Flugzeug

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Flugzeug mit Teleskopflügeln

Bei der Entwicklung größerer Flugzeuge, wie beim A380, wurde bislang meist die Konzeption von kleineren Flugzeugen weiter entwickelt. Damit gelangt man jedoch auch an Grenzen, die den Einsatz dieser Flugzeuge behindern. Die mechanischen Spannungen an den Flügeln nehmen exponentiell zu, was bedeutet, dass die Flügel an der  Ansatzstelle zum Rumpf besonders stark ausgeführt werden müssen, was da den Luftwiderstand erhöht. So erweist sich die größere Länge der Tragflächen auch als ein Hindernis beim Einsatz des A380. An vielen Flughäfen sind die Stationen für den Ein- und Ausstieg nicht für so große Flugzeuge ausgelegt und es bedarf zusätzlicher Maßnahmen, um diese Maschinen abfertigen zu können.

Bei meiner Konzeption wird diese Schwierigkeit umgangen und darüber hinaus verspricht sie auch noch Einsparungen bei den Treibstoffkosten.

Bislang wurde die notwendige Vergrößerung der Auftriebsflächen im Wesentlichen durch die Verlängerung der Tragflächen erreicht.

Bei einer Aufteilung der Auftriebsfläche auf zwei Tragflächenpaare lassen sich günstigere Gewichtsverhältnisse erzielen als bei Flugzeugen mit einem Tragflächenpaar.

Abb. 1 zeigt ein Flugzeug mit zwei Tragflächenpaaren (1), die versetzt in Höhe und Länge am Rumpf angebracht sind.

Wenn bei einer Verlängerung der Tragflächen der Ähnlichkeitssatz eingehalten wird, so steigt die Auftriebsfläche in der 2. Potenz der Längenänderung, das Volumen und damit auch das Gewicht jedoch in der dritten Potenz. Ein langer Flügel ist somit schwerer als zwei kleinere Flügel mit der halben Auftriebsfläche. Die Kräfte und Spannungen an der Verbindungsstelle mit dem Rumpf steigen überproportional zur Längenänderung, da der „Hebel“ größer ist. Auch der Strömungswiderstand einer großen Tragfläche ist mehr als doppelt so groß wie der von zwei kleineren Tragflächen mit der halben Auftriebsfläche. Eine Aufteilung auf mehrere Tragflächen sollte daher das Gewicht vermindern und den Luftwiderstand senken. Diese Einsparungen beim Gewicht der Tragflächen ermöglichen Kraftstoffeinsparungen oder eine höhere Zuladung beziehungsweise eine größere Reichweite.

Mehrere leichtere Tragflächenpaare, die verteilt am Rumpf angebracht sind, entlasten auch die Festigkeitsanforderungen des Rumpfes in diesen Bereichen, was wiederum einen leichteren Aufbau des Rumpfes ermöglicht. Wirkt der Auftrieb an mehreren Stellen des Rumpfes, so sollte der Rumpf selbst schlanker ausgeführt werden, was den Luftwiderstand vermindert.

Die größte Auftriebsfläche benötigt das Flugzeug ja beim Starten und Landen, wenn die Geschwindigkeiten gering sind. Hat es die Reisegeschwindigkeit erreicht, so würde auch eine kleinere Fläche reichen. Dies lässt sich mit einer „Teleskop-Tragfläche“(2) erreichen. Beim Starten und Landen sind die Flügel voll ausgefahren (Abb. 2), nach dem Erreichen der Reisegeschwindigkeit und beim Rollen am Boden dagegen voll eingefahren. So wird wenig Verkehrsfläche im Stand und bei der Abfertigung benötigt.

Je nach Geschwindigkeit kann die Tragfläche immer dem optimalen Wert angepasst werden und bei der typischen Reisegeschwindigkeit  ist somit auch der Luftwiderstand geringer.

Auch eine Kombination dieser beiden Konzepte ist denkbar.

Werden diese zwei Tragflächenpaare miteinander verbunden, so kann diese Verbindung(3) für das Seitenleitwerk(4) genutzt werden. Damit erhöht sich der resultierende Luftwiderstand nur geringfügig. Die Wirkung des Seitenleitwerks im großen Abstand zur Längsachse ist besonders groß, da dann der Abstand wie ein Hebel wirkt. 

Um konsequent diesen Ansatz durchzusetzen, ist es notwendig, die Treibstofftanks im Rumpf anzuordnen. Im oberen Bereich des Rumpfes sind bei einer Bruchlandung oder Notwasserung die geringsten Schäden zu erwarten. Wenn zudem die Tanks nicht fest mit dem Rumpf verbunden werden, können  die Tanks sogar ein Auseinanderbrechen des Rumpfes unbeschädigt überstehen. Ebenso sollten die Triebwerke am Heck angebracht werden, da dann die Tragflächen keine zusätzlichen Belastungen aufbringen müssen und somit schlank und leicht ausgeführt werden können.

Bei einer Optimierung der Tragflächen erscheinen mir Treibstoffeinsparungen von 10 % und mehr durchaus realistisch. Eine Simulation dieser Konzeption am Computer könnte dies bestätigen.

 

  

Ich vermute, dass eine elastische Beschichtung von Tragflächen und Leitwerken die Flugeigenschaften geringfügig verbessern könnte.

Ist so etwas schon einmal erprobt worden?

Die Luftwirbel erzeugen doch lokale Druckmaxima und –minima, die dann die Oberfläche der elastischen Beschichtung verändern. Dabei wird dem Wirbel Energie entzogen und er wird etwas gedämpft, was sich möglicherweise positiv auf das Flugverhalten und den Luftwiderstand auswirkt.

Die Vereisungsgefahr solch einer elastischen Schicht sollte auch geringer als bei einer starren Oberfläche sein, da bei einer Verformung, entstandene Eisschichten leichter abplatzen.

Zu diesen Gedanken hat mich das Federkleid von Vögeln inspiriert, denn dort bilden die Federn mit der darunter befindlichen Luft solch eine elastische Schicht.

 

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