Tragwerk
Tragwerk
Der Tragflügel dient zur Erzeugung des Auftriebs. Er hat aber nicht nur den Auftrieb und den Widerstand, sondern auch die Kräfte der im oder am Flügel angebrachten Bauteile wie Triebwerk, Fahrwerk, Kraftstoffbehälter mit Inhalt sowie die Kräfte aus der Eigenmasse des Flügels aufzunehmen. Die Kräfte wirken dem Auftrieb entgegen und entlasten den Flügel im Fluge, nicht dagegen bei beschleunigten oder verzögerten Bewegungen. Aus den Belastungen ergeben sich für den Tragflügel als Hauptbeanspruchungen Querkräfte, Biegemomente und Torsionsmomente. Alle genannten Kräfte und Momente müssen am Flügelanschluss in den Rumpf eingeleitet werden. Beim Holmflügel nehmen die Holmanschlüsse Querkraft, Torsion und Biegung auf. Beim Schalenflügel wird die Querkraft am Vorder- und Hintersteg durch Pass-Schrauben auf den Rumpf übertragen, die anderen Kräfte indes direkt von der Schale.
Festigkeitsverband Tragwerk
Längsverband: - Holme, Hilfsholme, Stringer Querverband: - Rippen, Hilfsrippen Behäutung: - Bespannung, Beplankung
Bauweisen des Tragwerks
Fachwerkbauweise
Bis Anfang der dreißiger Jahre dominierte in der Tragflügel- und Rumpfkonstruktion die Fachwerkbauweise, bei der ein Fachwerkverband sämtliche Kräfte aufnimmt. Die umhüllende Beplankung aus Sperrholz oder Bespannung aus Stoff dienten nur der äußeren Formgebung und der Weiterleitung der örtlichen Luftkräfte. Rippen dienen der Formgebung des Tragflügels.
(links)
1 Rohrholm
2 Kastenholm
(unten)
3 Drahtverspannung
4 Fachwerkrippe
Holm- oder Gurtbauweise
Diese Bauweise wurde aufgrund von höheren Fluggeschwindigkeiten und den damit höheren Belastungen erforderlich. Die Konstruktion aus Holmen und Rippen wird mit einem Hautblech umkleidet, das Aufgenietete Profile (Stringer) verstärken. Dadurch kann die Haut zusätzlich zu den Holmen Längskräfte aufnehmen. Aus Vorder- und Hinterholmen und der Haut entsteht ein Torsionskasten. Hohlträger dieser Art haben eine besonders hohe Festigkeit. Der Raum zwischen den beiden Holmen kann für Kraftstofftanks genutzt werden. Diese Bauweise wird bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 800 km/h verwendet.
1 Gurt
2 Rippe
3 Stringer (Hautversteifung)
4 Beplankung (Haut)
5 Steg
Schalenbauweise
Die Schalenbauweise wird ab einer Geschwindigkeit von etwa 800 km/h verwendet. Bei der Schalenbauweise werden die Querkräfte am Vorder- und Hintersteg auf den Rumpf übertragen. Es werden noch dickere und noch mehr versteifte Hautbleche verwendet, die alle Beanspruchungen aus Biegung und Torsion, also auch die Längskräfte, voll aufzunehmen vermögen. Wegen der hohen Geschwindigkeiten und der aerodynamischen Anforderungen darf die Beplankung keine Falten aufwerfen. Diese Tragflächen werden aus Hautblechen und Verstärkungsprofilen genietet. Diese Integralschalen werden aus großen, dicken Platten gefräst, aus Strangpressprofilen gebogen oder aus Verbundplatten hergestellt.
Tragflügel in Schalenbauweise und Herstellung einer Schale aus einem Stangenpreßprofil
Integralbauweise
Mit zunehmender Flächenbelastung setzte sich im modernen Flugzeugbau immer mehr die Integralbauweise durch. Bei der Integralbauweise bestehen die Ober- und Unterschale der Beplankung aus einem Stück. Die Herstellung dieser Integralschalen ist sehr Kostspielig, weil teure Werkzeugmaschinen benötigt werden. Die Schalen werden gefräst oder auf chemischem Wege durch Ätzen hergestellt. Der große Vorteil dieser Bauweise ist die Einhaltung genauer Form und Maßhaltigkeit, Wegfall von Verbindungselementen (keine Nieten / Schraubenlöcher), bei Benutzung als Integral-Kraftstoffbehälter (geringe Abdichtungsprobleme). Gute Aufnahme der Biege- und Torsionskräfte.
Sandwichbauweise:
Die Wabenkonstruktion ist aus Metall- oder Kunststoff-Folie hergestellt und füllt den Raum zwischen Ober- und Unterbeplankung aus. Eine Formgebung durch Rippen kann entfallen (z.B. Flügelnasen, Steuerflächen). Bei der Fertigung eines Bauelementes wird eine Wabenplatte (honeycomb) entsprechend der gewünschten Form zugeschnitten und an beiden Seiten mit einem Beplankungsblech verklebt. Das Verkleben erfolg durch Vakuum- oder Pressformkleben im Trockenofen hergestellt.
Wellblechkern
Balsaholzkern mit Aussparungen
Schaumstoffkern
Wabenkern
Schränkung des Tragwerks:
Für den Auftrieb eines Tragflügels sind u.a. der Einstellwinkel, der Anstellwinkel und die Profilform (Wölbung) maßgebend. Um die Auftriebskräfte günstig auf die Tragflügellänge zu verteilen und um bei verschiedenen Flugsituationen einen optimalen Auftrieb zu behalten, werden vom Rumpf aus nach außen hin die Einstellwinkel und / oder die Profilform verändert. Beide Arten der Schränkung werden kaum für sich alleine angewandt sondern fast immer miteinander kombiniert.
geometrische Schränkung
die Profilform bleibt über die gesamte Spannweite erhalten; während der Einstellwinkel von der Tragflügelwurzel nach den Tragflügelenden kleiner wird
aerodynamische Schränkung
Veränderung der Profilform; d.h. gewölbte Profile an der Tragflügelwurzel die nach außen zu immer flacher bzw. symmetrischer werden
Auftriebsbeeinflussende Systeme
Die Start- und Landehilfen der Tragflächen erhöhen zwar den Auftrieb, aber auch den Widerstand des Flugzeugs. Eine Erhöhung des Auftriebs ist beim Start unerlässlich, um die Abhebegeschwindigkeit und die Startstrecke zu verkleinern. Eine Auftriebserhöhung ist ebenso bei der Landung notwendig, um die Landegeschwindigkeit und die Ausrollstrecke zu verringern.
Eine Erhöhung des Auftriebs der Tragfläche bei unverminderter Fluggeschwindigkeit kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Man kann z.B. für Start und Landung die Flügelfläche vergrößern, den Anstellwinkel erhöhen (Strömung reist ab - Auftrieb bricht zusammen), die Flügelwölbung verändern und damit bei unverändertem Anstellwinkel den Auftriebsbeiwert steigern.
Das Verfahren der Vergrößerung der Flügelfläche wird sehr selten angewandt, da es konstruktiv sehr schwer zu realisieren ist. Das zweite Verfahren mit der Vergrößerung des Anstellwinkels ist wenig wirksam, da man das Flugzeug mit einem hohem Fahrwerk ausstatten müsste. Die Erhöhung der Flügelwölbung wird am häufigsten angewendet und soll hier nachstehend näher beschrieben werden.
Konstruktiv werden die mechanischen Systeme der Start- und Landehilfen so ausgeführt, dass sie im eingefahrenen Zustand (im normalen Reiseflug) einen möglichst geringen Zusatzwiderstand erzeugen.
Wölbungsklappe:
sie ist so an den Flügel angeschlossen, dass fast keine Luft zwischen Klappe und Flügel hindurchströmen kann
Wölbungsspaltklappe (Spaltklappe):
durch den düsenförmigen Spalt zwischen Klappe und Flügel wird die Luft beschleunigt und leitet somit der Strömung an der Klappenoberseite Energie zu
Spreizklappe:
ist als drehbarer Teil der Tragflügelunterseite ausgebildet, Klappenausschlag erhöht die Wölbung, zusätzlich entsteht hinter der Klappe ein Unterdruck der die Ablösung der Strömung an der Profiloberseite verhindert und dadurch nochmals den Auftrieb erhöht
Fowlerklappe (Fowlerklappensystem):
es wird die Wölbung und die Flügeltiefe verändert, Fowlerklappen fahren zuerst nach hinten und anschließend nach unten aus, auch die Fowlerklappe besitzt düsenförmige Spalte
Vorflügel:
beim ausfahren der Landeklappen wird durch die Verorientierung der Luftströmung die Strömung vor dem Flügel abgelenkt, der beim ausfahren der Vorflügel entstehende Düsenartige Spalt nimmt dies Strömung auf und leitet sie beschleunigt auf die Tragflügeloberseite
Speed Brakes (Ground Spoiler):
verringern der Fluggeschwindigkeit, erhöht die Sinkgeschwindigkeit, verkürzt die Ausrollstrecke nach der Landung
Störklappen (Flight Spoiler):
im Gegensatz zu den Speed Brakes werden Störklappen unsymmetrisch betätigt, die Steuerung erfolgt in Verbindung mit der Querruderanlage, es werden die Klappen ausgefahren die auf die Drehachse bezogen innen liegt, am Boden können Störklappen symmetrisch gefahren werden und als Bremsklappen genutzt werden
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