Warum Vögel kein Ruder brauchen (sehr spannender Vortrag von einem Nasa Mitaerbeiter)

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Doppelnik

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Was ist denn der Knackpunkt des Ganzen ? (for not-English speakers) :TD:
 
Doppelnik

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OK, ich versuch es... Stand der Technik ist am Flügel eine eliptische Auftriebsverteilung (maximaler Auftrieb in der Mitte), weil man damit bei gegebener Tragflächenspannweite am effeizeintesten Auftrieb erzeugen kann. Als erster hat das Ludwig Prandl beschrieben. Prandl hat aber auch eine wenig beachtete Veröffentlichung gemacht, in der er die optimale Auftriebsverteilung bei gegeben Strukturgewicht ermittelt hat. Zunächst etwas verwirrend kommt er hierbei zu einer Verteilung welche am 70% der maximalen Spannweite zunehmen Abtrieb produziert anstelle von Auftrieb. Er gibt an, dass man damit bei gleichem Gewicht (günstigerer Biegemomentenverlauf) 20 % größere Spannweite und 11 % weniger Widerstand erreichen kann. Die wirkungsweise der Tragflächenenden ist hierbei vergleichbar mit den Winglets, wodurch die Wirbelschleppen deutlcih verringert werden. Erreicht wird die Autriebsverteilung durch ein sehr starkes Verdrehen der Profilwinkel über die Flügellänge, weitaus mehr als die üblichen 2°.

Der günstigere Widerstand ist nur ein Teil des Vorteils, anders als bei konventioneller Auftriebsverteilung dreht sich das Flugzeug mit so einer Tragfläche automatisch in die Richtung in die es rollt (das warum ist ziemlich kompliziert, anders als bei konventionellen Flügeln erzeugt das kurvenäußere Flügelende beim Rollen Vortrieb anstelle von mehr Wiederstand) , damit ist ein Seitenruder nicht mehr notwendig und Stabilität läßt sich ohne ein Seitenruder erreichen. Die Widerstandsverminderung wird durch den Entfall vom Leitwerk nochmals deutlich größer.

Neben Prandl hat auch Horton (der mit den Nurflügelflugzeugen) daran gearbeitet und kam möglicherweise unabhängig zum selben Schluss. Hiermit ließen sich stabile Nurflügelflugzeuge ohne Widerstandslenkung (siehe B2) und Stabilitätsproblemen verwirklichen (im WK2 noch nicht umgesetzt)

Die theoretischen Überlegungen hat er mit dem Design von großen, gleitenden Vögeln verglichen und festgestellt, dass deren Flügeln genau diesen Überlegungen entsprechen. Am Albatros erkennt man auch die stabilisierende Wirkung dieser Flügelauslegung. Diese Vögel haben einen relativ kurzen Rumpf mit kleinem Schwanz den sie im Flug nicht zu Steuerung verwenden und eine riesige Spannweite. Er zeigt an den Bildern, dass die Federn an den Flügelenden nicht nach oben gebogen sind, wie es bei einer klassischen Anahme mit eliptischer Auftriebsverteilung der Fall wäre.
 
Schorsch

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Er gibt an, dass man damit bei gleichem Gewicht (günstigerer Biegemomentenverlauf) 20 % größere Spannweite und 11 % weniger Widerstand erreichen kann.
Hat das Prandtl für ein transonisches Flugzeug mit einem flexiblen Flügel postuliert, oder für einen bocksteifen kleinen Flügel?
Ich kann mir irgendwie nicht vorstellen, dass wir aus Ignoranz die "falschen" Flugzeuge bauen.
Ich kann Stabilität und Steuerbarkeit auch ohne Leitwerke erreichen. Aber kann ich damit bei 30kts Crosswind landen?
Vögel profitieren von der sehr guten Regelungstechnik und Aktuatorik.
 
Doppelnik

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Seine mathematische Lösung gilt nur fuer starre Flügel, biegsam konnte selbst er nicht rechnen...

Sie Dir den Beitrag an, diese Flügel bieten eine verbesserte Steurbarkeit.
 
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Seine mathematische Lösung gilt nur fuer starre Flügel, biegsam könnte selbst er nicht rechnen...

Sie Dir den Betrag an, diese Flügel bieten eine verbesserte Steurbarkeit.
Das dachte ich mir: es ist eine theoretische Übung.
Ein Nurflügler ist eine sehr effiziente Konfiguration, natürlich muss die Nutzlast irgendwo hin.
Da sich Passagiere nicht Tanken lassen, brauche ich ein großes, unter Druck stehendes Volumen (siehe meine Signatur).
Da bietet sich die Coladose in Flugrichtung an.
Dann habe ich den Hebelarm "kostenlos" und kann hinten noch ein Leitwerk drandübeln.

Würde man das Leitwerk eines Verkehrsflugzeugs konsequent auf den Reiseflug auslegen (und nicht auf Start mit kaputten Triebwerk bei ungünstiger Schwerpunktslage), wäre das auch viel kleiner.
 
Doppelnik

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Nee, Prandl hat das erst einmal allgemein für Flügel beschrieben, ein Albatros sieht ja auch nicht wirklich aus wie ein "Nurflügel". Als positiven Nebeneffekt ergibt sich aber die oben beschriebene Stabilisierung, wobei ich selber noch nicht 100 % verstanden habe, wi der Vortrieb entsteht. Damit läßt sich ein Nurflügelflugzeug verwirklichen ohne die üblichen Stabilitätsprobleme, das ist halt konsequent zu Ende gedacht, aber kein Muss
 
Doppelnik

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hier ist die Veröffentlichung von der NASA: NASA Technical Reports Server (NTRS)

Ich verstehe es so, die Wirbelschleppen rotieren bei dieser Auslegung nicht mehr um die Flügelspitzen, sondern bei etwa 0,7 x maximaler Spannweite. Durch diese Lage, befinden sich die äußeren 30 % des Flügels um Aufwind und generieren durch den starken Anstellwinkel Vortrieb (wie ein Paragleiter an einer Düne bei auflandigem Wind). Die Steuerflächen sind bei diesen Flügel nur im äußersten Teil des Flügels untergebracht. Wenn die Klappen hierbei nach unten ausfahren, wird die Luft (es herscht ja Auftrieb), stärker von der Richtung "schräg nach oben" in Richtung "grade nach hinten" gelenkt, wodurch neben der Auftriebserhöhung zusätzlich Vortrieb erzeugt wird. Der Flügel dreht sich freiwillig in die Kurve rein, anders als man es kennt.
 
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innwolf

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Hallo,
mit Theorie bschäftigen, diese untersuchen ist richtig und wichtig. Trotzdem denke ich ist das Standardkonzept eben der optimale Komrpomiß, aber nicht in einer Richtung das Optimum. Ähnlich wie irdische Verkehrstechnik, seit rund 130 Jahren gibt es die Fahrräder "Rover", Diamantrahmen, Radgröße um 70cm, Kettenantrieb mit Übersetzung im Bereich 1:3,0 für flaches Gelände bis etwa 4% Steigung ohne Gangschaltung. Es wurde sehr viel anderes probiert, Liegeräder, aerodynamische Verkleidung, Kardanantrieb, Schaltung im Tretlager ( dort die um 3-fachen Drehmomente! ) usw. Es bleibt der universelle Kompromiß von alltagstauglich um 13kg Masse bis empfindlich Rennrad um 7kg.
Fortschritt in 130 Jahren? Hydraulikbremse, Nabendynamo mit LED-Licht und praxistaugliche Ketten- oder Nabenschaltungen. Freuen wir uns, Generationen von Ingenieuren sind am perfekten Kompromiß angekommen, es gibt nichts mehr zu verbessern.
 
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Die Natur ist nahezu perfekt - sieht man an dem Flug der Vögel.
 
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Das Standartkonzept ist heute das E-Fahrad, da hat sich also durchaus etwas grundlegend geändert.

Die Flügelauslegung ist auch nicht für alle Fälle das Optimum, der A380 hat wohl deutlich kleinere Tragflächen als es sich die Aerodynamiker wünschten damit er noch mit den Gangways erreichbar ist. In diesem Fall ist die konventionelle elliptische Tragflächenbelastung der richtige Ansatz.

Wenn man zukünftig gezwungen ist mit irgendeinem alternativen Antrieb zu fliegen, dann wird man nach allen Optimierungsmöglichkeiten gucken müssen, Batterien sind für die meisten Zwecke viel zu schwer, Wasserstoff ist besser aber ebenfalls zu schwer und zu voluminös im Vergleich zu Kerosin und alternative Kraftstoffe werden erheblich teuer sein. Wenn der Antrieb teuer wird, wird Effizienz in der gesamten Kostenbetrachtung noch wichtiger werden. Ein Flugzeug ohne Leitwerk (der Rumpf wird sicher erst mal bleiben, ansonsten bräuchte man Riesenflugzeuge) mit effizienteren Flügeln sind ein zu deutlicher Schritt nach vorne als dass man ihn ignorieren kann.
 
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Damit läßt sich ein Nurflügelflugzeug verwirklichen ohne die üblichen Stabilitätsprobleme, das ist halt konsequent zu Ende gedacht, aber kein Muss
Nö. die Probleme entstehen ja nicht im wenig gestörten Geradeausflug. Die Probleme entstehen bei Wetter, partiellen Systemversagen. Weiterhin bedeutet "steuerbar" nicht unbedingt "steuerfreudig". Die Horten-Dinger konnte man fliegen, aber es war stets eine Meisterleistung lebend zurück zu kommen.
Das Prandtl-Konzept ist lange bekannt und wurde auch umgesetzt, so richtig funktionieren tut es erst seid wir digitale Regelungstechnik haben.

Die Flügelauslegung ist auch nicht für alle Fälle das Optimum, der A380 hat wohl deutlich kleinere Tragflächen als es sich die Aerodynamiker wünschten damit er noch mit den Gangways erreichbar ist. In diesem Fall ist die konventionelle elliptische Tragflächenbelastung der richtige Ansatz
Der Flügel ist nicht zu klein im Sinne der Fläche, sondern er hat nicht die optimale Streckung. Das Optimum wird bei 84-86m Spannweite vermutet. Ein konsequenter CFK-Flügel wäre wahrscheinlich eher bei 90m.
 
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Alles was von Menschenhand geschaffen wurde kann jederzeit noch verbessert werden.
Nichts an uns ist perfekt - nichtmal der Kompromiss.
Die Natur ist nahezu perfekt - sieht man an dem Flug der Vögel.
Naja, zu sehr in Kulturpessimismus sollte man auch nicht verfallen.

Der erzielbare L/D von modernen Segelflugzeugen ist ein Vielfaches dessen, was Vögel erreichen.
 
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Nö. die Probleme entstehen ja nicht im wenig gestörten Geradeausflug. Die Probleme entstehen bei Wetter, partiellen Systemversagen. Weiterhin bedeutet "steuerbar" nicht unbedingt "steuerfreudig". Die Horten-Dinger konnte man fliegen, aber es war stets eine Meisterleistung lebend zurück zu kommen.
Das Prandtl-Konzept ist lange bekannt und wurde auch umgesetzt, so richtig funktionieren tut es erst seid wir digitale Regelungstechnik haben.


Der Flügel ist nicht zu klein im Sinne der Fläche, sondern er hat nicht die optimale Streckung. Das Optimum wird bei 84-86m Spannweite vermutet. Ein konsequenter CFK-Flügel wäre wahrscheinlich eher bei 90m.
Bei den Nurflüglern entstanden die Probleme durchaus im Grade Ausflug, gibt da ein schönes Video auf der Tube. Die Dinger waren ständig in Bewegung weshalb sie zum punktgenauen bombardieren unbrauchbar waren. Genau diese Problematik ließe sie mit dem Flügeldesign beheben, aber vielleicht machst Du Dir erst mal die Mühe das zu verstehen.

Ich weiss dass es beim A380 an der Streckung mangelt, das sollte aus meinem Post aber eindeutig hervorgehen...

Das Prandtl Konzept mit der eliptischen Lastverteilung ist hinreichend bekannt und verstanden worden, das mit der Glockenform nicht.
 
Schorsch

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Bei den Nurflüglern entstanden die Probleme durchaus im Grade Ausflug, gibt da ein schönes Video auf der Tube. Die Dinger waren ständig in Bewegung weshalb sie zum punktgenauen bombardieren unbrauchbar waren. Genau diese Problematik ließe sie mit dem Flügeldesign beheben, aber vielleicht machst Du Dir erst mal die Mühe das zu verstehen.

Ich weiss dass es beim A380 an der Streckung mangelt, das sollte aus meinem Post aber eindeutig hervorgehen...

Das Prandtl Konzept mit der eliptischen Lastverteilung ist hinreichend bekannt und verstanden worden, das mit der Glockenform nicht.
Das verlinkte Paper versucht ja die Auftriebsverteilung des Albatros zu erklären. Die Auftriebsverteilung ist die von Dir benannte Glockenkurve. Finde ich übrigens gar nicht so viel anders als die reale Auftriebsverteilung eines Verkehrsflugzeugs. Eine reine Ellipse ist ja allein aufgrund des Rumpfes kaum möglich (auch Vögel haben zwischen den Flügels meist einen Körper). Ein Verkehrsflugzeug ist für diverse Flugzeustände entworfen, meist einen optimalen Bereich (CL um 0.5 bis 0.6) und eben Auftrieb bei Start und Landung, dann meist mit Klappen. Die Auftriebsverteilung wird da nicht stumpf auf Ellipse getrimmt, sondern wird unter exorbitanten Rechen- und Simulationsaufwand optimiert.

Die Wirbelschleppen eines normalen Verkehrsflugzeugs sind nicht exakt am Rand: diese Wirbelschleppen sind nicht allein das Ergebnis des Abschlusswirbels, sondern ein komplexes 3D-Phänomen. Es gab da mal eine schöne Darstellung, finde ich leider gerade nicht. Winglets helfen durch eine Veränderung der Auftriebsverteilung, aber nicht einfach als Flügelzaun, indem sie den Unter- und den Überdruck trennen. Das ist so eine Erklärung für die PPL-Ausbildung.

Daher frage ich mich gerade, was jetzt eigentlich so neu ist?
 
Doppelnik

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Die Winglets sind ein Ansatz um bei einer eliptischen Auftriebsverteilung aus den Wirbelschleppen noch etwas Vortiebsenergie zu gewinnen. Bei einer glockenförmigen Auftriebsverteilung wären Winglets überflüssig, oder je nach Betrachtung, sind sie horizontal angeordnet und damit in den Flügel integriert. Die Auftriebsverteilung am Rumpf ist gar nicht der Knackpunkt, sonder die Auslegung der Tragflächen an den Flügelenden. Hier läßt man gezielt eine Auftriebsströmung zu bei der jeder konventionell denkende Ingenieur eine Verschwendung von Flügelfläche sehen würde. Prantdl hat dies mathematisch optimiert und ist zu dieser Form gekommen, allerdings ohne die Vorteile für die Steuerung zu erkennen. Horten hat nach Möglichkeiten gesucht seine Nurflügler stabiler zu machen und kam später zum gleichen Ergebnis, allerdings ohne sich ausgiebig mit der Mathematik auseinanderzusetzen (Prantdl und Horten kannten sich, haben sich aber nie zitiert).

Das Papier versucht viel mehr und ist mit Versuchen unterfüttert, als Nebeneffekt erklärt es die Auftriebsverteilung und Steuerung beim Albatros und anderen großen gleitenden Vögel.

Anbei noch etwas zum Thema Stabilität von Nurflüglern und welche Methoden man üblicherweise dafür eingesetzt hat:
. Die Ergebnisse von den Nasa Gleitern kommen ohne Widerstandserhöhende Maßnahmen aus, ebenso wie der Albatros
 

hahgeh

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...
Daher frage ich mich gerade, was jetzt eigentlich so neu ist?
Vllt. hast du das Video nicht gesehen - Bowers hebt einige Male hervor, dass er nichts neu entdeckt hat, ganz im Gegenteil. Er hat nur - wie er sagt - eine "andere Frage gestellt" und ist daher auf einen Weg gekommen, der - wieder mit seinen Worten - "die Dinge zu Ende führt."

Gruß
hg
 
Doppelnik

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Natürlich, er sagt, Prandtl hat sich die Frage gestellt, was ist, wenn ich nicht von einer gegebenen Spannweite ausgehe, sondern von einen gegebenen Bauteilgewicht. Damit kommt man zu einer anderen Lösung. Die eliptische Autriebsverteilung ist ja nicht falsch, sie ist nur nicht für alle Fälle optimal. Ich habe an keiner Stelle behautet, dass sich Herr Bowers der Erfinder/Entdecker dieser Lösung sieht. Er hat sich halt die selbe Frage wie einst Prandtl gestellt und seine Lösung (bzw. ebenso die von Horten und Johnson) gefunden und umgesetzt. Er hat diesen lange vergessenen Ansatz von Prandtl wiederentdeckt und empirisch untersucht. Dazu war er wahrscheinlich der erste der festgestellt hat, dass diese Regel bei großen gleitenden Vögel genau mit Prandtl Theorie übereinstimmt.
 
Thema:

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