Widerstand mit dem Quadrat der Fluggeschwindigkeit. So wird im stationären Zustand, wenn die Fluggeschwindigkeit bis nahe an die Überziehgeschwindigkeit sinkt, der Gesamtwiderstand größer, was hauptsächlich auf den starken Anstieg des induzierten Widerstands zurückzuführen ist. Ähnlich verhält es sich, wenn das Flugzeug seine Höchstgeschwindigkeit (VNE) erreicht und der Gesamtwiderstand aufgrund des starken Anstiegs des parasitären Widerstands rasch zunimmt. Wie in Abbildung 5-6 zu sehen ist, erreicht der Gesamtwiderstand bei einer bestimmten Fluggeschwindigkeit sein Minimum. Bei der Berechnung der maximalen Reichweite eines Flugzeugs ist der zur Überwindung des Luftwiderstands erforderliche Schub am geringsten, wenn der Luftwiderstand am geringsten ist. Die minimale Leistung und die maximale Ausdauer treten an einem anderen Punkt auf.

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