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2024 | Buch

Aerodynamik des Fliegens

Von den Grundlagen bis zur Flugzeugauslegung

verfasst von: Markus Dietz

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Sie interessieren sich für die Aerodynamik von Flugzeugen, und Ihr Interesse geht über die populärwissenschaftliche Darstellung hinaus? Gleichungen schrecken Sie nicht ab, denn Sie verfügen über mathematische und physikalische Kenntnisse aus einem technischen Studium? Dann bietet Ihnen dieses Lehrbuch einen umfassenden Überblick über die Flugzeugaerodynamik von den strömungsmechanischen und aerodynamischen Grundlagen bis hin zur Flugzeugauslegung. Das Werk erfordert über ein mathematisch-physikalisches Grundwissen hinaus keine Vorkenntnisse. Nach dem Studium des Buches verfügen Sie über ein solides Wissen zur Aerodynamik von Profilen und Tragflügeln und verstehen die unterschiedliche aerodynamische Auslegung verschiedener Flugzeugtypen wie Segelflugzeuge, Kleinflugzeuge, Verkehrsflugzeuge und überschallschnelle Kampfflugzeuge.

Weil das Werk auch auf die Grundlagen der Flugmechanik und Flugleistungsrechnung eingeht, eignet es sich auch als Begleitwerk für ein Luftfahrttechnik-Studium, um einerseits den Blick „aufs Wesentliche“ nicht zu verlieren und zum anderen, um die Verknüpfungen zwischen den Disziplinen Strömungsmechanik, Aerodynamik, Flugmechanik und Flugzeugauslegung besser zu verstehen. Auch auf fliegerische Aspekte wird an vielen Stellen eingegangen, beispielsweise auf den Zusammenhang zwischen der aerodynamischen Gestaltung des Flugzeugs und seinen Flugeigenschaften, den Aufbau der Atmosphäre und die Definition der „Airspeeds“ und deren Umrechnung. Damit stellt das Buch auch für Berufs- und Hobbypiloten eine sinnvolle Ergänzung dar. Abgerundet wird das Werk durch einige Informationen zu den relevanten historischen Persönlichkeiten und Meilensteinen der Luftfahrt.

Am Ende der meisten Kapitel befinden sich Übungsaufgaben, die so gestalten wurden, dass das Erlernte vertieft wird. Eine kurze Zusammenfassung des nötigen mathematischen und thermodynamischen Handwerkszeugs findet sich im Anhang des Buchs.

Zusätzliche Fragen per App: Zur Überprüfung des Lernerfolgs stehen insgesamt 170 Flashcards-Fragen bereit. Laden Sie die Springer-Nature-Flashcards-App kostenlos herunter und nutzen Sie exklusives Zusatzmaterial, um Ihr Wissen zu prüfen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen der Strömungsmechanik

Frontmatter
1. Physikalische Eigenschaften von Fluiden
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird der Begriff des Fluids eingeführt und einige grundlegende physikalische Eigenschaften von Fluiden erläutert, insbesondere die Viskosität. Es wird erläutert, unter welcher Voraussetzung Strömungen als Kontinuumsströmung beschrieben werden können. Weiterhin werden die Stoffeigenschaften von Luft – das in der Aerodynamik maßgebliche Fluid – angegeben.
Markus Dietz
2. Hydro- und Aerostatik
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit den Grundlagen der Hydro- und Aerostatik, also der Physik ruhender Fluide. Es wird der Begriff des Drucks eingeführt. Ausgehend vom Euler’schen Gesetz der Hydrostatik werden die Druckverteilung des inkompressiblen Fluids im Schwerefeld und der hydrostatische Auftrieb beschrieben.
Markus Dietz
3. Strömungsmechanische Erhaltungssätze
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden zunächst die beiden verschiedenen Betrachtungsweisen des Strömungsfelds (Euler und Langrange) eingeführt und der Begriff der substantiellen Ableitung erläutert. Ausgehend davon werden die Begriffe Stromlinie, Bahnlinie, Streichlinie und Zeitlinie erläutert. Den Hauptteil des Kapitels nimmt die mathematische Beschreibung der strömungsmechanischen Erhaltungssätze für Masse und Impuls ein. Abschließend wird die Komplettierung der strömungsmechanischen Erhaltungssätze durch den Energiesatz erklärt.
Markus Dietz
4. Grundlagen inkompressibler Strömungen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundlagen inkompressibler Strömungen besprochen. Die Bernoulligleichung wird hergeleitet, ihre Anwendung und ihre Gültigkeitsvoraussetzungen werden diskutiert. Aerodynamische Lasten (speziell Auftrieb und Widerstand) und deren Beiwerte werden eingeführt. Es werden die Grundlagen reibungsbehafteter Strömungen erläutert und der Begriff der Grenzschicht eingeführt. Die strömungsmechanischen Ähnlichkeitszahlen Ma und Re werden vorgestellt und deren Bedeutung erläutert.
Markus Dietz
5. Potentialtheorie und die Entstehung von Auftrieb
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die Grundlagen der Potentialtheorie und die Entstehung von Auftrieb. Strom- und Potentialfunktion werden eingeführt und die Laplacegleichung wird hergeleitet. Anschließend werden die Elementarströmungen und deren Superposition diskutiert. Die Entstehung von Auftrieb wird am Beispiel der zirkulationsbehafteten Kreiszylinderumströmung erläutert und die Gleichung von Kutta-Joukowski hergeleitet.
Markus Dietz
6. Grenzschicht und Strömungsablösung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Grenzschichttheorie besprochen. Im Anschluss an die Klärung einiger grundsätzlicher Begrifflichkeiten werden die laminare und die turbulente Grenzschicht erklärt und einige Berechnungsformeln für die ebene Plattengrenzschicht angegeben. Der Mechanismus des laminar-turbulenten Umschlags wird besprochen, bevor abschließend Ursachen und Folgen der Strömungsablösung erläutert werden. Hierzu wird u.a. das klassische Beispiel der Kugelumströmung herangezogen.
Markus Dietz
7. Aerodynamik der kompressiblen Strömung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel ist den Grundlagen kompressibler Strömungen gewidmet. Der Begriff der Kompressibilität wird definiert und die Schallgeschwindigkeit hergeleitet. Die Gleichungen der isentropen Strömung (Isentropenbeziehungen) werden hergeleitet. Abschließend werden die Lavalzahl und die kritischen Strömungsgrößen eingeführt und deren physikalische Bedeutung analysiert.
Markus Dietz
8. Aerodynamik der Überschallströmung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel enthält die Grundlagen der Überschallströmungen. Zunächst wird der senkrechte Verdichtungsstoß besprochen und die Stoßbeziehungen hergeleitet. Ausgehend vom senkrechten Verdichtungsstoß erfolgt die Erweiterung auf schräge Verdichtungsstöße und die Erläuterung des Stoßwinkeldiagramms. Die Prandtl-Meyer-Expansion der Überschallströmung um konvexe Ecken wird diskutiert und darauf basierend die Grundzüge der linearisierten Behandlung von Überschallströmungen besprochen.
Markus Dietz

Die Aerodynamik von Profilen

Frontmatter
9. Grundlagen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird der Begriff des Tragflügelprofils und die an ein Tragflügelprofil gestellten Anforderungen definiert. Es wird die Nomenklatur zur Beschreibung der Profilgeometrie erläutert und einige wichtige Profilserien werden vorgestellt.
Markus Dietz
10. Profilaerodynamik bei inkompressibler Strömung
Zusammenfassung
In diesem recht umfangreichen Kapitel wird die Aerodynamik von Tragflügelprofilen bei inkompressibler Strömung besprochen. Zunächst wird anhand der Kutta’schen Abflussbedingung erläutert, wie sich am Tragflügelprofil Zirkulation ausbildet. Es folgt die Diskussion der Profildruckverteilung und der verschiedenen Profilpolaren (aufgelöste Auftriebs-, Widerstands- und Momentenpolare, Lilienthalpolare). Verschiedene geometrische und aerodynamische Einflussfaktoren und deren Auswirkung auf die Polaren werden im Einzelnen besprochen. Die Begriffe Druck- und Neutralpunkt werden eingeführt und in Zusammenhang mit der statischen Längsstabilität des isolierten Tragflügelprofils gebracht. Abschließend erfolgt eine kurze Betrachtung zur Berechnung von Tragflügelprofilen.
Markus Dietz
11. Profilaerodynamik bei kompressibler Strömung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Aerodynamik von Profilen auf den kompressiblen Bereich erweitert. Im Zusammenhang mit der kompressiblen Unterschallströmung werden die Ähnlichkeitsregeln nach Göthert und Prandtl-Glauert vorgestellt. Anschließend erfolgt die Betrachtung im Transschall, wobei der Begriff der kritischen Machzahl eingeführt und die Aerodynamik von Tragflügelprofilen bei Überschreiten derselben diskutiert wird. Zum Abschluss des Kapitels werden verschiedene Transsonik-Profiltypen kurz vorgestellt, u.a. das superkritische Profil.
Markus Dietz
12. Profilaerodynamik bei Überschallströmung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Aerodynamik von Profilen bei Überschallanströmung besprochen. Die Prandtl-Glauert-Regel wird zur Prandtl-Glauert-Ackeret’schen Regel erweitert. Anschließend wird die Profiltheorie im Überschall vorgestellt und die Berechnungsformeln für Auftrieb, Nickmoment und Wellenwiderstand hergeleitet. Basierend auf diesen Ergebnissen wird besprochen, wie ein Überschall-Tragflügelprofil gestaltet werden sollte.
Markus Dietz

Die Aerodynamik des Tragflügels

Frontmatter
13. Grundlagen
Zusammenfassung
In diesem Grundlagenkapitel wird der Begriff des Tragflügels eingeführt und die zugehörige Nomenklatur zur geometrischen Beschreibung desselben definiert. Rein aus der Tragflügelgeometrie zu ermittelnde Bezugsgrößen wie der geometrische Neutralpunkt des Tragflügels und die Bezugsflügeltiefe werden hergeleitet und die zugehörigen Berechnungsformeln für verschiedene Flügelgeometrien präsentiert.
Markus Dietz
14. Tragflügelaerodynamik bei inkompressibler Strömung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Aerodynamik des Tragflügels bei inkompressibler Umströmung. Zunächst wird phänomenologisch die Entstehung des induzierten Widerstands geschildert und dessen Zustandekommen anhand der Anströmverhältnisse am Profilschnitt aufgezeigt. Die Einführung des Begriffs der Wirbellinie ist Voraussetzung für die nachfolgend in ihren Grundzügen beschriebene Prandtl’sche Traglinientheorie. Erkenntnisse aus der Prandtl’schen Traglinientheorie (z.B. elliptische Zirkulationsverteilung, elliptischer Flügelgrundriss) werden besprochen, und die Eigenschaften verschiedener Tragflügelgeometrien in Bezug auf induzierten Widerstand und Flugeigenschaften analysiert. Es folgt eine kurze Beschreibung der erweiterten Traglinientheorie, wobei insbesondere deren Resultate für die Aerodynamik des Pfeilflügels besprochen werden. Das Kapitel schließt mit einer kurzen Vorstellung des Wirbelleiterverfahrens und Erklärungen zur besonderen Aerodynamik von Tragflügeln geringer Streckung.
Markus Dietz
15. Tragflügelaerodynamik bei kompressibler Strömung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel ist der kompressiblen Unter- und Transschallumströmung von Tragflügeln gewidmet. Vorgestellt wird die Erweiterung der Prandtl-Glauert-Ackeret’schen Regel auf den dreidimensionalen Fall und die auf dieser Basis zu ermittelnde Neutralpunktwanderung verschiedener Tragflügelgeometrien infolge Kompressibilität. In Bezug auf die Umströmung des Tragflügels im hohen Unter- bzw. Transschall wird die Aerodynamik des Pfeilflügels unendlicher Streckung vergleichsweise ausführlich besprochen (Auswirkung der Flügelpfeilung auf die kritische Machzahl und den Luftwiderstand des Tragflügels). Das Kapitel schließt mit einigen Informationen zum Pfeilflügel endlicher Streckung.
Markus Dietz
16. Tragflügelaerodynamik bei Überschallströmung
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Aerodynamik von Tragflügeln im Überschall. Nach der Definition einiger grundlegender Begriffe (u.a. Unter- und Überschallvorderkante) und der Erweiterung der Prandtl-Glauert-Ackeret’schen Regel in den Überschallbereich wird die Theorie kegelsymmetrischer Strömungen in ihren Grundzügen erklärt. Es folgt die Diskussion der Aerodynamik des Pfeilflügels unendlicher Streckung im Überschall. Anschließend wird die Aerodynamik des Rechteck- und Deltaflügels im Überschall besprochen, wobei jeweils Auftrieb, Wellenwiderstand und Neutralpunktwanderung adressiert werden.
Markus Dietz
17. Nichtlineare Aerodynamik des Delta- und Strakeflügels
Zusammenfassung
Die Aerodynamik des Delta- und Strakeflügels weist einige Besonderheiten auf, die durch die Ausbildung von Wirbeln bedingt sind. Dieses Kapitel beschreibt die nichtlineare Aerodynamik des Delta- bzw. Strakeflügels und die Vorgänge beim Strömungsabriss an derartigen Tragflügeln, welcher durch das Aufplatzen der Wirbel bedingt ist.
Markus Dietz

Flugmechanik, Flugleistung und Einsatzgrenzen

Frontmatter
18. Grundlagen der Flugmechanik
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die für den Aerodynamiker wichtigsten flugmechanischen Grundlagen zusammengefasst. U.a. werden die relevanten Koordinatensysteme der Flugmechanik und die Steuerorgane des Flugzeugs beschrieben. Ein separater Abschnitt ist der Beschreibung der Erdatmosphäre gewidmet. In diesem Abschnitt werden die atmosphärische Schichtung sowie Standardatmosphäre erläutert und die zugehörigen Gleichungen angegeben. Die Begriffe Druck- und Dichtehöhe werden definiert und auch einige fliegerische Aspekte werden angesprochen, wie z.B. die QNH-Einstellung des Höhenmessers. Der letzte Abschnitt beschäftigt sich mit dem Thema Fluggeschwindigkeiten (Airspeeds), deren Ermittlung und Umrechnung. Dabei werden sowohl die inkompressiblen als auch die kompressiblen Umrechnungsformeln zwischen IAS, CAS, TAS und EAS hergeleitet.
Markus Dietz
19. Längs- und Seitenbewegung des Flugzeugs
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Längs- und Seitenbewegung des Flugzeugs. Nach einigen grundlegenden Erörterungen zu statischer und dynamischer Stabilität wird zunächst die Längsbewegung des Flugzeugs diskutiert. Die Eigenformen der Längsbewegung werden vorgestellt und die Voraussetzungen für statische Stabilität (relative Lage von Schwerpunkt und Neutralpunkt) rechnerisch dargelegt. Nachfolgend wird besprochen, wie die Längsbewegung ausgetrimmt wird, und die Stabilitäts- und Steuerbarkeitsgrenzen des Flugzeugs werden erörtert. Für die Seitenbewegung des Flugzeugs erfolgt lediglich eine phänomenologische Betrachtung. Die Eigenformen der Seitenbewegung werden besprochen und die Derivativa der Seitenbewegung analysiert.
Markus Dietz
20. Flugleistungen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Flugleistungsrechnung besprochen. Zunächst wird eine geeignete mathematische Darstellung der Widerstandspolare des Flugzeugs als Grundlage für die nachfolgenden Betrachtungen angegeben. Anschließend erfolgt die Charakterisierung des Antriebs, wobei zwischen Propeller- und Strahlantrieb unterschieden wird. Auf Basis der getroffenen Annahmen werden die folgenden Punktleistungen des Flugzeugs jeweils getrennt für Propeller- und Strahlantrieb analysiert: Horizontalflug, Steigflug, Reichweitenflug und Flugdauer. Zusätzlich wird der antriebslose Gleitflug besprochen, wobei in diesem Zusammenhang auch die Geschwindigkeitspolare des Flugzeugs eingeführt und erläutert wird.
Markus Dietz
21. Flugbereichsgrenzen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Flugbereichsgrenzen des Flugzeugs besprochen. Der Begriff des Lastvielfachen wird eingeführt und anhand von Beispielen erläutert. Anschließend wird der Kurvenflug des Flugzeugs diskutiert, wobei das maximale Lastvielfache unter Berücksichtigung von Auftriebs- und Leistungslimit ermittelt wird. Das V-N-Diagramm wird eingeführt und der Begriff Manövergeschwindigkeit erklärt. Die aerodynamischen Einsatzgrenzen (Stall, Deep Stall, Buffet, Mach-tuck) und die aeroelastischen Einsatzgrenzen des Flugzeugs (statisches Auskippen, Ruderumkehr, Buffeting, Flattern) werden in kompakter Form beschrieben.
Markus Dietz

Aerodynamische Auslegung des Flugzeugs

Frontmatter
22. Einführung in den Flugzeugentwurf
Zusammenfassung
In diesem Kapitel erfolgt eine kurze Einführung in den Flugzeugentwurf. Das Kapitel beginnt mit einem kurzen Überblick über die Klassifizierung von Flugzeugen und über verschiedene Flugzeugkonfigurationen. Anschließend werden die verschiedenen Phasen des Entwurfsprozesses geschildert. Die Konzeptentwurfsphase wird genauer beschrieben und in diesem Zusammenhang die wesentlichen Performance-Parameter inklusive deren Abschätzung und das sog. Constraint Diagramm diskutiert. Im letzten Abschnitt zum Vorentwurf erfolgt ein kurzer Überblick über CFD-Rechenverfahren und den Windkanalversuch, wobei das Thema Modellähnlichkeit im Windkanal genauer beleuchtet wird.
Markus Dietz
23. Auslegung des Tragflügels
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschäftigt mit der aerodynamischen Auslegung des Tragflügels. Die Anforderungen an den Tragflügel werden definiert und verschiedene Tragflügelkonfigurationen vorgestellt. Anschließend erfolgt eine Diskussion der wesentlichen Auslegungsparameter, wobei neben aerodynamischen Aspekten auch Schnittstellen zu anderen Disziplinen berücksichtigt werden, so z.B. Flugmechanik und Strukturfestigkeit. Die folgenden Auslegungsparameter werden abgehandelt: Flügelpositionierung, Flügelstreckung, Flügelpfeilung, Zuspitzung, Flügelschränkung, V-Stellung, Einbauwinkel, Profilauswahl, Gestaltung der Flügelspitze (Winglets) und Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung. Häufig wird darauf auf das in den vorangehenden Teilen des Buchs erworbene Wissen zurückgegriffen und dieses referenziert.
Markus Dietz
24. Aerodynamik des Hochauftriebssystems
Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschäftigt mit der Aerodynamik des Hochauftriebs. Die Notwendigkeit zur Erzeugung von Hochauftrieb wird dargelegt und Möglichkeiten zur Hochauftriebserzeugung beschrieben. Die Funktionsweise von Landeklappensystemen und die verschiedenen Möglichkeiten der konstruktiven Umsetzung werden erläutert. Verschiedene Hinterkanten- und Vorderkantenklappentypen werden beschrieben, insbesondere auch die bei Verkehrsflugzeugen eingesetzte Fowlerklappe und ihre Integration in den Tragflügel.
Markus Dietz
25. Leitwerksaerodynamik
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird das Thema Leitwerksaerodynamik behandelt. Die Aufgaben der Leitwerke werden besprochen und die verschiedenen Leitwerkskonfigurationen inklusive ihrer Vor- und Nachteile vorgestellt. Anschließend folgen einige Informationen zum Aufbau der Leitwerke, bevor abschließend Auslegungsrichtlinien für das Höhenleitwerk und das Seitenleitwerk angegeben werden.
Markus Dietz
26. Aerodynamik des Gesamtflugzeugs
Zusammenfassung
Im letzten Kapitel des Buchs werden einige Aspekte der Gesamtflugzeug-Aerodynamik angesprochen. Die verschiedenen Beiträge zum Gesamtwiderstand des Flugzeugs werden beschrieben und analysiert. In diesem Zusammenhang wir auch die Flächenregel (Area Rule) im Trans- und Überschall erläutert. Die letzten beiden Abschnitte sind spezifischen Auslegungsaspekten von Verkehrsflugzeugen und Kampfflugzeugen gewidmet. Hier werden jeweils die gängigen Konfigurationen beschrieben, sowie nochmals Bezug die Auslegung des jeweiligen Tragflügels genommen.
Markus Dietz
Backmatter
Metadaten
Titel
Aerodynamik des Fliegens
verfasst von
Markus Dietz
Copyright-Jahr
2024
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-68234-0
Print ISBN
978-3-662-68233-3
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-68234-0

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.