Von Papierflugzeugen bis hin zu Hyperschallgeschwindigkeiten: Wie entwickeln sich Flugzeugflügel?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Fengyi (Institut für Mechanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Bei der Erforschung des Himmels durch den Menschen spielen Flügel als wichtige Bestandteile von Flugzeugen eine entscheidende Rolle. Es ist nicht nur die Kernkomponente zur Erzeugung des Auftriebs eines Flugzeugs, sondern auch der Faktor, der die Form des Flugzeugs am unmittelbarsten beeinflusst. Lassen Sie uns heute in die Welt der Flügel eintauchen und die wissenschaftlichen Prinzipien und wunderbaren Designs dahinter erkunden.

Das Geheimnis des Flügels: Das Gleichgewicht zwischen Auftrieb und Widerstand

Das Geheimnis des Flügels liegt zunächst darin, wie er dem Flugzeug hilft, die Schwerkraft zu überwinden und in den blauen Himmel aufzusteigen. In der Flugmechanik tragen Flügel das Gewicht eines Flugzeugs, indem sie Auftrieb erzeugen. Dieser Auftrieb entsteht durch den Unterschied der Luftgeschwindigkeit zwischen der Ober- und Unterseite des Flügels. Wenn sich das Flugzeug vorwärts bewegt, strömt die Luft über den Flügeln schneller und es bildet sich ein Tiefdruckgebiet. während die Luft unter dem Flügel langsamer strömt und ein Hochdruckgebiet bildet. Dieser Druckunterschied ist der Schlüssel zur Fähigkeit des Flügels, Auftrieb zu erzeugen.

Flügel

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Der Auftrieb ist jedoch nicht die einzige Funktion eines Flügels. Während sie Auftrieb erzielen, müssen sich Flügel auch der Herausforderung des Luftwiderstands stellen. Der Luftwiderstand ist der Widerstand, dem ein Flugzeug während des Fluges ausgesetzt ist. Es verbraucht Energie des Flugzeugs und verringert die Flugeffizienz. Daher ist bei der Konstruktion von Tragflächen die Frage, wie sich ein Gleichgewicht zwischen Auftrieb und Luftwiderstand herstellen lässt, in den Fokus der wissenschaftlichen Forschung gerückt.

Welchen Einfluss hat die Flügelform auf die Flugleistung?

Die Form der Tragfläche hat entscheidenden Einfluss auf die Flugleistung des Flugzeuges.

Einen Eindruck davon können wir am Beispiel der Papierflieger gewinnen. Als wir jung waren, haben wir vielleicht Papierflieger in verschiedenen Formen gefaltet, einige mit breiten Flügeln und einige mit langen, dünnen Flügeln. Diese unterschiedlichen Formen bestimmen direkt die Flugeigenschaften des Papierfliegers.

Der wichtigste Parameter zur Bestimmung der Flügelform ist beim Flugzeugbau die sogenannte Flügelstreckung . Dabei handelt es sich um das Verhältnis der Flügelspannweite senkrecht zur Flugrichtung zur Flügelsehnenlänge entlang der Flugrichtung. Es ist das Verhältnis von a zu b in der folgenden Abbildung.

Das Originalbild zeigt den J-35A-Kampfjet bei einer Flugshow auf der Zhuhai Air Show 2024

(Fotoquelle: Beijing Daily)

Flügel mit einer größeren Streckung erscheinen senkrecht zur Flugrichtung besonders lang, wodurch das Flugzeug insgesamt breiter wirkt; Flügel mit einem kleineren Streckungsverhältnis sind senkrecht zur Flugrichtung kürzer, in Flugrichtung jedoch etwas länger, was in Kombination mit dem Rumpf die Gesamtform des Flugzeugs schlanker erscheinen lässt.

Das Seitenverhältnis von Flugzeugen ist relativ groß

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Ein typisches Beispiel für einen Flügel mit großer Streckung ist das Transportflugzeug Y-20. Seine Konstruktion ermöglicht einen starken Auftrieb, sodass das Flugzeug mehr Gewicht tragen und weiter fliegen kann. Diese Konstruktion eignet sich besonders für Flugzeuge, die eine lange Flugzeit, große Reichweite und hohe Zuladung erfordern, da die Fluggeschwindigkeit nicht zu sehr im Vordergrund steht und die Tragfähigkeit im Vordergrund steht.

Am 23. November 2023 landete das Flugzeug Y-20, das die zehnte Gruppe der sterblichen Überreste von Märtyrern der chinesischen Volksfreiwilligen in Korea in Empfang nehmen sollte, auf dem internationalen Flughafen Shenyang Taoxian. Der Flughafen hieß die Märtyrer der Freiwilligenarmee mit der höchsten Flugetikette willkommen, indem er sie „durch das Wassertor“ trieb. Foto von Yu Hongchun

(Fotoquelle: China Military Network)

Am 19. Dezember 2023 bestieg die Notfallkommandogruppe des Western Theater Command die Y-20 und eilte zur Erdbebenhilfe-Front in Gansu. Foto von Liu Fang

(Fotoquelle: China Military Network)

Flügel mit kleiner Streckung, wie sie bei Kampfjets wie der J-20 und der J-35 zum Einsatz kommen, können den Luftwiderstand verringern und die Fluggeschwindigkeit erhöhen. Dieses Design ist zweifellos die beste Wahl für Kampfjets, die Hochgeschwindigkeitsflüge anstreben.

Am 11. November 2018 feierte der Kampfjet J-20 sein Debüt auf der 12. China Air Show

(Fotoquelle: Xinhuanet)

Neben der Streckung haben auch andere Konstruktionsparameter des Flügels, wie beispielsweise Verdrehungswinkel, Anhedralwinkel und Pfeilungswinkel, einen wichtigen Einfluss auf die Flugleistung. Beispielsweise kann durch die Anwendung eines geeigneten Verdrehwinkels der während des Fluges erzeugte induzierte Widerstand verringert werden. Durch eine Vergrößerung des V-Winkels kann die seitliche Stabilität des Flugzeugs während des Fluges erhöht werden, was das Fliegen sicherer macht.

Flügelmaterialien verändern sich ständig, und Hochdruck-Erfassungsflügel sind zu einem neuen Highlight geworden

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technologie werden auch die Materialien und Technologien der Flügel ständig aktualisiert. Frühe Flugzeugflügel bestanden hauptsächlich aus Holz, Metall und anderen Materialien. Obwohl diese Materialien stark und haltbar waren, waren sie schwer und schränkten die Flugleistung des Flugzeugs ein. Heutzutage werden aufgrund der rasanten Entwicklung der Verbundwerkstofftechnologie für Flügel eine große Anzahl leichter und hochfester Materialien wie Kohlefaser und Glasfaser verwendet. Diese Materialien reduzieren nicht nur das Gewicht der Flügel, sondern verbessern auch ihre Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit.

Darüber hinaus ist die Flügelkonstruktion durch die Anwendung fortschrittlicher Technologien wie numerische Strömungsmechanik und Optimierungsdesign präziser und effizienter geworden. Mithilfe dieser Technologien können Forscher die Form und Struktur von Flügeln verfeinern, um optimale Flugleistungen zu erzielen.

Obwohl im Bereich der Flügelkonstruktion erhebliche Fortschritte erzielt wurden, haben die Forscher nie aufgehört, Flügel zu erforschen und zu erneuern. Sie arbeiten an der Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Flügeldesigns, um den zunehmend schwerwiegenderen Umwelt- und Energieproblemen zu begegnen.

Unter ihnen erregt der Hochdruck-Erfassungsflügel als neue Form der Hyperschallflugzeuganordnung große Aufmerksamkeit. Bei der aerodynamischen Auslegung herkömmlicher Hyperschallflugzeuge besteht ein starker Widerspruch zwischen dem Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand und dem Volumenverhältnis. Das heißt, der Preis für weit und schnell fliegende Hyperschallflugzeuge ist ein erheblicher Verlust an Ladekapazität. Diese Eigenschaft macht die technische Umsetzung mit zahlreichen Herausforderungen verbunden.

Als Reaktion auf dieses schwerwiegende Problem schlug das Institut für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen neuen Layoutplan für eine Hochdruck-Erfassungsflügelkonfiguration vor . Durch das „Einfangen“ des durch die Kompression der oberen Rumpfwand entstehenden Hochdruckbereichs kann eine erhebliche Auftriebskompensation erreicht werden. Gemäß den Prinzipien der Aerodynamik vergrößert sich das Volumen des Rumpfes, die Festigkeit des durch Kompression gebildeten Hochdruckbereichs nimmt zu und die erzielte Auftriebskompensation wird weiter erhöht, was den Widerspruch zwischen dem Volumenverhältnis und dem Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand auf geniale Weise lindert.

Nach mehreren Jahren harter Arbeit wurden bei dieser Konfigurationsforschung große Fortschritte erzielt. Im Jahr 2018 veröffentlichte das Institut für Mechanik in SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy ein Titelpapier mit dem Titel „Hyperschall-I-förmige aerodynamische Konfigurationen“, das bei Forschern im In- und Ausland große Aufmerksamkeit erregte. Im Jahr 2020 führte das Institut für Mechanik Windkanaltests mit dieser Konfiguration bei Mach 6 durch. Die Ergebnisse zeigten, dass im Vergleich zu der gängigen, im Ausland entwickelten Hochleistungs-Waverider-Konfiguration das maximale Auftriebs-Luftwiderstands-Verhältnis und der entsprechende Auftriebskoeffizient um 5 % bzw. 86 % verbessert und das Volumenverhältnis um etwa 10 % erhöht wurde, was das aerodynamische Leistungspotenzial dieser Konfiguration deutlich verdeutlichte.

Im Jahr 2021 führte das Institut für Mechanik den Flugtest „Yufeng-1“ mit der Konfiguration mit Hochdruck-Erfassungsflügeln durch und erhielt zum ersten Mal echte Flugdaten dieser Konfiguration, was eine Grundlage für eine eingehendere Optimierungsdesignforschung darstellt.

Dieses Design nutzt geschickt die Form und Struktur des Flügels, um den Auftrieb deutlich zu verbessern und gleichzeitig den durch das große Volumen verursachten Flugwiderstand auszugleichen. Dadurch wird das widersprüchliche Verhältnis zwischen Volumen und Auftriebs-Luftwiderstands-Verhältnis herkömmlicher Designs gemildert. Diese Innovation verbessert nicht nur die Gesamtflugleistung des Flugzeugs, sondern eröffnet auch einen breiteren Entwicklungsspielraum für die zukünftige Luft- und Raumfahrtindustrie.

Schematische Darstellung der Konfiguration des Hochdruck-Erfassungsflügels

(Bildquelle: Acta Aeronautica Sinica)

Zusätzlich zu den Hochdruck-Erfassungsflügeln erforschen Forscher auch viele andere neue Flügeldesigns, wie etwa verformbare Flügel und intelligente Flügel. Diese Designs bieten mehr Möglichkeiten für die zukünftige Entwicklung von Flugzeugen, indem Form, Struktur oder Funktion der Flügel verändert werden, um sie an unterschiedliche Flugumgebungen und Missionsanforderungen anzupassen.

Abschluss

Der Flügel ist nicht nur die Kernkomponente des Flugzeugs, sondern auch die Kristallisation menschlicher Weisheit bei der Erforschung des Himmels. Von den ursprünglichen Holzflügeln bis zu den heutigen Verbundflügeln, von der einfachen Formgestaltung bis zur komplexen Strukturoptimierung war die Entwicklung der Flügel Zeuge des beharrlichen Strebens und der unermüdlichen Bemühungen der Menschheit, den Traum vom Fliegen zu verwirklichen.

Mit dem weiteren technologischen Fortschritt und der Entstehung neuer Innovationen werden die Flügelkonstruktionen in Zukunft effizienter, umweltfreundlicher und intelligenter werden. Es wird die Menschheit weiterhin dazu führen, den Himmel zu durchqueren, die unbekannte Welt zu erkunden und die Fluglegende der Menschheit zu schreiben.