Aerodynamik des Fliegens (eBook)

Von den Grundlagen bis zur Flugzeugauslegung

Markus Dietz (Autor)

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2024 | 1. Auflage
XXX, 807 Seiten
Springer Vieweg (Verlag)
978-3-662-68234-0 (ISBN)

Infos

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.

Prof. Dr. Markus Dietz, Jahrgang 1978, ist seit Juni 2016 Inhaber der Professur für Aerodynamik und Thermodynamik and der Universität der Bundeswehr München. Er hält Vorlesungen in den Bereichen Thermodynamik und Aerodynamik mit speziellem Fokus auf Luftfahrzeuge und betreibt anwendungsorientierte Forschung im Bereich Luftfahrzeugaerodynamik.

Inhalt

Vorwort 7
Abkürzungsverzeichnis 10
Inhaltsverzeichnis 20
Teil I Grundlagen der Strömungsmechanik 30
1 Physikalische Eigenschaften von Fluiden 31
1.1 Der Begriff des Fluids 31
1.2 Kontinuumsströmung 32
1.3 Reibungsbehaftete Fluide und Viskosität 33
1.4 Luft 35
Übungsaufgaben 36
2 Hydro- und Aerostatik 37
2.1 Druck 37
2.2 Hydrostatische Druckverteilung 40
2.3 Hydrostatischer Auftrieb 44
Übungsaufgaben 45
3 Strömungsmechanische Erhaltungssätze 48
3.1 Die Beschreibung der Strömung 48
3.2 Kontinuitätsgleichung 54
3.3 Impulsgleichung 59
3.4 Energiegleichung 66
Übungsaufgaben 67
4 Grundlagen inkompressibler Strömungen 69
4.1 Gleichung von Bernoulli 69
4.2 Reibungseinfluss 80
4.3 Aerodynamische Lasten 82
4.4 Ähnlichkeitszahlen der Strömungsmechanik 87
Übungsaufgaben 92
5 Potentialtheorie und die Entstehung von Auftrieb 93
5.1 Grundlagen 94
5.2 Laplace-Gleichung 102
5.3 Elementarströmungen 107
5.4 Überlagerung von Elementarströmungen 113
5.5 Die Entstehung von Auftrieb 116
5.6 Singularitätenmethode 126
Übungsaufgaben 129
6 Grenzschicht und Strömungsablösung 131
6.1 Grundlagen 131
6.2 Grenzschicht 133
6.3 Transition und Instabilitätsmechanismen 143
6.4 Strömungsablösung 147
Übungsaufgaben 154
7 Aerodynamik der kompressiblen Strömung 156
7.1 Geschwindigkeitsbereiche 157
7.2 Kompressibilität 158
7.3 Schallgeschwindigkeit 160
7.4 Schallausbreitung und Mach'scher Winkel 164
7.5 Die isentrope Strömung 166
7.6 Kritische Größen und Lavalzahl 173
7.7 Druckbeiwert 176
Übungsaufgaben 177
8 Aerodynamik der Überschallströmung 179
8.1 Einleitung 179
8.2 Der senkrechte Verdichtungsstoß 180
8.3 Schräge Verdichtungsstöße 187
8.4 Expansions- und Kompressionswellen 195
8.5 Stoß-Expansions-Theorie 202
8.6 Linearisierte Behandlung 205
Übungsaufgaben 210
Teil II Die Aerodynamik von Profilen 213
9 Grundlagen 214
9.1 Der Begriff des Tragflügelprofils 214
9.2 Profilgeometrie und Nomenklatur 215
9.3 Bedeutende Profilserien 217
10 Profilaerodynamik bei inkompressibler Strömung 222
10.1 Kutta'sche Abflussbedingung und Anfahrwirbel 222
10.2 Kräfte, Momente und Beiwerte 226
10.3 Druckverteilung 228
10.4 Druckpunkt und Neutralpunkt 231
10.5 Profilpolare 236
10.6 Maximalauftrieb und Strömungsablösung 245
10.7 Geometrische und aerodynamische Einflussgrößen 247
10.8 Statische Längsstabilität 257
10.9 Profilberechnung 262
Übungsaufgaben 270
11 Profilaerodynamik bei kompressibler Strömung 272
11.1 Profilaerodynamik bei kompressibler Unterschallströmung 272
11.2 Profilaerodynamik bei Transschallströmung 282
Übungsaufgaben 296
12 Profilaerodynamik bei Überschallströmung 297
12.1 Einleitung 297
12.2 Linearisierte Potentialgleichung 298
12.3 Die Prandtl-Glauert-Ackeret'sche Regel 300
12.4 Profiltheorie im Überschall 304
Übungsaufgaben 318
Teil III Die Aerodynamik des Tragflügels 319
13 Grundlagen 320
13.1 Vom Profil zum Tragflügel 320
13.2 Tragflügelgeometrie und Nomenklatur 321
13.3 Geometrischer Neutralpunkt und Bezugsflügeltiefe 325
Übungsaufgaben 333
14 Tragflügelaerodynamik bei inkompressibler Strömung 334
14.1 Induzierter Widerstand 334
14.2 Gesamtwiderstand und Beiwerte des Tragflügels 338
14.3 Wirbellinie und Biot-Savart'sches Gesetz 340
14.4 Prandtl'sche Traglinientheorie 342
14.5 Ergebnisse aus der Prandtl'schen Traglinientheorie 348
14.6 Erweiterte Traglinientheorie 364
14.7 Wirbelleiterverfahren 371
14.8 Tragflügel mit geringer Streckung 373
Übungsaufgaben 377
15 Tragflügelaerodynamik bei kompressibler Strömung 379
15.1 Tragflügelaerodynamik bei kompressibler Unterschallströmung 379
15.2 Flügelpfeilung und Transschallströmung 390
Übungsaufgaben 414
16 Tragflügelaerodynamik bei Überschallströmung 416
16.1 Einführung 416
16.2 Über- und Unterschallkanten 417
16.3 Die Prandtl-Glauert-Ackeret'sche Regel 421
16.4 Die kegelsymmetrische Strömung 424
16.5 Flügel unendlicher Streckung 428
16.6 Rechteckflügel 436
16.7 Deltaflügel 443
Übungsaufgaben 455
17 Nichtlineare Aerodynamik des Delta- und Strakeflügels 457
17.1 Einführung 457
17.2 Flügelgeometrien 458
17.3 Vortex lift 459
17.4 Strömungsabriss 463
17.5 Strakeflügel und Doppeldeltaflügel 464
Teil IV Flugmechanik, Flugleistung und Einsatzgrenzen 466
18 Grundlagen der Flugmechanik 467
18.1 Einführung 467
18.2 Koordinatensysteme in der Flugmechanik 468
18.3 Weitere flugmechanische Definitionen 478
18.4 Die Beschreibung der Erdatmosphäre 488
18.5 Fluggeschwindigkeiten und Fahrtmessung 500
Übungsaufgaben 519
19 Längs- und Seitenbewegung des Flugzeugs 521
19.1 Stabilität und Steuerbarkeit der Längsbewegung 521
19.2 Seitenbewegung des Flugzeugs 554
Übungsaufgaben 566
20 Flugleistungen 567
20.1 Polare des Gesamtflugzeugs 568
20.2 Besondere Punkte auf der Polaren 571
20.3 Antriebscharakteristika 574
20.4 Stationärer Horizontalflug 578
20.5 Steigflug 587
20.6 Gleitflug 595
20.7 Reichweite 603
20.8 Flugdauer 609
20.9 Zusammenfassung 612
Übungsaufgaben 614
21 Flugbereichsgrenzen 617
21.1 Das Lastvielfache 618
21.2 Kurvenflug 623
21.3 V-N-Diagramm 629
21.4 Aerodynamische Grenzen 635
21.5 Aeroelastische Grenzen 642
Übungsaufgaben 648
Teil V Aerodynamische Auslegung des Flugzeugs 650
22 Einführung in den Flugzeugentwurf 651
22.1 Flugzeugkonfigurationen 651
22.2 Phasen des Entwurfsprozesses 662
22.3 Konzeptentwurfsphase 663
22.4 Vorentwurf 673
23 Auslegung des Tragflügels 685
23.1 Anforderungen an den Tragflügel 685
23.2 Tragflügelkonfigurationen 686
23.3 Flügelfläche 688
23.4 Auslegungsparameter des Tragflügels 689
24 Aerodynamik des Hochauftriebssystems 716
24.1 Grundlagen 716
24.2 Funktionsweise 717
24.3 Konstruktive Umsetzung 722
Übungsaufgaben 728
25 Leitwerksaerodynamik 729
25.1 Aufgaben der Leitwerke 729
25.2 Leitwerkskonfigurationen 730
25.3 Aufbau des Leitwerks 733
25.4 Auslegungsrichtlinien für das Höhenleitwerk 735
25.5 Auslegungsrichtlinien für das Seitenleitwerk 737
26 Aerodynamik des Gesamtflugzeugs 740
26.1 Gesamtwiderstand 740
26.2 Transsonische Flächenregel 745
26.3 Flächenregel im Überschall 747
26.4 Spezielle Auslegungsaspekte für Verkehrsflugzeuge 750
26.5 Spezielle Auslegungsaspekte für Kampfflugzeuge 760
A Thermodynamische Grundlagen 770
B Mathematische Grundlagen 777
C Diagramme und Tabellen 784
Literatur 791
Stichwortverzeichnis 795

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 13.6.2024
• Zusatzinfo: XXX, 799 S. 335 Abb., 313 Abb. in Farbe.
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie
• Themenwelt: Technik ► Bauwesen
• Themenwelt: Technik ► Fahrzeugbau / Schiffbau
• Schlagworte: Aerodynamik • Bernoulli-Effekt • Flugphysik • Flugzeug • Laminar • Strömung • Turbulenz
• ISBN-10: 3-662-68234-6 / 3662682346
• ISBN-13: 978-3-662-68234-0 / 9783662682340