Formationsflug - Formation flying
Formationsflug ist der koordinierte Flug mehrerer Objekte.
Einführung
Der Formationsflug in der Luftfahrt entstand im Ersten Weltkrieg, als Jagdflugzeuge zur Eskorte von Aufklärungsflugzeugen eingesetzt wurden. Es wurde festgestellt, dass Flugzeugpaare kampfwirksamer waren als einzelne Flugzeuge, und daher würden Militärflugzeuge immer in Formationen von mindestens zwei fliegen. Bis zum Zweiten Weltkrieg hatten Piloten andere strategische Vorteile des Formationsflugs entdeckt, wie verbesserte Stabilität und optimale Sicht. Es ist jedoch seit über einem Jahrhundert bekannt, dass Vögel durch die aerodynamische Theorie von Wieselsberger im Jahr 1914 Leistungsvorteile aus dem Formationsflug erhalten. Heute wurden eine Vielzahl von Studien über die Leistungsvorteile von Flugzeugen im Formationsflug durchgeführt.
Mechanismus der Widerstandsreduzierung
Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, die Verringerung des Luftwiderstands beim organisierten Flug mit der Verringerung des Luftwiderstands beim Entwurf in Verbindung zu bringen . Sie sind jedoch mechanistisch ganz anders.
Die beim Streckwerk auftretende Widerstandsreduzierung ist auf eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Nachlauf eines vorausfahrenden Fahrzeugs zurückzuführen, wodurch die Geschwindigkeit verringert wird, die die Strömung zur Bewegung um die Karosserie benötigt, wodurch der Druck vor dem nachfolgenden Fahrzeug verringert wird. Dies führt zu einem geringeren Druckunterschied zwischen den vorderen und hinteren projizierten Oberflächen des Körpers und somit zu einem geringeren Widerstand. Dies kann auch etwas tautologisch durch die übliche Widerstandsgleichung für einen Körper verstanden werden , wobei die experimentell erhaltene einheitslose Zahl ist, die Dichte des fluiden Mediums ist, durch das sich das Objekt bewegt, die Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung der mittleren Strömung ist, und ist die Geschwindigkeit des mittleren Flusses. Durch Inspektion ist ersichtlich, dass eine Verringerung der mittleren Geschwindigkeit weniger Widerstandskraft erzeugt, wie dies beim Verzug der Fall ist.
In der Gegenüberstellung kann man sich die Verringerung des Luftwiderstands, die von den Schleppmitteln im Formationsflug empfunden wird, eher als „surfen“ der Schleppmittel auf den Wirbeln vorstellen, die von den Flügeln der führenden Kampfmittel abgeworfen werden, wodurch die Kraft reduziert wird, die erforderlich ist, um in der Luft zu bleiben. Diese Kraft wird als Auftrieb bezeichnet und wirkt senkrecht zur Strömungsrichtung und zum Widerstand. Diese Wirbel sind als Flügelspitzenwirbel bekannt und werden durch Fluid gebildet, das um die Flügelspitzen herum vom Hochdruckbereich, der die Unterseite des Flügels ist, zum Niederdruckbereich, der die Oberseite des Flügels ist, strömt . Die Strömung wird vom Schaufelblatt getrennt und rotiert um einen Nachlauf mit niedrigem Druck, der den Kern des Wirbels bildet. Dieser Wirbel bewirkt eine Änderung der Strömungsrichtung für nachlaufende Flugzeuge, erhöht den Auftrieb über ein Segment des Flügels und ermöglicht eine Verringerung des induzierten Widerstands durch Verringern seines Anstellwinkels.
Dies kann auch durch die Widerstands- und analoge Auftriebsgleichung gezeigt werden, . Der Unterschied besteht nun darin und variiert linear mit dem Anstellwinkel , der der Winkel ist, der von der neutralen Achse des Flugzeugs und der freien Strömung gebildet wird. Da die lokale Strömung aufgrund des Wirbels mit einem höheren Anstellwinkel eindringt, werden sowohl die Auftriebs- als auch die Widerstandskräfte gedreht, so dass der Auftriebskraftvektor einen Vorwärtsschub erzeugt und der Widerstandskraftvektor eine Zunahme des Auftriebs erzeugt. Mit dieser Zunahme der Auftriebskraft kann der Anstellwinkel verringert werden, um den Zielauftrieb aufrechtzuerhalten, der zum Beibehalten einer Höhe während des Reiseflugs erforderlich ist, was eine Verringerung des induzierten Widerstands bewirkt, da Widerstand und Auftrieb eine Funktion von durch die Koeffizienten und sind .
Zugvögel
Vögel fliegen normalerweise in V-förmigen oder J-förmigen Formationen, wobei J-förmige Formationen allgemein als Staffel bezeichnet werden. Die erste Studie, die versuchte, die Energieeinsparung eines großen Vogelschwarms zu quantifizieren, war Lissaman & Schollenberger, die die erste, wenn auch deutlich fehlerhafte Schätzung für einen 25-köpfigen Vogelschwarm lieferten. Es wurde eine beeindruckende Reichweitenerweiterung von 71 % im Vergleich zum Einzelvogelflug gemeldet. Diese gemeldeten Erweiterungen sind typischerweise auf die Verwendung einer festen Flügelnäherung zurückzuführen. Haffner (1977) experimentierte mit Vögeln, die in Windkanälen fliegen, und berechnete eine Reichweitenerweiterung von einem konservativeren Wert von 22%.
Es wurden Studien über die Phase des Schlagens durchgeführt und festgestellt, dass Vögel, die in V-förmigen Formationen fliegen, ihr Schlagen koordinieren, während Vögel in Staffeln dies nicht tun. Willis et al. (2007) fanden heraus, dass die optimale Phasenlage der Klappen 20 % der Energieeinsparung ausmacht, was darauf hindeutet, dass die Positionierung wichtiger ist als das perfekte Zwischenspeichern des entgegenkommenden Wirbels.
Vogelstudien haben gezeigt, dass die V-Formation die aerodynamische Gesamteffizienz stark verbessern kann, indem sie den Luftwiderstand verringert und dadurch die Flugreichweite erhöht.
Insekten
Insektenschwärme sind ein kollektives Tierverhalten , das ein aktives Forschungsgebiet für den Einsatz von Drohnen ist. Das einzigartige Merkmal von Insektenschwärmen ist ihr führerloser, aber organisierter Flug. In einer PIV- Studie von Kelley und Ouellette (2013) an 10 Mücken sind die Grenzen des Schwarms statistisch konsistent, obwohl die Insekten innerhalb des Schwarms praktisch asynchron fliegen. Es gibt auch einige Hinweise auf Clustering, was darauf hindeutet, dass es ein selbstorganisierendes Verhalten geben könnte.
Militärische Luftfahrt
Formationsflug ist in der militärischen Luftfahrt der disziplinierte Flug von zwei oder mehr Flugzeugen unter dem Kommando eines Flugleiters. Militärpiloten verwenden Formationen zur gegenseitigen Verteidigung und Konzentration der Feuerkraft.
Formationsflug für unbemannte Luftfahrzeuge
Die Herausforderung, einen sicheren Formationsflug durch unbemannte Luftfahrzeuge zu erreichen, wurde im 21. Jahrhundert mit Luft- und Raumfahrzeugsystemen umfassend untersucht. Für Luftfahrzeuge umfassen die Vorteile der Durchführung von Formationsflügen Treibstoffeinsparung, verbesserte Effizienz bei der Flugsicherung und kooperative Aufgabenverteilung. Für Raumfahrzeuge eines präzise Steuerung des Formationsfluges kann künftig große Apertur Raumteleskope, variable Basislinie Raum ermöglichen Interferometern , autonome Rendezvous- und Docking - und Roboter - Baugruppe von Raumstrukturen. Eine der einfachsten verwendeten Formationen besteht darin, dass autonome Flugzeuge eine Formation mit einem Führungsflugzeug halten, das selbst autonom sein kann.
Zivilluftfahrt
In der Zivilluftfahrt wird der Formationsflug vorgeschlagen, um den Treibstoffverbrauch durch Minimierung des Luftwiderstands zu reduzieren. Formationsflüge werden bei Flugshows oder zur Erholung durchgeführt .
In den frühen 2000er Jahren verwendete das Autonomous Formation Flight-Programm der NASA ein Paar F/A-18 . Im Jahr 2013 die Air Force Research Laboratory ‚s Surfen Aircraft Vortices zeigte für Energy - Projekt 10-15% Kraftstoffeinsparung, installiert auf zwei Boeing C-17 Globemaster IIIs . Im Jahr 2017 maß die NASA bei zwei Gulfstream-III- Flugzeugen bei Testflügen zum Wakesurfen einen um 8-10% geringeren Treibstoffdurchfluss . Im Jahr 2018 wurde der Treibstoffverbrauch des ecoDemonstrator , eines Boeing 777F- Frachters von FedEx Express , um 5-10% gesenkt, wobei der Autopilot den Abstand von 4.000 Fuß (1,2 km) basierend auf ADS-B- und TCAS- Informationen beibehielt .
Durch die Nutzung von Wake updraft wie Zugvögel ( Biomimetik ), Airbus glaubt , ein Flugzeug 5-10% des Kraftstoffs durch fliegende 1,5-2 NMI (2,8-3,7 km) hinter dem vorhergehenden zu speichern. Nach dem Airbus A380 Tests 12% Ersparnis zeigen, startete er sein ‚fello'fly‘ Projekt im November 2019 für Testflüge im Jahr 2020 mit zwei A350 , bevor Transatlantikfluges Studien mit den Fluggesellschaften in 2021 Zertifizierung für kürzere Trennung wird durch aktiviert ADS-B in ozeanischen Luftraum, und die einzige erforderliche Änderung wäre die Software für Flugsteuerungssysteme . Der Komfort würde nicht beeinträchtigt und die Versuche sind auf zwei Flugzeuge beschränkt, um die Komplexität zu reduzieren, aber das Konzept könnte erweitert werden, um mehr zu umfassen. Der kommerzielle Betrieb könnte 2025 mit Flugplananpassungen der Fluggesellschaften beginnen und Flugzeuge anderer Hersteller könnten einbezogen werden.