Flugzeug
Schub, die vorwärts wirkende Kraft, ist dem Widerstand entgegengesetzt, während der Auftrieb dem Gewicht entgegengesetzt ist. Der Schub wird erhalten, indem eine Masse Umgebungsluft auf eine Geschwindigkeit beschleunigt wird, die größer als die Geschwindigkeit des Flugzeugs ist. Die gleiche und entgegengesetzte Reaktion besteht darin, dass sich das Flugzeug vorwärts bewegt. In Flugzeugen mit Hubkolben- oder Turboprop-Antrieb ergibt sich der Schub aus der Antriebskraft, die durch die Drehung des Propellers verursacht wird, wobei der Restschub vom Abgas bereitgestellt wird. In einem Strahltriebwerk ergibt sich der Schub aus der Antriebskraft der rotierenden Schaufeln einer Turbinenkompressionsluft, die dann durch die Verbrennung des eingebrachten Kraftstoffs expandiert und aus dem Triebwerk ausgestoßen wird. In einem raketengetriebenen Flugzeug wird der Schub aus der gleichen und entgegengesetzten Reaktion auf das Verbrennen des Raketentreibmittels abgeleitet. In einem Segelflugzeug wird die Höhe, die durch mechanische, orographische oder thermische Techniken erreicht wird, mittels Schwerkraft in Geschwindigkeit umgewandelt.
In ständigem Gegensatz zum Schub steht der Widerstand, der aus zwei Elementen besteht. Parasitärer Widerstand ist derjenige, der durch Formwiderstand (aufgrund der Form), Hautreibung, Interferenz und alle anderen Elemente verursacht wird, die nicht zum Anheben beitragen. Der induzierte Luftwiderstand ist derjenige, der als Ergebnis der Erzeugung des Auftriebs erzeugt wird.
Der parasitäre Luftwiderstand steigt mit zunehmender Fluggeschwindigkeit. Bei den meisten Flügen ist es wünschenswert, den gesamten Luftwiderstand auf ein Minimum zu reduzieren. Aus diesem Grund wird der Straffung der Form des Flugzeugs große Aufmerksamkeit gewidmet, indem so viel schleppinduzierende Struktur wie möglich beseitigt wird (z. B. das Cockpit mit einem Baldachin umschließen). Einfahren des Fahrwerks mit bündigem Nieten sowie Lackieren und Polieren von Oberflächen). Einige weniger offensichtliche Elemente des Luftwiderstands umfassen die relative Anordnung und Fläche der Rumpf- und Flügel-, Motor- und Leitwerksoberflächen; der Schnittpunkt von Flügeln und Heckflächen; das unbeabsichtigte Austreten von Luft durch die Struktur; die Verwendung von Luftüberschuss zur Kühlung; und die Verwendung einzelner Formen, die eine lokale Luftstromtrennung verursachen.
Der induzierte Luftwiderstand wird durch das Element der Luft verursacht, das nach unten abgelenkt wird und nicht vertikal zur Flugbahn ist, sondern leicht nach hinten geneigt ist. Mit zunehmendem Anstellwinkel nimmt auch der Luftwiderstand zu. An einem kritischen Punkt kann der Anstellwinkel so groß werden, dass der Luftstrom über die Oberseite des Flügels unterbrochen wird und der Auftrieb verloren geht, während der Luftwiderstand zunimmt. Dieser kritische Zustand wird als Stall bezeichnet.
Anheben, Ziehen und Stall werden alle unterschiedlich von der Form der Flügelplanform beeinflusst. Ein elliptischer Flügel, wie er beispielsweise beim Supermarine Spitfire-Jäger des Zweiten Weltkriegs verwendet wird, ist zwar in einem Unterschallflugzeug aerodynamisch ideal, weist jedoch ein unerwünschteres Strömungsabrissmuster auf als ein einfacher rechteckiger Flügel.
Die Aerodynamik des Überschallfluges ist komplex. Luft ist komprimierbar, und wenn Geschwindigkeiten und Höhen zunehmen, beginnt die Geschwindigkeit der Luft, die über das Flugzeug strömt, die Geschwindigkeit des Flugzeugs durch die Luft zu überschreiten. Die Geschwindigkeit, mit der diese Kompressibilität ein Flugzeug beeinflusst, wird als Verhältnis der Geschwindigkeit des Flugzeugs zu ausgedrückt Die Schallgeschwindigkeit, Mach-Zahl genannt, zu Ehren des österreichischen Physikers Ernst Mach. Die kritische Mach-Zahl für ein Flugzeug wurde als diejenige definiert, bei der h An einem bestimmten Punkt des Flugzeugs hat der Luftstrom die Schallgeschwindigkeit erreicht.
Bei Mach-Zahlen, die über der kritischen Mach-Zahl liegen (dh Geschwindigkeiten, bei denen der Luftstrom die Schallgeschwindigkeit an lokalen Punkten überschreitet an der Flugzeugzelle) gibt es signifikante Änderungen der Kräfte, Drücke und Momente, die auf den Flügel und den Rumpf wirken, die durch die Bildung von Stoßwellen verursacht werden. Einer der wichtigsten Effekte ist eine sehr starke Erhöhung des Luftwiderstands sowie eine Verringerung des Auftriebs. Anfänglich versuchten die Konstrukteure, höhere kritische Machzahlen zu erreichen, indem sie Flugzeuge mit sehr dünnen Tragflächenabschnitten für den Flügel und die horizontalen Oberflächen entwarfen und dafür sorgten, dass das Feinheitsverhältnis (Länge zu Durchmesser) des Rumpfes so hoch wie möglich war. Die Flügeldickenverhältnisse (die Dicke des Flügels geteilt durch seine Breite) betrugen bei typischen Flugzeugen der Zeit von 1940 bis 1945 etwa 14 bis 18 Prozent; in späteren Jets wurde das Verhältnis auf weniger als 5 Prozent reduziert. Diese Techniken verzögerten den lokalen Luftstrom, der Mach 1 erreichte.0, was etwas höhere kritische Machzahlen für das Flugzeug ermöglicht. Unabhängige Studien in Deutschland und den USA zeigten, dass das Erreichen des kritischen Mach durch Zurückfegen der Flügel weiter verzögert werden kann. Wing Sweep war äußerst wichtig für die Entwicklung des deutschen Messerschmitt Me 262 aus dem Zweiten Weltkrieg, des ersten einsatzfähigen Düsenjägers, sowie für Nachkriegskämpfer wie den nordamerikanischen F-86 Sabre und die sowjetische MiG-15. Diese Jäger arbeiteten mit hohen Unterschallgeschwindigkeiten, aber der Wettbewerbsdruck der Entwicklung erforderte Flugzeuge, die mit transsonischen und Überschallgeschwindigkeiten betrieben werden konnten. Die Leistung von Strahltriebwerken mit Nachbrennern machte diese Geschwindigkeiten technisch möglich, aber die Konstrukteure waren immer noch durch den enormen Anstieg des Luftwiderstands im transsonischen Bereich behindert. Die Lösung bestand darin, dem Rumpf vor und hinter dem Flügel Volumen hinzuzufügen und es in der Nähe des Flügels und des Hecks zu reduzieren, um eine Querschnittsfläche zu schaffen, die der idealen Fläche zur Begrenzung des transsonischen Widerstands näher kam. Frühe Anwendungen dieser Regel führten zu einem „Wespentaille“ -Auftritt wie dem der Convair F-102. In späteren Jets ist die Anwendung dieser Regel in der Planform des Flugzeugs nicht so offensichtlich.