De geschiedenis van de tweedekker

In de allereerste begintijd van de luchtvaart zagen vliegtuigen er anders uit dan nu. Ze waren doorgaans licht van gewicht, gemaakt van hout en doek, werden vaak met menselijke kracht of via een rail gelanceerd en hadden voor de landing slechts een ondersteuningsconstructie nodig; vandaar dat we dit nog steeds „landingsgestel“ noemen.

Een van de kenmerken die in de loop der tijd grotendeels is verdwenen, zijn vliegtuigen met meerdere vleugels boven elkaar. Deze waren essentieel om voldoende lift te genereren, binnen de materiële en structurele beperkingen van de vroege luchtvaartindustrie.

Figuur 1: Airwolfhound uit Hertfordshire, Verenigd Koninkrijk – Sopwith Camel – Season Premiere Airshow 2018 (CC BY 2.0)

Maar waarom zien we deze tegenwoordig bijna niet meer?

De belangrijkste reden is dat met vleugels van hout en doek langere en slankere vleugels structureel onhaalbaar waren. Naarmate de materiaalkunde vooruitging en er nieuwe, lichtgewicht bouwmethoden werden ontwikkeld, werden de vleugels langer, wat meer lift opleverde en de luchtweerstand verminderde (bij een gegeven vleugeloppervlak).

Afbeelding 2 Tony Hisgett uit Birmingham, Verenigd Koninkrijk – Sopwith Triplane 3 (CC BY 2.0)

CFD-analyse van tweedekker- versus eendekkerconfiguraties

Uitgevoerd werk

In dit artikel analyseren we de aerodynamische krachten op de vleugels van een speelgoedvliegtuig (zie figuur 3), waarbij we drie verschillende vleugelgeometrieën vergelijken:

• een enkele rechthoekige vleugel
• dezelfde vleugelgeometrie, maar dan als tweedekker
• een langere enkele rechthoekige vleugel

Figuur 3: Gebruikt speelgoedvliegtuig

Voor onze langere vleugel hebben we ervoor gezorgd dat de lift ongeveer gelijk was aan de lift die door de tweedekker werd gegenereerd.

Modellering

Deze vliegtuigjes worden in Simcenter STAR-CCM+ gesimuleerd met behulp van steady-state-modellering. Door de luchtstroom rond ons speelgoedvliegtuigje te simuleren, kunnen we de lift en de weerstand van de verschillende configuraties bepalen.

Voor de vleugel van ons speelgoedvliegtuigje is gekozen voor een NACA 2415-vleugel. De vleugel kreeg een initiële invalshoek van 2 graden.

Resultaten

De lift en weerstand voor de verschillende vleugelconfiguraties staan vermeld in de onderstaande tabel:

Hieruit blijkt dat het verdubbelen van het aantal vleugels om de lift te vergroten een goede methode is, aangezien de lift hierdoor meer dan verdubbeld wordt, maar dat ook de weerstand verdubbeld wordt.

Het laat ook zien dat het niet nodig is om de vleugellengte te verdubbelen om de lift te verdubbelen, wat een van de redenen is waarom de langgerekte vleugel een betere lift-weerstandsverhouding heeft dan de tweedekker.

Maar waarom gebeurt dit eigenlijk?

Het antwoord ligt grotendeels in de vleugeltips. Vleugels wekken lift op door het drukverschil tussen de boven- en onderkant van de vleugel. Bij de vleugeltips volgt de lucht niet de stroming rond het vleugelprofiel, maar stroomt ze over de tips heen. Hierdoor neemt het drukverschil tussen de boven- en onderkant van de vleugel in het gebied nabij de tip af, waardoor de lift afneemt. Dit is te zien in figuur 4 voor zowel de oorspronkelijke vleugel als de langere vleugel. Deze wervelverliezen aan de vleugeltips komen bij alle vleugels voor (hoewel moderne vliegtuigen deze verminderen door winglets toe te voegen), maar ze zijn meer uitgesproken bij kortere vleugels.

Figuur 4: Drukcoëfficiënt boven- en onderkant voor zowel de oorspronkelijke als de langere vleugel

De verdeling van de liftkracht over de vleugels wordt voor de drie configuraties weergegeven in figuur 5. Het effect van de romp en de vleugeltips op de vleugels is duidelijk zichtbaar.

Figuur 5: Liftverdelingen in de spanwijdterichting voor de drie configuraties

Figuur 7 tot en met figuur 9 tonen de drukverdeling voor de verschillende simulaties, gemeten op verschillende dwarsdoorsneden van de vleugel (zie figuur 6).

Figuur 6: Locaties van de doorsneden voor de originele en de verlengde vleugel

Figuur 7: Drukprofielen halverwege de spanwijdte voor de verschillende vleugels

Figuur 8: Drukprofielen ter hoogte van de oorspronkelijke vleugeltip voor de verschillende vleugels

Figuur 9: Drukprofielen ter hoogte van de verlengde vleugeltip

Discussie

Er zijn geen extra vleugelonderdelen, noch stutten en kabels meegenomen, maar deze zouden de tweedekkerconfiguratie negatief beïnvloeden en aanzienlijke luchtweerstand toevoegen aan deze versie, die bij de andere modellen niet aanwezig is. Er zijn ook enkele interessante effecten, zoals de versnelling van de stroming over de romp, die de lift van het middengedeelte van de bovenste vleugel vergroot, zoals te zien is in figuur 10.

Figuur 10: Snelheidsveld op het symmetrievlak voor zowel de dubbele als de enkele vleugel

Dit versnellingseffect heeft ook invloed op de vleugels zelf, waar het het snelheidsveld verstoort, wat leidt tot iets lagere prestaties van de onderste vleugel. Veel tweedekkers en driedekkers (zoals de driedekker in figuur 2) hadden juist om deze reden verspringende vleugels (naar voren geplaatst, omdat dit betere vliegeigenschappen oplevert bij het manoeuvreren).

Conclusie

Deze op CFD gebaseerde luchtvaartsimulatie laat zien waarom tweedekkers geleidelijk uit het gangbare luchtvaartontwerp verdwenen.

Hoewel meerdere vleugels de lift effectief kunnen vergroten, bieden langere enkele vleugels een betere aerodynamische efficiëntie door de luchtweerstand te verminderen en verliezen aan de vleugeltips te minimaliseren. Dankzij vooruitgang op het gebied van constructiematerialen en fabricagemethoden konden vliegtuigontwerpers overstappen op monoplanevleugels met een hoge aspectverhouding, die tegenwoordig de moderne luchtvaart domineren.

Met behulp van CFD-tools zoals Simcenter STAR-CCM+ kunnen ingenieurs deze aerodynamische effecten gedetailleerd visualiseren en de evolutie van het ontwerp van vliegtuigvleugels beter begrijpen.