Auslegung eines transsonischen Tragflügels

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1 Auslegung eines transsonischen Tragflügels (Beispiel)

2 1. Entwurfspunkt 1. Festlegung von - Reisegeschwindigkeit M C, z.b. M C Reisehöhe H C, z.b. H C 11 km. Reiseflugbedingung: A G ρ c A V F c A ρ V c c F c A ρ M κ R T F 1 c A p( H ) κ M F c A G F 1 p( H ) κ M C C Operationelle Gesichtspunkte

3 . Entwurfspunkt p( H C ) 3000 N m κ 1.4 G F N m (Erfahrungswert) c A 0.5 Operationelle Gesichtspunkte

4 3. Flügelgrundrißform Festlegung von - Pfeilung ϕ 5 30 M DD - Streckung Λ 8 10 c Wi - Zuspitzung λ c B, c A, max Ausgehend von einer wissensbasierten Festlegung von ϕ, Λ, λ werden sog. Trade-off Studien zur Optimierung durchgeführt. Aerodynamische Gesichtspunkte

5 4. Druckverteilung 4.1. Oberseite Profil z.b. Roof-top M local 1 Supercritical M local < Flügel Damit der Flügel voll ausgenutzt ist, soll über die Spannweite in jedem Schnitt auf der Oberseite die entworfene Druckverteilung herrschen. -c p Stöße (schwach) Bei Erhöhung der Reisemachzahl um M tritt in allen Schnitten ein gleich starker Stoß auf stoßbedingte Ablösung in allen Schnitten gleichzeitig -c p * Ablösung 1 x Isobarenkonzept Aerodynamische Gesichtspunkte

6 4. Druckverteilung (Forts.) Widerstand vs. Machzahl Aerodynamische Gesichtspunkte

7 4. Druckverteilung (Forts.) 4.. Unterseite Profil Dicker Flügel c a klein Dünner Flügel c a groß Dicker Flügel (d/l 1% 16%) erwünscht wegen: - Steifigkeit, geringes Gewicht - Kraftstoff - c A,max, c A /c W Rear Loading vorsehen: Flügel Druckverteilung an der Unterseite ergibt sich aus der Integralbedingung: c A + 1 c ( y) l( y) dy a 1 Elliptische Auftriebsverteilung wegen (c Wi ) min : π ca ( y) l( y) k 1 y ca c c ( y) a A π 1 y l( y) Über die Wahl der Druckverteilung läßt sich ein gewünschter Verlauf der örtlichen Dicke einstellen. Aerodynamische Gesichtspunkte

8 5. Anpassung an die Polare c W0 c Wi c W0 > c Wi c W0 < c Wi G/F Ok zu klein zu groß Flughöhe Ok zu niedrig zu hoch Mission / Aerodynamik

9 6. Randbedingungen - Auftriebsverteilung 6.1 Optimales (c( A ) max 6. Ablöseverhalten Ablösung (ϕ > 0) (ϕ < 0) c A c A c M c M Querruder Buffeting Pitchverhalten schlecht schlecht gut gut Pitch up ϕ > 0 Pitch down ϕ < 0 Flugmechanik / Aeroelastik

10 6. Randbedingungen (Forts.) 6.3 Off-Design Design-Verhalten im Reiseflug Genügend c A ohne Auftreten von Ablösung c A,Reise + c A Off-Design / Konfigurativ

11 6. Randbedingungen (Forts.) 6.4 Rumpfeinfluss, Pfeilungsknick Negative Wölbung, Positive Verwindung 6.5 Seitenkanteneinfluss Positive Wölbung, Negative Verwindung Off-Design / Konfigurativ

12 Integrated Aircraft Wing Design Wing functionality Design process Design selections planform (options and constraints) high-lift powerplant position / installation Systems integration Manufacturing considerations Key items

13 Wing functionality Lift - Payload, range, speed and altitude Drag - Range, additional decelerating Control - mainly in roll (high & low speed) Undercarriage - wing mounted gear Engine - Installation for wing mounted engines Defines preliminary aircraft / wing requirement Key items

14 Wing requirements Mandatory - Defined by regulations - Related to safety - Wing strength - Fuel tank protection Desirable - Minimum weight - Maximum aerodynamic efficiency - Minimum manufacturing cost - Minimum maintenance cost - Minimum operating cost These are paramount and can not be compromised. Most of these desirables are design contradictions to each other. Key items

15 Wing solutions in practice Why is the 747 planform different from the A380? Boeing 747 wing designed to an older drag standard while flying at high cruise Mach numbers (M 0.855) To control tip stall behaviour, highly swept wings have limited aspect ratio Higher sweep + thin wing Lower aspect ratio Reduced high lift capabilities Increased drag Aspect Ratio A340 UNSAFE SAFE A Sweep Increased fuel burn Complicated high lift system (weight/cost) Aerodynamic drag improvements have a major impact on overall wing design. Boeing 747 vs. Airbus 380

16 Wing solutions in practice (con t) Why is the 747 wing different from the A380? Design requirements A R M cruise Range [nm] Passengers A380 carries a bigger payload over a longer distance Wing parameters Area [m ] Span [m] A R This requires a bigger wing area Aspect Ratio Sweep [ ] t/c / 8.0 / / 9.3 / 9.1 Considerably different for the same design Mach number Boeing 747 vs. Airbus 380