Flächenregel
Englisch: area rule
Eine Regel besagt, dass ein Flugzeug mit derselben Querschnittsflächen-Verteilung in Längsrichtung wie der Sears-Haack-Körper denselben Wellenwiderstand erzeugt, weitgehend unabhängig von der tatsächlichen Form; wird in der Aerodynamik verwendet, um den Widerstand zu verringern, typischerweise durch Verengung des Rumpfes an den Flügelwurzeln.
Flächenregel: Anpassung des Sears-Haack-Körpers zur Reduzierung des transonischen Wellenwiderstand
Die Flächenregel ist ein aerodynamisches Prinzip, das Konstrukteuren ermöglicht, den Wellenwiderstand vorherzusagen und zu minimieren, indem sie steuern, wie sich die Gesamtquerschnittsfläche eines Flugzeugs über seine Länge verteilt. Der transsonische Wellenwiderstand, der Widerstand, der sich aufbaut, wenn sich ein Flugzeug der Schallgeschwindigkeit nähert, hängt nahezu ausschließlich von der Längsverteilung der Fläche ab, nicht von der tatsächlichen Form des Rumpfs oder der Flügel. Wenn Sie die Gesamtquerschnittsfläche des Flugzeugs auf eine theoretisch optimale Form abstimmen, die Sears-Haack-Körper genannt wird, erreichen Sie einen niedrigen Wellenwiderstand, unabhängig davon, ob Sie einen breiten Rumpf mit dünnen Flügeln oder einen schlanken Rumpf mit dicken Flügeln bauen.
Der Sears-Haack-Körper ist eine glatte, mathematisch abgeleitete Form, die den Wellenwiderstand für ein gegebenes Volumen und eine gegebene Länge minimiert. Er ist für transsonische Geschwindigkeiten ausgelegt und weist eine Nase auf, die sich glatt zur maximalen Querschnittsfläche bei etwa 60 Prozent der Länge verjüngt und sich dann wieder zur Heckflosse verjüngt. Wenn die kumulative Querschnittsfläche eines Flugzeugs an jeder Station entlang des Rumpfs diesem Profil entspricht, erreicht das Flugzeug diesen theoretischen Mindestwiderstandes, auch wenn seine tatsächliche Geometrie völlig anders aussieht.
Anwendung und die Coca-Cola-Flasche-Rumpfform
In der Praxis führte die Flächenregel zur charakteristischen "Coca-Cola-Flasche"- oder "Wespentaille"-Rumpfform, bei der der Rumpf an den Flügelwurzeln nach innen eingezogen ist. Diese Einbuchtung gleicht die dicke Flügelstruktur aus, indem sie die Rumpffläche in diesem Bereich reduziert und so die Gesamtquerschnittsfläche gleichmäßig hält. Konstrukteure nutzen Flächenauftragungen entlang der Mittellinie, um zu überprüfen, ob die Summe aus Rumpffläche plus Flügelfläche plus Höhenflosse die Zielkurve erfüllt. Wenn der Flügel in der Reiseflughöhe erheblich Fläche hinzufügt, muss sich der Rumpf lokal verringern, um eine Ausbuchtung zu vermeiden, die Wellenwiderstand erzeugen würde.
Die Flächenregel gilt am kritischsten im transonischen Bereich, etwa Mach 0,8 bis 1,2, wo der Wellenwiderstand dominiert. Unterhalb dieser Geschwindigkeit ist konventioneller Druckwiderstand wichtiger und die geometrischen Feinheiten gewinnen wieder an Bedeutung. Oberhalb von Mach 1,2 im vollständig Überschallflug bleibt die Regel gültig, konkurriert aber mit anderen Überschallphänomenen. Für rein Unterschallflugzeuge ist die Flächenregel weniger kritisch, beeinflusst das Design aber trotzdem noch; für Kampfflugzeuge und Verkehrsflugzeuge, die in hohen Unterschallgeschwindigkeiten fliegen, bestimmt sie das Rumpfprofil.
Bei Instandhaltung und Inspektion ist die Flächenregel selbst keine strukturelle Überprüfung, sondern eher Kontext zum Verständnis, warum bestimmte Flugzeuge ihre spezielle Form haben. Ein Techniker muss bei einer Routineinspektion möglicherweise keine Flächenverteilungen berechnen, aber zu erkennen, dass die eingezogene Rumpfform beispielsweise eines Hochleistungsstrahljets eine bewusste aerodynamische Eigenschaft ist und kein Mangel, hilft dabei, Spannungskonzentrationszonen und Inspektionsschwerpunkte zu erklären. Risse oder Verformungen in der Taillenregion beeinflussen die beabsichtigte Flächenverteilung und können die Effizienz, die das Design erreichen sollte, beeinträchtigen.