Die Geschichte des Doppeldeckers

In den Anfängen der Luftfahrt sahen Flugzeuge anders aus als heute. Sie waren in der Regel leicht, bestanden aus Holz und Stoff, wurden oft durch Muskelkraft oder eine Startschiene in die Luft gebracht und benötigten zur Landung lediglich eine Stützkonstruktion – weshalb wir sie auch heute noch als „Fahrwerk“ bezeichnen.

Eine der Eigenschaften, die im Laufe der Zeit weitgehend verschwunden ist, sind Flugzeuge mit mehreren übereinander angeordneten Tragflächen. Diese waren unerlässlich, um genügend Auftrieb zu erzeugen, während man mit den materiellen strukturellen Einschränkungen der frühen Luftfahrtindustrie zurechtkommen musste.

Abbildung 1: Airwolfhound aus Hertfordshire, Großbritannien – Sopwith Camel – Season Premiere Airshow 2018 (CC BY 2.0)

Aber warum sieht man diese heute kaum noch?

Der wichtigste Grund ist, dass bei Flügeln aus Holz und Stoff längere und schlankere Flügel konstruktiv nicht realisierbar waren. Mit den Fortschritten in der Materialwissenschaft und der Entwicklung neuer, leichter Bauweisen wurden die Flügel länger, was (bei gleicher Flügelfläche) mehr Auftrieb erzeugte und den Luftwiderstand verringerte.

Abbildung 2: Tony Hisgett aus Birmingham, Großbritannien – Sopwith Triplane 3 (CC BY 2.0)

CFD-Analyse von Doppeldecker- und Eindecker-Konfigurationen

Durchgeführte Arbeiten

In diesem Artikel analysieren wir die aerodynamischen Kräfte auf die Flügel eines Spielzeugflugzeugs (siehe Abbildung 3) und vergleichen dabei drei verschiedene Flügelgeometrien:

• einen einzelnen rechteckigen Flügel
• die gleiche Flügelgeometrie, jedoch als Doppeldecker
• einen längeren einzelnen rechteckigen Flügel

Abbildung 3: Verwendetes Spielzeugflugzeug

Bei unserem längeren Flügel haben wir darauf geachtet, dass der Auftrieb in etwa dem Auftrieb des Doppeldeckers entspricht.

Modellierung

Diese Flugzeuge werden in Simcenter STAR-CCM+ mithilfe einer stationären Modellierung simuliert. Durch die Simulation der Strömung um unser Spielzeugflugzeug können wir den Auftrieb und den Luftwiderstand der verschiedenen Konfigurationen bestimmen.

Für den Flügel unseres Spielzeugflugzeugs wurde ein NACA-2415-Flügel gewählt. Dem Flügel wurde ein anfänglicher Anstellwinkel von 2 Grad zugewiesen.

Ergebnisse

Der Auftrieb und der Luftwiderstand für die verschiedenen Flügelkonfigurationen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Dies zeigt, dass eine Verdopplung der Flügelfläche zur Steigerung des Auftriebs sinnvoll ist, da sich der Auftrieb dadurch mehr als verdoppelt, der Luftwiderstand jedoch ebenfalls verdoppelt wird.

Es zeigt sich zudem, dass es nicht notwendig ist, die Flügellänge zu verdoppeln, um den Auftrieb zu verdoppeln. Dies ist einer der Gründe dafür, dass der langgestreckte Flügel ein besseres Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand aufweist als der Doppeldecker.

Aber warum passiert das eigentlich?

Die Antwort liegt größtenteils in den Flügelspitzen. Flügel erzeugen Auftrieb durch den Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Flügels. An den Flügelspitzen folgt die Luft nicht der Strömung um das Flügelprofil herum, sondern strömt über die Spitzen hinweg, was den Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite des Flügels im Bereich nahe der Spitze verringert und somit den Auftrieb reduziert. Dies ist in Abbildung 4 sowohl für den ursprünglichen Flügel als auch für den längeren Flügel zu sehen. Diese Verluste durch Flügelspitzenwirbel treten bei allen Flügeln auf (obwohl moderne Flugzeuge diese durch den Einbau von Winglets reduzieren), sind jedoch bei kürzeren Flügeln stärker ausgeprägt.

Abbildung 4: Druckkoeffizienten oben und unten für den ursprünglichen und den verlängerten Flügel

Die Auftriebskraftverteilung über den Tragflächen ist für die drei Konfigurationen in Abbildung 5 dargestellt. Der Einfluss des Rumpfes und der Flügelspitzen auf die Tragflächen ist deutlich zu erkennen.

Abbildung 5: Auftriebsverteilungen in Spannweitenrichtung für die drei Konfigurationen

Die Abbildungen 7 bis 9 zeigen die Druckverteilung für die verschiedenen Simulationen, gemessen an verschiedenen Stellen entlang der Flügelspannweite (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: Schnittstellen des ursprünglichen und des verlängerten Flügels

Abbildung 7: Druckverläufe in der Mitte der Spannweite für die verschiedenen Flügel

Abbildung 8: Druckverläufe an der ursprünglichen Flügelspitze für die verschiedenen Flügel

Abbildung 9: Druckverläufe an der Stelle der verlängerten Flügelspitze

Diskussion

Es wurden weder zusätzliche Flügelkomponenten noch Streben und Seile berücksichtigt, da diese die Doppeldeckerkonfiguration negativ beeinflussen und dieser Version einen erheblichen Luftwiderstand hinzufügen würden, der bei den anderen Modellen nicht vorhanden ist. Es gibt auch einige interessante Effekte, wie beispielsweise die Strömungsbeschleunigung über dem Rumpf, die den Auftrieb des mittleren Abschnitts des Oberflügels erhöht, wie in Abbildung 10 dargestellt.

Abbildung 10: Geschwindigkeitsfeld auf der Symmetrieebene für Doppel- und Einzelträger

Dieser Beschleunigungseffekt wirkt sich auch auf die Tragflächen selbst aus, wo er das Geschwindigkeitsfeld stört, was zu einer etwas geringeren Leistung der unteren Tragfläche führt. Viele Doppeldecker und Dreidecker (wie der Dreidecker in Abbildung 2) hatten genau aus diesem Grund versetzte Tragflächen (nach vorne versetzt, da dies bessere Flugeigenschaften bei Manövern bietet).

Fazit

Diese CFD-basierte Luft- und Raumfahrtsimulation verdeutlicht, warum Doppeldecker nach und nach aus dem Mainstream der Flugzeugkonstruktion verschwanden.

Zwar können mehrere Tragflächen den Auftrieb effektiv erhöhen, doch bieten längere Einzeltragflächen eine bessere aerodynamische Effizienz, indem sie den Luftwiderstand verringern und Verluste an den Flügelspitzen minimieren. Fortschritte bei den Strukturwerkstoffen und in der Fertigung ermöglichten es den Flugzeugkonstrukteuren, auf Eindeckerflügel mit hoher Streckung umzusteigen, die heute die moderne Luftfahrt dominieren.

Der Einsatz von CFD-Tools wie Simcenter STAR-CCM+ ermöglicht es Ingenieuren, diese aerodynamischen Effekte detailliert zu visualisieren und die Entwicklung des Flugzeugflügeldesigns besser zu verstehen.