To fluer med et smæk (og en trailer)

Producenterne af svævefly kan ikke stole på kvantespring inden for aerodynamik eller materialevidenskab. Der skal nye ideer til for at fastholde ønsket om at købe nye svævefly. Der har været synlige tendenser i de senere år, såsom øget vingebelastning eller tilbud om forskellige vingetipper til forskellige spændvidder. Fleksibiliteten er blevet værdsat af piloter, ikke desto mindre ser det ud til, at potentialet i disse muligheder snart vil være udtømt. Tidligere Schleicher-konstruktør Michael Greiner, manden bag ASG 32 og ASG 29, diskuterer her et nyt koncept, som giver mulighed for en stor variation i spændvidde – hvordan ville det være med et fly med 18- og 26 meter-tipper?

Tekst: Michael Greiner, Universitetet i Stuttgart, Institut for Aerodynamik og Gasdynamik / Foto: Jens Trabolt / Illustrationer: Michael Greiner

Michael Greiner er tidligere svæveflyve-konstruktør hos Schleicher og har været ansvarlig for vigtige konstruktioner som ASG 29 og ASG 32. Han arbejder i dag i den laminare vindtunnel under Stuttgart universitet sammen med Dr. Werner Würz,  i øvrigt en anden profil indenfor aerodynamik-udvikling i svæveflyvningen. Greiner er her fotograferet hos Schleicher i 2014 (foto: Jens Trabolt)

Link to automatic translation

Denne artikel er en bearbejdning af Michael Greiners artikel i 2021 Ostiv Proceedings, hvor den fulde, tekniske artikel kan læses på engelsk s. 103

Svæveflyproducenter skal løbende overbevise potentielle kunder om at bruge mange penge på deres produkter. Det mest overbevisende argument er at sætte nye præstationsstandarder i de givne konkurrenceklasser.

Vingeprofiler og vingegeometri, som tidligere var områder med de største præstationsforbedringer, ser dog ud til at have opnået et niveau, hvor der kun kan opnås minimale forbedringer. Kilder til parasitmodstand adresseres nu ved hjælp af Computational Fluid Dynamics-software (CFD) eller af mere komplicerede installationer (Overgang mellem vinge og fuselage, hale og optrækkeligt halehjul osv.).

Udover sofistikeret aerodynamik kan nogle andre store tendenser i de sidste tyve år bemærkes:

  • Øget vingebelastning (præstation)
  • Motorsystemer, som aflaster svæveflypiloten fra hans mest nærliggende bekymringer, og er et felt, hvor en producent stadig målbart kan udkonkurrere konkurrenterne (bekvemmelighed).
  • 18m-klassen tilbyder et attraktivt kompromis mellem præstationer og håndtering (præstationer, bekvemmelighed).
  • Alternative vingetipper til to spændvidder, f.eks. Standard/18m, 15m/18m, 18m/21m (fleksibilitet)
  • Lille åben klasse med spændvidder mellem 21m og 23m (præstationer, bekvemmelighed)

Den øjeblikkelige succes for nogle af disse udviklinger var overraskende for den mere konservative iagttager: Eksempelvis 18m-vingespidserne til standardklassesvævefly eller 21m- åbenklassesvævefly. Ingen af disse to udviklinger var lovende kandidater til konkurrencer. Men de tilbød et attraktivt nyt kompromis af præstation, håndtering og pris [1].

Det samme gør sig gældende for 18m-klassen, der blev så populær, at ingen større producent har råd til at blive kørt agterud i denne klasse. Hvis disse tendenser var succesfulde, hvordan kan de så udvides endnu mere for at tilbyde endnu flere muligheder for ydeevne og håndtering?




Konceptet

Udfordringen er at finde designfunktioner, der giver nye og attraktive muligheder for kunden. Udgangspunktet er ideen om et svævefly med mulighed for to spændvidde-konfigurationer, der er endnu længere fra hinanden end de løsninger, der findes i dag, f.eks. 18m og 26m.

I dag gøres spændvidde-variationer mulige ved hjælp af forskellige/yderligere sæt ydervinger. Begge spændvidder kan ikke være for forskellige, ellers vil der – med en overgang langt ude – opstå en uacceptabel vingeplanform i mindst én konfiguration, eller – med overgangen længere inde – skal der bygges meget vingeareal to gange for de forskellige spændvidder.

Under alle omstændigheder er indervingen alt for overdimensioneret til det lille spænd. Derfor er den maksimale praktiske spændviddeforøgelse indtil videre ψ=18m/15m=1,2. Undtagelse fra reglen er Slingsby T-59D, for hvilken indvendige vinger på 1,5m var tilgængelige for at muliggøre alternative spændvidder på 19m og 22m [2], hvilket kun giver en lille spændviddeforøgelse på ψ=1,16.

Forlængelse eller afkortning af den indvendige ende af vingen eller formen er imidlertid en almindelig løsning på en permanent spændviddeændring, som er blevet anvendt til forskellige prototyper (Dick Butlers ASW17S, Akafliegs’ SB10, D-41, fs33) og endda et antal af moderne produktionssvævefly. Akaflieg Stuttgarts FS 29 ”teleskopvinge” er en meget speciel sag. Da tilspidsningen sædvanligvis er meget lille nær roden, er denne løsning næsten selvskrevet for en spændviddeændring, og den kræver meget mindre afvigelse fra den optimale vingeplanform sammenlignet med en ændring af ydervingens tilspidsning.

FS 29 med teleskop-vinge blev bygget fra 1972-1975 af Akaflieg Stuttgart. Ydervingen kan køres ind over indervingen under flyvningen og give en spændviddevariation på næsten 6 meter.

Denne løsning er også mulig for en vinge med variabel spændvidde med en stor spændviddeforøgelse. I den lille spændvidde-konfiguration kan spændvidden forlænges med en indervinge, som enten kan rigges eller udelades (fig. 1). Planformen af indervingen er et rektangel, eller mere generelt et parallelogram.

Fig 1: Skitse af et svævefly med 18m/26m spændvidde, som kan varieres gennem montering af indervinger. (Copyright Michael Greiner).

Spændvidde 18m 26m
Vingeareal 10,4m² 16,6m²
Maks. masse 600 kg 850 kg
Max masse af ikke-løftende dele 380 kg 380 kg
Max vingebelastning 58 kg/m² 51 kg/m²

Tabel 1: Grundparametre i konceptet

18/26 meter koncept

I denne artikel belyser jeg et svævefly-koncept med variabelt 18m og 26m spændvidde.  En konventionel flappet 18m vinge kombineres med fuselagen fra et selvstartende 18m svævefly.

Indervingerne har et spænd på 4m hver. Hale-sektionen er forlænget med omkring 45 cm, mens cockpittet er strukket med 30 cm for at have et acceptabelt tyngdepunkt

Vingebelastningerne er blevet beregnet for de sædvanlige CS22-certificeringsnormer med tallene fra tabel 1. Vingens massefordeling blev ikke beregnet, da dette kun er en konceptundersøgelse.

De beregnede vertikale vingebøjnings-belastninger viste, at belastningerne på de ydre vingepaneler er meget ens i begge spændviddekonfigurationer. Det betyder, at konstruktionens styrke udnyttes i begge spænd.

I de konventionelle designs med alternative ydre vingespidser er styrken af indervingen større end nødvendigt, når de mindre vingespidser er rigget til (fig 2). Dette bevirker, at den lille konfiguration af et konventionelt design bliver unødvendigt tungt (– fx 15-meter version af en et 18-meter fly, red.)

Fig. 2: Faktor, hvormed indervingerne med den lille spændvidde overdimensioneres på grund af de belastninger, de skal bære i det store spændvidde.

Haleplanet

Haleplanet drager fordel af to aspekter: Sammenlignet med et design med fast vingeprofil giver flaps en vis margin for den horisontale haleprofils operationelle rækkevidde. For det andet er haleplanet dimensioneret i relation til vingearealet og vinge-reference-korden[3]. Eftersom vinge-reference-korden ikke ændrer sig nævneværdigt med ændringer i spændvidde, er det stadig muligt at finde et godt kompromis for størrelsen på haleplanet ved at forlænge halesektionen med 45 cm. Med dette mål er den vandrette halevolumen bestemt stor for 18m-klassen, men er i begge spændvidde-konfigurationer stadig inden for den statistiske spredning af dimensioner i andre svævefly [3].

Finnen

Størrelsen af finnen er dimensioneret i relationen mellem vingeareal og spændvidde[3]. Når man øger spændvidden, øges begge. Det betyder, at den krævende finne-størrelse vokser meget hurtigere, nemlig med kradratroden af spændvidden.  Dette gør det vanskeligt at finde en acceptabel størrelse af finnen for begge spændvidder med tanke på ror-harmoni, ror-autoritet (til at sikre at flyet kan komme ud af spin). På samme tid vil man gerne undgå en unødvendig overdimensioneret finne som giver ekstra modstand.

“Finneforlænger”. (Copyright Michael Greiner).

En løsning kunne være en aftagelig ”finneforlænger”. Dette kan enten være en indsats mellem finne og haleplan, en forlængelse under finnen eller endda et udskifteligt sideror. (Copyright Michael Greiner).

Dette rejser spørgsmålet, om en sådan haleforlængelse kan certificeres, og om den er egnet til daglig brug? Samlinger og automatiske rorkoblinger er dog standardfunktioner i dag, og piloten forventes allerede nu at rigge sit svævefly til på en fornuftig måde, fx ikke at starte med forskellige spændvidder til venstre og højre!

Trimvægte som fx monteres når fly skal gøres spinvillige, kan udgøre en CG-fare. Men disse vægte håndteres også regelmæssigt i drift med passende procedurer. Det ville bestemt være en fordel, hvis det flyet som undersøges her, forbliver kontrollabelt og flyvbart med en forkert vertikal halekonfiguration. Hvis man eksempelvis skal fjerne et tungt halehjul og aksel for at sikre den nederste forlængelse af finnen, kan forskydningen af tyngdepunktet reduceres.

I forvejen forventes det, at piloter kan rigge deres eget fly på en fornuftig og sikker måde – og fx ikke starte med to varierende spændvidder på hver vinge – så hvorfor ikke forestille sig en variabel finne, spørger Michael Greiner. (foto: Jens Trabolt)

Forbindelserne mellem vingesektionerne

For samlingerne opstår der interessante betingelser. Ydervingernes gaffel/tunge skal forbindes med hinanden, når de monteres direkte på fuselagen, men de skal også passe sammen når de skal forbindes med indervingerne. Således skal ydersiden af indervingen give et grænsesnit, der gør det muligt at montere ydervingerne. (Det diskuteres i stor teknisk detalje i den blå faktabox nederst på siden.)

Samling mellem vingen og fuselage

En anden krævende designopgave er vinge/fuselage-forbindelsen. Som følge af de to muligheder for at rigge svæveflyet skal indervigen ikke kun have en rektangulær (eller parallelogram) planform, men skal også have den samme vingeprofil i begge ender. Dette begrænser designmulighederne for vinge/fuselage-forbindelsen, da ingen fuselage-relaterede ændringer af vingeprofilen eller af indstillingsvinklen må forplante sig ind i vingen.

Forskellige tilgange er mulige. Det mest mulige kompromis ville være at flytte forbindelsen 5 cm til 10 cm længere væk fra symmetriplanet (fuselagen) Fra et aerodynamisk synspunkt ville mere være ønskeligt, men det ville skabe uønskede bøjningsmomenter i skroget bag løftestifterne og også koste kostbar plads i traileren. På den anden side ville det at have samlingen så langt væk fra flykroppen gøre det muligt at anvende en aerodynamisk kåbe (fairing) ved vingeforkanten. [4]. Med nuværende designs er det ikke muligt at have disse aerodynamiske kåber (fairings) på grund af vinge/fuselage overgangen tæt på flyets krop.

Vingekontrolsystemerne

Hvis et flaperon-design er indbygget med flere flaperoner, som laver forskellige udslag på krængeror eller under landingsindstillinger, skal styresystemet kunne klare begge spændvidde-konfigurationer. Vigtige aspekter er kontrol over længdeaksen (roll-control), lav modstand og god opdrift under termikflyvning og en effektiv indstilling af landings-flaps. En sikker måde at opnå dette på i begge konfigurationer er at reducere afstanden mellem indervingens og ydervingens flaperon.

Udformningen af luftbremserne kræver mere opmærksomhed. Med luftbremsen på den sædvanlige placering af 18m-vingen – med god effektivitet og uden at give skyggevirkning for højderoret – vil den være ret langt ude i 26m-konfigurationen. For at holde de vandrette bøjningsmomenter og torsionsdeformationen på et normalt niveau, bør denne luftbremse ikke være større end nødvendigt for 18m-spændvidde. Med 26m-spændvidde kan man tænke i andre muligheder for at opnå tilstrækkelig effekt: En ekstra luftbremse på indervingen, en mere udtalt landingsflap-indstilling på indervingen eller at koble flaps på indervingen med luftbremsestyringen, således at udfældning af luftbremse giver positiv flaps. Sidstnævnte er nok den enkleste løsning.

Dobbelte luftbremser kunne være en løsning i den store 26 meter-version. Det er før realiseret i virkeligheden – her fx på monsteret eta med 30,9 m spændvidde (foto: Jens Trabolt)

Resumé

Målet med denne artikel var at undersøge design af et svævefly, der kan flyves i to spændvidde-konfigurationer med en stor forskel mellem spændvidderne ψ=26m/18m=1,44.

Motivationen er ikke at opnå en højere ydeevne, men at tilbyde kunden fordele og en kombination af egenskaber, han ikke kan finde i nuværende svævefly.

Med 18m spændvidde er svæveflyet lige så hurtigt og nemt rigget til som alle andre svævefly i klassen. Hverken på jorden eller i luften skal der bæres vingevægte, som er unødvendige for 18m-konfigurationen. I 18m er det et handy svævefly.

Med 26m er det et fuldgyldigt svævefly i åben klasse. De tunge indervinger skal kun håndteres til denne konfiguration. Køb af et åbenklasse svævefly betyder ikke, at de tunge dele skal håndteres hver gang svæveflyet skal rigges.

Konceptet byder også på fordele for producenten. Det er en ny feature, som ikke har været tilgængelig indtil videre. Intet ”vingeområde” skal bygges to gange for et enkelt svævefly. Der er også en vis chance for, at eksisterende forme kan “genanvendes”, såsom forme til flykroppe i intervallet 18m til 23m eller forme til 18m-vinger. 18m vingeformen kan stadig bruges til mindre svævefly. De rektangulære indervinger behøver kun én form til begge sider, da de skal være uden vrid eller skift af vingeprofil langs vingesektionen.

For så vidt angår denne undersøgelse, blev der ikke fundet nogle tekniske udfordringer, som ikke kan løses. Faktisk er de fleste af de foreslåede løsninger allerede på en eller anden måde blevet realiseret i eksisterende designs. Alligevel skal man huske på to aspekter: For det første foreslås en usædvanlig tilgang for halefinnen, og for et 18 m svævefly vil flykroppen stadig være længere end eksisterende svævefly. For det andet med hensyn til samlingen mellem vinge og fuselage, begrænser konceptet anvendelsen af de sædvanlige aerodynamiske justeringer. Men i forbindelse med at vingefuselage-samlingen kræver en opmærksomhed, opstår der mulighed for, at der anvendes nye koncepter, som hidtil ikke var gennemførlige.

 

Referencer

1 Eppler, R., What Price Performance, XXIII OSTIV Congress, Borlänge, 1993, i: Technical Soaring, Vol. XVIII, nr. 3, 1994, https://journals.sfu.ca/ts/index.php/ts/article/download/622/585

2 Geistmann, D., Segelflugzeuge in Deutschland, Motorbuch-Verlag, 1994, s. 270.

3 Thomas, F., Fundamentals of Sailplane Design, College Park Press, 1999, s. 130-147

4 van Oudheusden, BW, Steenaert, CB, Boermans LMM, 2004, Attachment-Line Approach for Design of a Wing-Body Leading Edge Fairing, Journal of Aircraft, Vol. 41, nr. 2

Teknik i stor detalje: Forbindelserne mellem vingesektionerne

For samlingerne opstår der interessante betingelser. Ydervingernes gaffel/tunge skal forbindes med hinanden, når de monteres direkte på fuselagen, men de skal også passe sammen med indervingerne i den store spændvidde. Således skal ydersiden af indervingen give et grænsesnit, der gør det muligt at montere ydervingerne. (Copyright Michael Greiner).

Den enkleste løsning er nok, når alle bøjningsbelastninger overføres af tapper på de smalle sider af gaflen/tungen, mens hovedbolten kun tjener som hovedsikring. Der kræves en passende lomme i det indvendige panel, som modtager yderpanelets gaffel/tunge. Den ydre ende af det indre panel omfatter også de nødvendige tapper og bøsninger og låsestiften, som så ligner en konventionel ydre panelforbindelse, bortset fra at der normalt ikke er nogen gafler involveret. De automatiske styreforbindelser i den ydre ende af inderpanelet skal gentage forbindelserne ved flykroppen.

At designe indervingens indre samling vil give udfordringer, fordi belastningerne fra en 26 m vinge skal overføres inden for rodribber på størrelse med et 18 m svævefly. De fleste af designerens problemer er forbundet med forskydningsbelastninger (forskydningsspænding i limninger, belastninger på fittings). Dog kan forskydningsbelastningerne i tungen/gaflen reduceres uden at øge vægten meget, blot ved at gøre dem længere. Derved forbliver vægten af ​​forskydningsbanen konstant, efterhånden som den nødvendige vægtykkelse aftager, således at det samlede involverede materiale forbliver det samme. Det længere overlap mellem studsflangerne og gaffelsparflangerne kompenseres næsten af, at tungens/gaflens tilspidsning rækker længere ind i vingen. Noten “næsten” skyldes, at flangerne ikke tilspidser til nul. Som et eksempel: med 50 % længere tunger/gafler reduceres øgningen i forskydningsbelastninger i 26 m konfigurationen på 88 % til en stigning på 25 %.

Da disse gaffel/tunger er længere end flykroppen er bred, når de ind i lommer i den modstående rodribbe. På gaffelsiden kan rodribben stadig forbindes direkte med hovedbjælken. På tungesiden er dette ikke muligt på grund af lommerne til gaflen. Således ville lommesidevæggene skulle forbinde ”spar shear web” med rodribben, der er i stand til at bære halvdelen af ​​vægten af de ikke-løftende dele (multipliceret med belastningsfaktoren).

For at undgå vægten af denne ekstra struktur, kunne hele bjælken/gaffelsamlingen forskydes asymmetrisk til gaffelsiden, så der ikke længere kræves lomme i tungesidens rodribbe. Det lyder mærkeligt, men det er bare en matematikøvelse i ingeniørfaget. Igen med brugen af tapper behøver den enkelte hovedbolt kun at tjene som sikkerhed.