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Warum baut man Flugzeuge abschüssig?


Gyps_ruepelli

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Hallo in die Runde,

 

Fiel mir gerade beim Betrachten eines Photos einer CRJ900 auf: Warum baut man Flugzeuge eigentlich so, dass sie vorn meist tiefer liegen als hinten? Bei der CRJ900 ist dieser Effekt besonders gut zu sehen, aber ich weiß, dass er auch bei anderen Fliegern existiert. Wenn ich mich recht entsinne, war diese Bauweise doch ein Problem beim Bau der A330-200F und man hat deswegen diesen "Tropfen" unter den Rumpf gesetzt, damit er "gerade steht". Ich gehe mal davon aus, dass Konstrukteure um dieses Problem wissen und nicht einfach geschlampt haben. Deswegen gehe ich mal davon aus, dass die abschüssige Bauweise irgendeinen Vorteil haben muss. Ich frage mich nur, welchen.

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Bei der CRJ afaik, weil die keine Slats haben.

 

Die langen CRJ haben doch Auftriebshilfen an den Vorderkanten ihrer Tragflächen.

 

Es wird sicherlich viele Gründe haben: Vielleicht wird durch Abschüssigkeit weiterhin der Abstand der vorderen Tür zum Boden gewährleistet und es könnte sogar die behördliche Auflage umgangen werden, dass Notrutschen installiert sein müssten. Bei der CRJ würde es zum Beispiel die vordere rechte Tür betreffen, die ja im Notfall auch als Fluchtweg dient und keine Notrutsche aufweist. Bei Bedarf soll man raushopsen.

 

Auch kann durch einen höheren Abstand des Hecks mehr Bodenfreiheit beim Start- und Landevorgang erzielt werden?

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Bei Sep/Set Fliegern ist das Bugrad länger, um den Propeller zu entlasten, ist bei Turbinen Fliegern so in der Form nicht nötig, dann kann man das Bugrad kleiner machen, spart Platz und Gewicht. Aber ob das der alleinige Grund ist, wage ich zu bezweifeln

Sep = Single Engine Piston

Set = Single Engine Turbine

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http://www.airliners.net/aviation-forums/tech_ops/read.main/94367/

 

Noch einmal hier. Mit der Nase runter vorne wird der Flügel vorne leicht pitch down abgesenkt, um dem Fehlen der Slats entgegen zu wirken. So entsteht - mit den Flaps zusammen - das gewünscht "gewölbte" Flügelprofil für den maximalen Auftrieb bei Start und Landung (wo Pitch down für das Absenken sorgt). Die fehlenden Slats sollen Wartungskosten senken und in kalten Gegenden ein Einfrieren dieser umgehen.

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Die Maschinen sind so balanciert, dass die Kabine im Reiseflug möglichst waagerecht verläuft. Dieser "heads up pitch" wäre am Boden meist gar nicht machbar.

Die Maschine hat im Flug einen positiven Anstellwinkel, am Boden aber einen negtiven. Die Kabine müsste dann doch quasi nach vorne weg kippen.

 

Beim A330 meine ich gelesen zu haben, dass man vorne nicht so viel Bodenfreiheit braucht wie an den Triebwerken. Man kann also Gewicht, Material und Technik sparen wenn das Bugfahrwerk kürzer ist. Außerdem verbessert sich die Sicht der Piloten, da der tote Winkel kleiner wird.

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http://www.airliners.net/aviation-forums/tech_ops/read.main/94367/

 

Noch einmal hier. Mit der Nase runter vorne wird der Flügel vorne leicht pitch down abgesenkt, um dem Fehlen der Slats entgegen zu wirken. So entsteht - mit den Flaps zusammen - das gewünscht "gewölbte" Flügelprofil für den maximalen Auftrieb bei Start und Landung (wo Pitch down für das Absenken sorgt). Die fehlenden Slats sollen Wartungskosten senken und in kalten Gegenden ein Einfrieren dieser umgehen.

Dein Link beschreibt aber einen ganz anderen Fall als gefragt, nämlich die Pitch Attitude im Anflug. Kollege Gyps_ruepelli bezog sich hingegen eindeutig auf die Situation des am Boden stehenden Flugzeugs! Hat mit AOA und Flügelwölbung absolut nichts zu tun, sondern ausschliesslich mit der Länge des Bugfahrwerks.

 

Könnte bestenfalls in die Richtung gehen, dass damit, so lange alle drei Fahrwerke am Boden sind, der AOA und damit der Auftrieb reduziert wird, z.B. um die Spurtreue auf der Piste bei hohen Geschwindigkeiten zu verbessern. Aber sobald das Bugfahrwerk in der Luft ist, hat das eine mit dem anderen überhaupt keinen Zusammenhang mehr.

 

Im Übrigen stehen gerade die CRJ-100/200 (also die ohne Slats) am Boden wesentlich horizontaler, als die mit Slats ausgerüsteten Serien 700/900/1000.

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Herrgott.... so lange alle drei Fahrwerke noch Bodenkontakt haben, interessiert es aerodynamisch kein Schwein, wie tief die Nase überm Boden sitzt. Es gibt eh noch keinen Auftrieb, oder jedenfalls nicht genug zum fliegen! Und so bald du Auftrieb brauchst und am Knüppel ziehst, ist die Nase weit in der Luft und das Bugfahrwerk weg vom Boden. Seine Länge interessiert dann einen Dreck.

 

Und wie gesagt, deine Theorie ist nicht anwendbar: A330, E-90/95, CR7/CR9/CRK (typische 'Nasen-low-rider') haben allesammt Slats. Avros, CR1/CR2, F100 und alle mir bekannten Turboprops hingegen (alles Maschinen ohne Slats) stehen verdammt eben am Boden...

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Ich habe noch eine: Das Bugfahrwerk ist vorn abgesenkt, damit die Maschine immer bergab rollt. Das spart beim Start viel Kerosin. :D

Das ist die Erklärung!  ;)

 

Über die CRJ habe ich noch nicht nachgedacht, aber bei der A330/A340 kam der "Geburtsfehler" so zu Stande:

 

Die 330/340er nutzten ja denselben Bug wie die 300/310er, und auch der Bugfahrwerkschacht hatte die selbe Länge. Die A330/A340 aber haben neuen Flügel, eine neue Flügelmittelsektion und einen längeren Rumpf, und damit ein völlig anderes, längeres Hauptfahrwerk. Ergebnis: Vorne gleich hoch, hinten höher, Flugzeug hat am Boden Gefälle.

 

Und dann gibt es ja noch die andere Airbus-Spezialität bei A300/310/330/340: Der Kabinenboden steigt hinten an, um den zum Heck hin sich verkleinernden Rumpfquerschnitt optimal auszunutzen... Bei A330/A340 geht es in der Kabine also sozusagen doppelt bergauf.

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Genau. Fahrwerke sind unglaublich schwer, bedeuten etwa 4% des MTOW. Und dann ist es so, dass das Gewicht von Bauteilen bei mit der Größe exponentiell ansteigt, um auf die gleiche Belastbarkeit zu kommen. (Etwas doofes Beispiel, weil hier gerade eine herumschwirrt: Würde man eine Fliege maßstabsgetreu 100x größer nachbauen, wäre das Tier bei weitem nicht so robust wie in Originalgröße)

Ein weiterer Punkt ist natürlich die Gleichteilestrategie. Die A330/A340 hat von der A300 Rumpfstruktur inkl. Bug und Heck samt Seitenleitwerk (weitgehend) übernommen. Muss man den Bugfahrwerksschacht überarbeiten, bedeutet das einen ziemlich großen strukturellen Eingriff und ggf. erhebliche Auswirkungen auf das Packaging (siehe A350/A380, die Nasenformen der beiden werden durch die Positionierung des Bugfahrwerks maßgeblich geprägt). Deswegen hat die A332F den Hubbel unter der Nase, den die 737 MAX auch beinahe bekommen hätte, bis man eine andere Lösung gefunden hat, das längere Fahrwerk unterzubringen.

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Das kommt daher, weil man innerhalb der Flugzeugbaureihen die Rümpfe immer weiter verlängert. Man benötigt bei den verlängerten Versionen höhere Hauptfahrwerke damit beim Rotieren die Gefahr des Tailstrikes reduziert wird. Das Bugfahrwerk wird weniger stark verändert um den Entwicklungsaufwand in Grenzen zu halten und das Gewicht zu minimieren.

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Das kommt daher, weil man innerhalb der Flugzeugbaureihen die Rümpfe immer weiter verlängert. Man benötigt bei den verlängerten Versionen höhere Hauptfahrwerke damit beim Rotieren die Gefahr des Tailstrikes reduziert wird. Das Bugfahrwerk wird weniger stark verändert um den Entwicklungsaufwand in Grenzen zu halten und das Gewicht zu minimieren.

 

Das stelle ich mal etwas in Frage. Es gibt immerhin da eine oder andere Modell, was einen Bumper im Heck hat um eine Tailstrike ohne Beschädigung ausgehen zu lassen. Oder die A321, bei der meines Wissens der maximale Anstellwinkel beim Start elektronisch begrenzt wird. Außerdem: Wie macht das ne B739? Deren Fahrwerk ist kürzer als das eines A321, bei ähnlicher Länge. Bei deiner Logik müßte die ja längere Hauptfahrwerksbeine bekommen und deutlich schräg dastehen...

 

Ohne die jeweilige Entwicklungsgeschichte zu kennen, kann man auch nicht zwischen

"Mist, wir müssen das Hauptfahrwerk aus Grund XXX länger machen"

und

"wir können das Bugfahrwerk kürzer machen"

diversifizieren. Somit ist alleine schon die Annahme, die Hauptfahrwerke würden immer länger werden, reine Spekulation.

 

Man könnte das Argument mit dem Tailstrike vielleicht für ne DH8-400 gelten lassen, aber auch bei der ist dann die Frage: Warum wird das Bugfahrwerk nicht auch länger gemacht, so dass die Kiste am Boden waagerecht steht?

Meine Favouriten für die Erklärung sind Gewicht oder Größe, wie Coronado auch schon beides erwähnt hat. Außerdem interessiert es die selbstladende Fracht normalerweise keinen Dreck ob der Boden waagerecht ist. Zumindest ich hab von den paar cm Höhenunterschied noch keinen Muskelkater bekommen. Also warum soll man sich den Stress machen...

 

Dazu kommen vielleicht noch positive Beeinflussungen von Widerstand (insbesondere beim Start) und Geräuschentwicklung. Aber ob das für den Hauptgrund gewichtig genug ist? Da hab ich meine Zweifel...

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Das Thema hat mich auch gerade mal interessiert und ich hab mal ein wenig von einer alten Bekannten, die bei Airbus arbeitet, recherchieren lassen, mit folgenden Antworten - in der Praxis / Konstrukltion werden offensichtlich diese Parameter in der Summe optimiert:

 

1) Kosten: Je grösser desto schwerer. D.h. "weniger" ist mehr, kleineres Fahrwerk, günstiger in der Fertigung/Produktion und damit im Verkauf

2) Effizienz: weniger Transportgewicht und damit weniger Treibstoffverbrauch im Reiseflug, weniger Teile > geringere Ersatzteilkosten

3) Statik und entsprechende Sicherheitsreserven (damit verbunden wieder Punkt 1 und 2)

4) Freiheitsräume um die Kippachsen zwecks Vermeidung von Tailstrikes oder Schäden an Triebwerken o.ä. wenn das Flugzeug z.B. seitlich über den Flügel kippt soll das Triebwerk nicht auf den Boden schleifen (daher z.B. bei B737 auch die "hochgezogenen" ovalen Triebwerkseinlässe)

5) resultierend aus 1-4 wiederum der Platzbedarf

6) und ein nicht unwichtiger Faktor: Schwerpunktverschiebung: Je nachdem in welchem Verhältniß der Masseschwerpunkt zum Auftriebsschwerpunkt liegt kann es

 - Var. A ) bei MTOW und naheliegenden Schwerpunkten kanns es durch Beschleunigung auf der Startbahn zu einer Beschleunigungs-Schwerpunktsverschiebung nach hinten kommen, die vielleicht nicht unbedingt zum frühzeitigen Kippen des Flugzeuges aber zu mangelnder Haftung auf dem Bugrad und damit Kontrollverlust führt. Dies kann man entgegenwirken, indem man die ganze Kippachse von vornerherein nach "vorne lehnt" (ähnlich dem nach vorne lehnen bei einem Motorradfahrer, damit das "Vorderrad" nicht hochkommt)

https://drive.google.com/open?id=0BzN7lml3vaCcbm9jWktqb2o3SUU

 

 - Var. B )  Bei ungünstiger Schwerpunkt/Auftriebspunktkombination könnte es sogar bei zu schnellen Kurven ein Kippen über die seitliche Dreickeckslinie (Flügelspitze / Bugrad) kommen

https://drive.google.com/open?id=0BzN7lml3vaCcem1kVFE0MWpCejA

 

Anmerkung zu 6) letzlich muss das Gewicht des Fahrwerkes übrigens auch bei der Schwerpunktsberechnung mit einbezogen werden, ein noch vorne einklappendes verändert den Schwerpunkt nach vorne und umgekehrt, was wiederum die Pitcheinstellung und damit den Verbrauch betrifft.

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