Deltaflügel - Delta wing
Ein Deltaflügel ist ein Flügel in Form eines Dreiecks. Es ist nach seiner Ähnlichkeit in der Form mit dem griechischen Großbuchstaben Delta (Δ) benannt.
Obwohl lange untersucht, fand es erst im Jet-Zeitalter bedeutende Anwendungen , als es sich für Hochgeschwindigkeits-Unterschall- und Überschallflüge als geeignet erwies. Am anderen Ende der Geschwindigkeitsskala erwies sich der flexible Rogallo-Flügel als praktisches Design für den Hängegleiter und andere Ultraleichtflugzeuge . Die Deltaflügelform hat einzigartige aerodynamische Eigenschaften und strukturelle Vorteile. Im Laufe der Jahre haben sich viele Designvarianten mit und ohne zusätzliche Stabilisierungsflächen entwickelt.
Allgemeine Eigenschaften
Struktur
Die lange Wurzelsehne des Deltaflügels und die minimale Außenbordstruktur machen ihn strukturell effizient. Er kann stärker, steifer und gleichzeitig leichter gebaut werden als ein gepfeilter Flügel mit vergleichbarer Tragfähigkeit. Aus diesem Grund ist es einfach und relativ kostengünstig zu bauen – ein wesentlicher Faktor für den Erfolg der MiG-21- und Mirage-Flugzeuge.
Seine lange Wurzelsehne ermöglicht auch eine tiefere Struktur für einen gegebenen Tragflächenabschnitt und bietet mehr Innenvolumen für Kraftstoff und andere Speicher, ohne den Luftwiderstand signifikant zu erhöhen. Bei Überschallkonstruktionen wird jedoch oft die Gelegenheit genutzt, stattdessen eine dünnere Tragfläche zu verwenden, um den Luftwiderstand tatsächlich zu reduzieren.
Aerodynamik
Flug mit niedriger Geschwindigkeit
Reine Deltaflügel weisen eine Strömungsablösung bei hohen Anstellwinkeln und einen hohen Widerstand bei niedrigen Geschwindigkeiten auf.
Bei niedrigen Geschwindigkeiten erfordert ein Deltaflügel einen hohen Anstellwinkel , um den Auftrieb aufrechtzuerhalten. Ein schlankes Delta erzeugt ein charakteristisches Wirbelmuster über der oberen Oberfläche, das den Auftrieb verbessert. Einige Typen mit Intermediate Sweep haben einziehbare "Schnurrbärte" oder feste Vorderkanten-Wurzelverlängerungen (LERX) erhalten, um die Wirbelbildung zu fördern.
Da der Angriffswinkel zunimmt, erzeugt die Vorderkante des Flügels einen Wirbel , der die Strömung auf der oberen Oberfläche des Flügels, Verzögern Strömungsablösung und geben das Delta einen sehr hohen energetisiert Strömungsabriß Winkel. Ein normaler Flügel, der für den Hochgeschwindigkeitsgebrauch gebaut ist, weist typischerweise bei niedrigen Geschwindigkeiten unerwünschte Eigenschaften auf, aber in diesem Bereich wechselt das Delta allmählich in einen Auftriebsmodus, der auf dem von ihm erzeugten Wirbel basiert, einen Modus, in dem es sanfte und stabile Flugeigenschaften aufweist.
Der Wirbelauftrieb geht auf Kosten eines erhöhten Luftwiderstands, so dass leistungsstärkere Motoren benötigt werden, um eine niedrige Geschwindigkeit oder einen hohen Anstellwinkel aufrechtzuerhalten.
Transsonischer und niedriger Überschallflug
Bei einem ausreichend großen Rückwärtsschwenkwinkel bleibt die Flügelvorderkante im transsonischen bis niedrigen Überschallgeschwindigkeitsbereich hinter der Stoßwellengrenze oder dem Stoßkegel, der durch die Vorderkantenwurzel erzeugt wird.
Dadurch kann Luft unterhalb der Eintrittskante nach außen, nach oben und um sie herum und dann wieder nach innen strömen, wodurch ein seitliches Strömungsmuster entsteht. Die Auftriebsverteilung und andere aerodynamische Eigenschaften werden durch diese Seitwärtsströmung stark beeinflusst.
Der Rückwärtsschwenkwinkel verringert die Fluggeschwindigkeit senkrecht zur Vorderkante des Flügels, wodurch es dem Flugzeug ermöglicht wird, mit hoher Unterschall- , Überschall- oder Überschallgeschwindigkeit zu fliegen , während die Unterschall-Auftriebseigenschaften des Luftstroms über den Flügel beibehalten werden.
Innerhalb dieses Flugregimes erhöht das Herabhängen der Vorderkante innerhalb des Stoßkegels den Auftrieb, aber nicht den Widerstand. Ein solcher konischer Vorderkantenabfall wurde bei der Produktion des Convair F-102A Delta Daggers gleichzeitig mit der Überarbeitung des Prototypendesigns eingeführt, um eine Flächenregelung einzubeziehen . Es erschien auch auf den nächsten beiden Deltas von Convair, der F-106 Delta Dart und der B-58 Hustler .
Hochgeschwindigkeits-Überschallwellenreiten
Bei hohen Überschallgeschwindigkeiten winkelt der Stoßkegel von der Vorderkante weiter zurück, um entlang der Flügeloberfläche hinter der Vorderkante zu liegen. Die Seitwärtsströmung kann nicht mehr auftreten und die aerodynamischen Eigenschaften ändern sich erheblich. In diesem Flugregime wird die Waverider-Technik, wie sie bei der nordamerikanischen XB-70 Valkyrie verwendet wird, praktikabel. Hier erzeugt ein Stoßkörper unter dem Flügel eine angebrachte Stoßwelle und der mit der Welle verbundene hohe Druck sorgt für einen erheblichen Auftrieb, ohne den Widerstand zu erhöhen.
Designvarianten
Varianten des Deltaflügelplans bieten Verbesserungen der Grundkonfiguration.
Canard-Delta – Viele moderne Kampfflugzeuge wie der JAS 39 Gripen , der Eurofighter Typhoon und der Dassault Rafale verwenden eine Kombination aus Canard- Vorderflugzeugen und einem Delta-Flügel.
Tailed Delta – fügt ein konventionelles Höhenleitwerk (mit horizontalen Leitwerksflächen) hinzu, um das Handling zu verbessern. Häufig bei sowjetischen Typen wie der Mikojan-Gurewitsch MiG-21 .
Abgeschnittenes Delta – Spitze ist abgeschnitten. Dies trägt dazu bei, den Auftrieb außenbords aufrechtzuerhalten und die Strömungsablösung an den Flügelspitzen (Abwürgen) bei hohen Anstellwinkeln zu reduzieren. Die meisten Deltas sind zumindest bis zu einem gewissen Grad beschnitten.
In dem Compound Delta , Double Delta oder gekröpfter Pfeil , die Eintrittskante ist nicht gerade. Typischerweise hat der Innenbordabschnitt einen erhöhten Sweepback, der einen kontrollierten Hochauftriebswirbel erzeugt, ohne dass ein Vordeck erforderlich ist. Beispiele sind der Saab Draken Fighter, der Prototyp General Dynamics F-16XL und die High Speed Civil Transport Studie. Das Ogee-Delta (oderSpitzbogen-Delta ), die auf dem anglo-französischen Verkehrsflugzeug Concorde Mach 2 verwendet wird, ist ähnlich, aber mit den beiden Abschnitten und der abgeschnittenen Flügelspitze, die zu einer glatten Ogee- Kurve verschmolzen sind .
 Taillenloses Delta |
 Schwanz-Delta |
 Zugeschnittenes Delta |
 Zusammengesetztes Delta |
 Gekröpfter Pfeil |
 Spitzbogen-Delta |
Taillenloses Delta
Wie andere schwanzlose Flugzeuge ist der schwanzlose Deltaflügel nicht für hohe Flügelbelastungen geeignet und erfordert eine große Flügelfläche für ein gegebenes Flugzeuggewicht. Die effizientesten Tragflächen sind in der Steigung instabil und der schwanzlose Typ muss ein weniger effizientes Design und daher einen größeren Flügel verwenden. Zu den verwendeten Techniken gehören:
- Bei Verwendung eines weniger effizienten, eigenstabilen Tragflügels, wie einer symmetrischen Form mit Nullsturz oder sogar Reflexsturz in der Nähe der Hinterkante,
- Verwendung des hinteren Flügelteils als leicht oder sogar negativ belastetes Höhenleitwerk:
- Drehen der äußeren Vorderkante nach unten, um die Neigung der Flügelspitze zu reduzieren, die sich hinter dem Hauptauftriebszentrum befindet. Dies verbessert auch die Strömungsabrisseigenschaften und kann der Überschallfahrt auf andere Weise zugute kommen.
- Bewegen des Massenschwerpunkts nach vorne und Trimmen des Höhenruders, um einen ausgleichenden Abtrieb auszuüben. Im Extremfall verringert dies die Fähigkeit des Flugzeugs, die Nase für Start und Landung hochzuheben.
Die Hauptvorteile des schwanzlosen Deltas sind strukturelle Einfachheit und geringes Gewicht, kombiniert mit einem geringen Luftwiderstand. Diese Eigenschaften trugen dazu bei, dass die Dassault Mirage III zu einem der meistgebauten Überschalljäger aller Zeiten wurde.
Schwanz-Delta
Durch einen herkömmlichen Heckstabilisator kann der Hauptflügel auf Auftrieb optimiert und damit kleiner und höher belastet werden. Die Entwicklung von Flugzeugen mit dieser Konfiguration lässt sich bis in die späten 1940er Jahre zurückverfolgen.
Bei Verwendung mit einem T-Leitwerk, wie beim Gloster Javelin , kann ein Delta-Flügel wie andere Flügel zu einem " Deep Stall " führen, bei dem der hohe Anstellwinkel am Strömungsabriss bewirkt, dass der turbulente Nachlauf des abgestuften Flügels den Schwanz. Dadurch wird das Höhenruder wirkungslos und das Flugzeug kann sich nicht aus dem Strömungsabriss erholen. Im Fall der Javelin wurde nach dem frühen Verlust eines Flugzeugs durch solche Bedingungen eine Überziehwarnung entwickelt und für die Javelin implementiert. Das Designteam von Gloster hatte sich Berichten zufolge aus der Not heraus für die Verwendung einer Tailed-Delta-Konfiguration entschieden, um eine effektive Manövrierfähigkeit bei relativ hohen Geschwindigkeiten für die damalige Zeit zu erreichen und gleichzeitig eine geeignete Steuerbarkeit zu erfordern, wenn mit den gewünschten langsameren Landegeschwindigkeiten geflogen wird.
Canard-Delta
Ein Hub-Canard-Delta kann mit zunehmender Machzahl im Vergleich zu einer herkömmlichen Heckkonfiguration eine kleinere Verschiebung im Zentrum des Auftriebs bieten.
Eine ungeladene oder frei schwebende Ente kann eine sichere Erholung aus einem hohen Angriffswinkel ermöglichen. Je nach Konstruktion kann eine Canard-Oberfläche die Längsstabilität des Flugzeugs erhöhen oder verringern.
Ein Canard-Delta-Vordecker erzeugt seinen eigenen Schleppwirbel. Wenn dieser Wirbel mit dem Wirbel des Haupt-Delta-Flügels interferiert, kann dies den Luftstrom über den Flügel nachteilig beeinflussen und unerwünschtes und sogar gefährliches Verhalten verursachen. In der eng gekoppelten Konfiguration koppelt sich der Canard-Wirbel mit dem Hauptwirbel, um seine Vorteile zu verbessern und einen kontrollierten Luftstrom über einen weiten Bereich von Geschwindigkeiten und Anstellwinkeln aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht sowohl eine verbesserte Manövrierfähigkeit als auch geringere Strömungsabrissgeschwindigkeiten, aber das Vorhandensein des Vorschiffs kann den Widerstand bei Überschallgeschwindigkeit erhöhen und somit die Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs verringern.
Geschichte
Frühe Forschung
Dreieckige Stabilisierungsflossen für Raketen wurden bereits 1529-1556 von dem österreichischen Militäringenieur Conrad Haas und im 17. Jahrhundert von dem polnisch-litauischen Militäringenieur Kazimierz Siemienowicz beschrieben . Ein echter Hubflügel in Delta-Form erschien jedoch erst 1867, als er von JW Butler und E. Edwards in einem Entwurf für ein pfeilförmiges Raketenflugzeug mit niedrigem Seitenverhältnis patentiert wurde. Dieser Innovation folgten bald mehrere andere Vorschläge, wie eine Doppeldecker-Version von Butler und Edwards und eine strahlgetriebene Version des Russen Nicholas de Telescheff.
1909 patentierte der britische Luftfahrtpionier JW Dunne sein schwanzloses stabiles Flugzeug mit konischer Flügelform. Das Patent beinhaltete ein bikonisches Delta von etwas breiterer Form, wobei sich jede Seite in einer für den modernen Rogallo-Flügel charakteristischen Weise nach hinten nach oben wölbt . Im folgenden Jahr patentierten UG Lee und WA Darrah ein ähnliches bikonisches Deltaflügelflugzeug in Amerika, jedoch mit einem explizit starren Flügel. Es enthielt auch einen Vorschlag für ein Flugsteuerungssystem und deckte sowohl den Segelflug als auch den Motorflug ab. Es sollte beachtet werden, dass keines dieser frühen Konstruktionen erfolgreich geflogen war, obwohl im Jahr 1904 Lavezzanis Hängegleiter mit unabhängigen linken und rechten Dreiecksflügeln den Boden verlassen hatte und Dunnes andere schwanzlose gepfeilte Konstruktionen, die auf dem gleichen Prinzip beruhten, fliegen würden.
Der praktische Deltaflügel wurde in den Jahren nach dem Ersten Weltkrieg von dem deutschen Luftfahrtkonstrukteur Alexander Lippisch mit einem dicken freitragenden Flügel ohne Leitwerk entwickelt. Seine frühen Entwürfe, für die er den Namen "Delta" prägte, verwendeten einen sehr sanften Winkel, so dass der Flügel fast gerade erschien und die Flügelspitzen abgeschnitten werden mussten (siehe unten). Sein erstes Flugzeug mit Deltaflügeln flog 1931, gefolgt von vier sukzessiv verbesserten Exemplaren. Keiner dieser Prototypen war bei niedriger Geschwindigkeit einfach zu handhaben, während keiner weit verbreitet war.
Unterschall dicker Flügel
In den letzten Jahren des Zweiten Weltkriegs verfeinerte Alexander Lippisch seine Ideen zum Hochgeschwindigkeits-Delta und erhöhte den Rückschlag der Flügelvorderkante erheblich. Ein Versuchsflugzeug, die Lippisch DM-1 , wurde 1944 konstruiert und als Segelflugzeug in Langsamflugversuchen geflogen. Nach Beendigung des Konflikts wurde das DM-1-Projekt im Auftrag der USA weitergeführt , wodurch die DM-1 zur Prüfung durch die NACA (National Advisory Committee for Aeronautics, Vorläufer) nach Langley Field in Virginia verschifft wurde der heutigen NASA ) Es wurde in den USA erheblich verändert, typischerweise um seinen Widerstand zu senken, was dazu führte, dass sein großes Seitenleitwerk durch ein kleineres und konventionelleres Gegenstück ersetzt wurde, zusammen mit einer normalen Cockpithaube, die von einer Lockheed P-80 Shooting Star stammte . Die Lippisch P.13a war eine Nachfolgestudie für ein Hochgeschwindigkeits-, möglicherweise sogar Überschall- Abfangflugzeug .
Die Arbeit des französischen Designers Nicolas Roland Payen ähnelte der von Lippisch. In den 1930er Jahren hatte er eine Tandem-Delta-Konfiguration mit einem geraden Vorderflügel und einem steilen Delta-Achterflügel entwickelt, aber der Ausbruch des Zweiten Weltkriegs brachte die Flugerprobung der Pa-22 zum Erliegen , obwohl die Arbeiten nach dem Projekt erregte deutsche Aufmerksamkeit. Während der Nachkriegszeit flog Payen 1954 einen experimentellen schwanzlosen Delta-Jet, den Pa.49 , sowie die schwanzlose Arbalète- Serie von 1965. Weitere Derivate auf der Grundlage von Payens Arbeiten wurden vorgeschlagen, blieben jedoch letztendlich unentwickelt.
Nach dem Krieg entwickelten die Briten eine Reihe von Unterschalldüsenflugzeugen, die Daten aus Lippischs Arbeit nutzten. Eines dieser Flugzeuge, das Forschungsflugzeug Avro 707 , absolvierte 1949 seinen Erstflug. Britische Militärflugzeuge wie die Avro Vulcan (ein strategischer Bomber ) und Gloster Javelin (ein Allwetter-Jagdflugzeug) gehörten zu den ersten Flugzeugen mit Delta-Ausrüstung Produktion. Während der Vulcan ein klassisches schwanzloses Design war, verfügte der Javelin über ein Höhenleitwerk, um das Handling bei niedrigen Geschwindigkeiten und die Manövrierfähigkeit bei hohen Geschwindigkeiten zu verbessern sowie einen größeren Schwerpunktbereich zu ermöglichen . Laut Luftfahrtautor Tony Buttler hatte Gloster erfolglos eine Weiterentwicklung des Javelins vorangetrieben, die unter anderem die Flügeldicke verringert hätte, um Überschallgeschwindigkeiten von bis zu Mach 1,6 zu erreichen.
Überschall dünner Flügel
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Der amerikanische Aerodynamiker Robert T. Jones, der während des Zweiten Weltkriegs bei der NACA arbeitete, entwickelte die Theorie des dünnen Deltaflügels für den Überschallflug. Im Januar 1945 erstmals veröffentlicht, kontrastierte sein Ansatz mit dem von Lippisch auf dicken Deltaflügeln. Der dünne Flügel bildete eine erfolgreiche Basis für alle praktischen Überschall-Deltas und wurde weit verbreitet.
In den späten 1940er Jahren interessierte sich der britische Flugzeughersteller Fairey Aviation für den Delta-Flügel, dessen Vorschläge dazu führten, dass das experimentelle Fairey Delta 1 nach der Air Ministry Specification E.10/47 produziert wurde . Ein nachfolgendes Versuchsflugzeug, die Fairey Delta 2 , erwies sich als in der Lage, Geschwindigkeiten zu erreichen, die alle anderen konventionellen Flugzeuge dieser Zeit übertrafen. Am 10. März 1956 brach die Fairey Delta 2 den Geschwindigkeitsweltrekord und erhöhte ihn auf 1.132 mph (1.811 km/h) oder Mach 1,73. Diese Leistung übertraf den zuvor aufgezeichneten Fluggeschwindigkeitsrekord um 310 Meilen pro Stunde oder 37 Prozent; Nie zuvor war der Rekord jemals so weit angehoben worden.
In seiner ursprünglichen schwanzlosen Form wurde das dünne Delta ausgiebig vom amerikanischen Luftfahrtunternehmen Convair und vom französischen Flugzeughersteller Dassault Aviation eingesetzt . Die Convair F-102 Delta Dagger und Douglas F4D Skyray waren zwei der ersten einsatzfähigen Düsenjäger, die bei ihrer Indienststellung 1956 mit dem schwanzlosen Deltaflügel ausgestattet waren. Dassaults Interesse am Deltaflügel brachte die Dassault Mirage- Familie von Kampfflugzeugen hervor, insbesondere die hoch erfolgreiche Mirage III . Unter anderem war die Mirage III das erste westeuropäische Kampfflugzeug, das im Horizontalflug Mach 2 übertraf.
Die Tailed-Delta-Konfiguration wurde vom TsAGI (Central Aero and Hydrodynamic Institute, Moskau ) übernommen, um das Handling mit hohem Anstellwinkel , die Manövrierfähigkeit und den Schwerpunktbereich gegenüber einer reinen Delta-Planform zu verbessern. Die Mikojan-Gurewitsch MiG-21 ("Fishbed") wurde das am weitesten verbreitete Kampfflugzeug der 1970er Jahre.
Kurzgekuppelte Ente
In den 1960er Jahren entwickelte der schwedische Flugzeughersteller Saab AB eine eng gekoppelte Canard-Delta-Konfiguration, bei der ein Delta-Vordeck direkt vor und über dem Haupt-Delta-Flügel platziert wurde. Diese 1963 patentierte Konfiguration wurde 1967 erstmals auf dem Viggen- Kampfflugzeug des Unternehmens geflogen . Die Kurzkupplung verändert die Luftströmung über den Flügel, vor allem bei hohen Anstellwinkeln. Im Gegensatz zu den klassischen Heckaufzügen tragen die Canards zum Gesamtauftrieb bei und stabilisieren den Luftstrom über dem Hauptflügel. Dies ermöglicht extremere Manöver, verbessert das Handling bei niedrigen Geschwindigkeiten und reduziert die Start- und Landegeschwindigkeit. In den 1960er Jahren wurde diese Konfiguration als radikal angesehen, aber das Designteam von Saab war der Meinung, dass dies der optimale verfügbare Ansatz war, um die widersprüchlichen Leistungsanforderungen für die Viggen zu erfüllen, darunter günstige STOL- Leistung, Überschallgeschwindigkeit, geringe Turbulenzempfindlichkeit während des Tiefflugs und effizienter Auftrieb für Unterschallflug.
Während die Konfiguration auf der Viggen Pionierarbeit leistete, wird sie seitdem von verschiedenen Überschall-Kampfflugzeugen häufig verwendet. Einige bemerkenswerte Beispiele sind der multinationale Eurofighter Typhoon , Frankreichs Dassault Rafale , Saabs eigener Gripen (ein Nachfolger des Viggen) und Israels IAI Kfir ; Laut den Luftfahrtautoren Bill Gunston und Peter Gilchrist war ein Hauptgrund für die Popularität des eng gekoppelten Arrangements die herausragende Beweglichkeit in der Luft, die es bieten kann.
Überschalltransport
Als Überschalltransportflugzeuge (SST) entwickelt wurden, wurde der schwanzlose spitzbogige Deltaflügel sowohl für die englisch-französische Concorde als auch für die sowjetische Tupolev Tu-144 gewählt , wobei die Tupolev erstmals 1968 flog. Während sowohl die Concorde als auch der Tu-144-Prototyp einen Spitzbogen-Delta- Konfiguration unterschieden sich die Produktionsmodelle der Tu-144 durch den Wechsel zu einem Doppel-Delta- Flügel. Die Deltaflügel erforderten, dass diese Verkehrsflugzeuge bei niedrigen Geschwindigkeiten einen höheren Anstellwinkel einnehmen als herkömmliche Flugzeuge; im Fall der Concorde wurde der Auftrieb aufrechterhalten, indem die Bildung großer Tiefdruckwirbel über die gesamte Flügeloberseite zugelassen wurde. Seine typische Landegeschwindigkeit betrug 170 Meilen pro Stunde (274 km/h), deutlich höher als bei Unterschallflugzeugen. Mehrere vorgeschlagene Nachfolger, wie der Zero Emission Hyper Sonic Transport ZEHST), haben Berichten zufolge eine ähnliche Konfiguration wie das grundlegende Design der Concorde angenommen, so dass der Delta-Flügel ein wahrscheinlicher Kandidat für zukünftige zivile Überschallbemühungen bleibt.
Rogallo flexibler Flügel
Während und nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelten Francis und Gertrude Rogallo die Idee eines flexiblen Flügels, der zur Lagerung zusammengeklappt werden konnte. Francis sah eine Anwendung bei der Wiederherstellung von Raumfahrzeugen und die NASA wurde interessiert. 1961 flog Ryan den XV-8 , einen experimentellen "fliegenden Jeep" oder "Fleep". Der dafür gewählte flexible Flügel war ein Delta und wölbte sich im Einsatz zu einem Doppelkegelprofil, das ihm aerodynamische Stabilität verlieh. Obwohl getestet, aber letztendlich nie für die Bergung von Raumfahrzeugen verwendet, wurde dieses Design bald für Hängegleiter und Ultraleichtflugzeuge populär und wurde als Rogallo-Flügel bekannt.
Siehe auch
Verweise
Zitate
Literaturverzeichnis
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