Fly med høj vinge vs. lav vinge (fordele, ulemper og vigtige forskelle) – Airplane Academy

Den visuelle forskel mellem fly med høj og lav vinge er tydelig. Fly med høje vinger placerer vingen over fuselagen, dvs. flyets hoveddel, mens fly med lave vinger placerer vingen under fuselagen.

Både konfigurationer har fordele og ulemper, og valget af en af de to konfigurationer er et valg, der træffes af de ingeniørteams, der bygger flyet, meget tidligt i designprocessen for at opfylde de nødvendige krav til flyets ydeevne. Hvad er forskellene mellem højvingede og lavvingede luftfartøjer?

Hver vingekonfiguration er fordelagtig på sin egen unikke måde med hensyn til træning, præstationer, vedligeholdelse og daglig brug. Højvingede luftfartøjer er generelt mindre aerodynamiske, lidt lettere at træne i for den nye pilot og lettere at få adgang til rutinemæssigt vedligehold end lavvingede luftfartøjer.

Da der ikke findes noget “rigtigt” svar, er sammenligning af højvingede konstruktioner med lavvingede konstruktioner grundlæggende et udtryk for en afvejning af pilotens eller operatørens behov. Der er mange konsekvenser ved at vælge et høj- eller lavvinget fly, og det er derfor vigtigt at gennemtænke dem alle, når man beslutter, hvad der er bedst i ens situation.

Aerodynamik

Flykonfigurationen er i første omgang fokuseret på aerodynamikken. Placeringen, størrelsen og formen af vingen, halen og fuselagen bestemmer flyets grundlæggende styreegenskaber. For høj- og lavvingede luftfartøjer vil der være store forskelle i følgende områder: sidestabilitet (rullestabilitet), håndteringsegenskaber ved lav hastighed og generelle flyveegenskaber (marchhastighed, start- og landingsafstande osv.).

Som en tankeøvelse kan man overveje to trehjulede konstruktioner med samme vægt, længde, vingeform, flyveplade, hale og motor, den ene med vingen over fuselagen og den anden med vingen under fuselagen.

Rulleegenskaber

Først skal man se på den laterale stabilitet eller rulleegenskaberne. For flyet med høje vinger ligger tyngdepunktet under vingen, hvilket betyder, at flyets fuselage fungerer som et pendul for at øge rullestabiliteten i forhold til flyet med lave vinger, hvis tyngdepunkt er afbalanceret over vingen.

For det højvingede luftfartøj vil der være relativt mindre tilbøjelighed til at gå ind i en ustabil spiralformet nedstigning, men aileronkræfterne vil være større til at gennemføre en rulningsmanøvre.

Dette er en ønskelig virkning for luftfartøjer, der er beregnet til at flyve under instrumentflyvningsforhold i lange perioder med lav pilotarbejdsbyrde. Denne tendens er imidlertid til skade for anaerobatiske showfly, der er konstrueret til høje rulningshastigheder og hurtige rulningsmanøvrer, og kan føre til en følelse af “tunghed” i aileronerne for mere typiske cruisingfly.

Landingskarakteristika

Opmærksomheden skal rettes mod de næste lavhastighedshåndteringsegenskaber, især landings- og stallegenskaber. Under landingsudbruddet vil lavvingeflyet komme ind i ground effects lidt før højvingeflyet og vil opleve en større reduktion i modstanden for samme højde over jorden.

Den stærkere terrænpåvirkning under flare-flyet vil få lavvingeflyet til at “svæve” lettere end højvingeflyet, hvilket er en egenskab, der, når den anvendes dygtigt, bidrager til at blødgøre landingen. Men den samme terrænvirkning kan tilskynde til ballooning under udbruddet og kan gøre det vanskeligere at foretage præcise landinger.

Det højtvingede luftfartøj vil stadig opleve terrænvirkning, men fordi vingen er flere meter længere væk fra landingsbanen, reduceres den samlede virkning på luftfartøjet betydeligt, da terrænvirkningen falder eksponentielt med forskellen fra landingsbanens overflade. Det højvingede luftfartøj kan således være i stand til at foretage kortere landingsafstande, da det lettere “slår” sig igennem jordeffekten.

Stallkarakteristika

Stallkarakteristika er også et problem i forbindelse med lavhastighedshandling. Hvis man antager, at flyets korte horisontale hale er monteret ved eller tæt på bunden af fuselagen, er der større sandsynlighed for, at turbulens fra vingen ved høje angrebsvinkler vil forstyrre flyets hale i forbindelse med et fly med høje vinger. Denne interferens i kølvandet er afhængig af flapsens position og en række andre konstruktionsfaktorer; der kan dog antages at være to primære virkninger.

Flyet med høje vinger er mere tilbøjeligt til at støde på en stærk bufteffekt nær stall, hvilket afholder piloten fra at bremse yderligere. Vingens interferens med halen kan mindske højderummets effektivitet på grund af effekten af “downwash”.

Den downwash-effekt, i produktionsfly, er meget afhængig af specifikke designkriterier, men i sidste ende reducerer denne effekt angrebsvinklen på den vandrette hale, hvilket reducerer højderummets effektivitet.

Med stærkere buffet før stall og nedsat elevatorvirkning vil højvingeflyet udvise stallkarakteristika i pitch, der både modvirker stallindtræden og øger den pilotindsats, der kræves for at opnå stall. Lavvingede fly vil derimod udvise stallkarakteristika i pitch, som giver piloten mindre advarsel om forestående stall.

Flyveegenskaber

Endelig kan flyets præstationer under start, marchflyvning og landing alle påvirkes af vingeplaceringen. Fly med høje vinger vil opleve en stigning i “profilmodstand” og “interferensmodstand”, som især påvirker flyveegenskaberne ved marchflyvning.

Profilmodstand er den modstand, der opstår, når luften blot rammer flyets forside, og interferensmodstand er den modstand, der opstår, når luftstrømmen interagerer med de forskellige hjørner, kroge og hjørner, der findes på et fly.

Tænk på landingsstellets placering på eksempelflyet med lav vinge; det er fastgjort direkte til vingen med minimal yderligere struktur eller beklædning, der er nødvendig for at skabe en effektiv aerodynamisk form. I modsætning hertil vil landingsstellet på fly med høje vinger enten være fastgjort til vingen, som er tung og strukturelt tvivlsom, eller til skroget.

I begge konstruktionsvalg for landingsstellet vil flyet med høje vinger have flere “ting” hængende fra flyet i forhold til flyet med lave vinger. Hvis det højvingede fly også skal have en strøer til at forstærke vingen, bliver det indlysende, at det højvingede fly skaber mere profil og interferensmodstand sammenlignet med det lavvingede fly.

Den lavere trækprofil hos det lavvingede luftfartøj giver større krydstogtpræstationer i forhold til det højvingede design; resultatet er højere sande lufthastigheder og/eller lavere brændstofforbrug ved krydstogt.

Startpræstationer

Startpræstationer og landingspræstationer påvirkes af de tidligere omtalte problemer med jordvirkning. Hvis man først ser på starten, vil flyet med lave vinger have fordel af en kortere rulning på jorden og en kortere afstand til forhindringer.

Da spidse hvirvlerne vil blive afbrudt i lidt længere tid i terrænpåvirkning, udvikler luftfartøjet lidt mere løft og dermed en lidt stejlere stigningsgradient. Denne jordpåvirkning resulterer i længere landingsafstande af præcis samme grund.

Den lave vingekonfiguration resulterer i længere landingsafstande i luften, hvor luftdistance er den horisontale afstand, der tilbagelægges mellem 50 fod over landingsstedet og landingspunktet.

Gennemsnitlig aerodynamik

Baseret på tankeeksperimentet ovenfor ser det ud til, at lavvingede fly generelt har flere fordele aerodynamisk set end højvingede fly. Det er dog vigtigt at bemærke, at ovenstående øvelse ikke tager højde for virkningen af en halehjulskonfiguration eller giver mulighed for at anvende forskellige flyveprofiler, vingeformer osv.

De aerodynamikere, der konstruerer fly i den virkelige verden, foretager valg, der har en dramatisk indflydelse på flyets stabilitet, styreegenskaber, stallegenskaber, marchpræstationer og start- og landingsdistancer.

Fly i den virkelige verden er generelt kun sammenlignelige i forhold til hinanden på holistisk vis, snarere end at være sammenlignelige i forhold til deres vingeposition. Der kan derfor kun drages få absolutte konklusioner mellem produktionsfly, men begreberne i dette tankeeksperiment fremhæver nogle af de overvejelser, der er i spil under den indledende designproces for et nyt fly.

Flyveuddannelse

Er højvingede fly eller lavvingede fly bedre til den indledende pilotuddannelse? I praktiske termer for pilotelever er det ligegyldigt. Pilotelever bør være mere optaget af at finde en kompetent instruktør, en flyveskole af høj kvalitet og et velholdt fly, der passer til deres budget og tidsbegrænsninger.

Som antydet i konklusionen af tankeeksperimentet ovenfor har de enkelte konstruktionsegenskaber for specifikke fly en betydelig mere dramatisk indvirkning på de grundlæggende flyveegenskaber for den pågældende flytype.

Der er generelt tre spørgsmål, som pilotelever bør være opmærksomme på, når de sammenligner høj- og lavvingede fly: Ind- og udstigning, synlighed og landingsegenskaber.

Ind- og udstigning i højvinge vs. lavvinge

De fleste lavvingefly, der anvendes i flyvetræningsmiljøet, har en enkelt dør i højre side af skroget. Den mest almindelige af disse flytyper vil være flyene i Piper Cherokee-familien.

Ind i flyet skal eleven glide hen over sæderne, inden flyveinstruktøren går ind, og hvis det er vigtigt, at det er let at gå ind i flyet, kan det være en udfordring at klemme sig ind mellem sæderne og flyvestyringsanordningerne.

Dertil kommer, at der ikke er nogen beskyttelse mod regn eller sol, når flyet lastes.

Der findes også en håndfuld træningsfly med glidende eller vippende baldakin i den globale flåde af flyveuddannelsesfly, Diamond DA40/42-serien og Gramman American-serien af fly er gode eksempler på denne type af lavvinge- og udstigningssystem med lave vinger. Med det bevægelige canopysystem kan instruktøren og eleven gå ind i flyet uafhængigt af hinanden, men der kræves en vis manøvrering og forsigtigt fodarbejde for at undgå at trampe på polstringen.

De mest almindelige højvingede træningsfly er næsten alle fly af Cessna 172-familien. Disse fly har venstre og højre dør, der giver mulighed for at komme ind og ud til både de forreste og bageste sæder fra enten venstre eller højre side. Desuden giver den høje vingestilling en vis skygge og læ for sol og regn under lastning og før flyvning.

Synlighed ved højvinge vs. lavvinge

God udvendig synlighed er et ofte undervurderet aspekt af valget af et træningsfly. En række træningsmanøvrer kræver, at piloteleverne visuelt skal følge et punkt på jorden, og alle piloter bør konstant scanne efter trafik, især når de manøvrerer i travle, overfyldte træningsområder.

Højvingede luftfartøjer har den fordel, at de har et fremragende udsyn nedad, hvilket er nyttigt under træning af landingsøvelser og træning af jordreferencemanøvrer.

Lavvingede fly har derimod en mindre begrænset synlighed opad og fremad, hvilket er med til at forenkle trafikscanning. Piloter skal lære at kompensere for de “blinde vinkler”, der er indbygget i den høj- eller lavvingekonfiguration, de flyver.

Landingskarakteristika for pilotelever i højvinge vs. lavvinge

Den mest dramatiske forskel for nye elever mellem konfigurationer af høj- og lavvingefly vil blive oplevet under indlæring af tolanding. Som omtalt ovenfor er lavvingede luftfartøjer mere tilbøjelige til at flyde og ballooning i ground effect under runding og flare sammenlignet med højvingede luftfartøjer.

Dygtige piloter kan udnytte denne effekt til deres fordel, men det kan være vanskeligere for pilotelever at blive dygtige til landingsmetoder på kortbane og med maksimal ydeevne. Længere tid i flare-stilling kan også gøre det vanskeligere at beherske landingsteknikker i sidevind, da den ekstra eksponering for skiftende vinde og lufthastigheder kræver ekstra finesse ved landingen.

Denne tendens til at svæve i flare kræver præcis hastighedskontrol for at sikre, at luftfartøjet falder til ro gennem ground effect og lander på det tilsigtede punkt. Fly med høje vinger vil derimod sætte sig lettere i landingsflare, men dette indebærer en risiko for, at indflyvninger med for lav hastighed ikke får gavn af den “pude”, som ground effect giver mulighed for at redde en hård landing.

Det højvingede luftfartøj har også ekstra margin til at bruge bankvinkel under indflyvninger i sidevind for at styre banedrift i en glidende landingstilnærmelse. Både konfigurationer af fly med høj vind og lavvingede fly udgør unikke udfordringer, men ingen af dem er i sig selv nemmere eller vanskeligere at lære at styre.

A hverdagsflyvning

Måske de mest betydningsfulde aspekter ved sammenligning af lavvingede og højvingede fly vedrører de daglige, normale rutineopgaver. Før og efter flyvning, lastning, losning, kabinestørrelse, driftsfaciliteter osv. er alle aspekter af at “leve med” et høj- eller lavvinget fly. Hvilke af disse aspekter, der er positive eller negative, afhænger af flyets primære anvendelse, og derfor er der igen ikke ét rigtigt svar for alle piloter.

Preflight and Post-Flight Process

Processen før og efter flyvning er generelt sammenlignelig, uanset hvor vingen er monteret. Piloter ser efter, om de forskellige luftfartøjskomponenter er ubeskadigede, om motor-, brændstof- og oliesystemerne er i god funktion, og om der ikke er tydelige tegn på skader. Vingens placering komplicerer eller forenkler nogle af disse opgaver.

De mest indlysende forskelle inden og efter flyvning for høj- og lavvingede luftfartøjer er at pumpe brændstof for at kontrollere for forurening, inspicere landingsstellet og inspicere flaps og sømrum.

Højvingede fly har den fordel, at piloten kan gå under vingen relativt komfortabelt for at få adgang til brændstofafløb, hængsler og aktuatorer til flaps ogaileroner samt landingsstellet. Lavvingede fly kræver, at piloten skal sidde på hug og endog kravle under flyet for at undersøge disse komponenter.

For nogle piloter betyder yderligere vanskeligheder med at udføre disse handlinger før flyvning, at de måske ikke er tilstrækkeligt opmærksomme på at undersøge luftfartøjet under flyvning, bevidst eller på anden måde.

Læsning af passagerer

Da vi tidligere har berørt ind- og udstigning af høj- og lavvingede luftfartøjer i træningsmiljøet, er det værd at overveje processen med at læsse passagerer og fragt fra høj- og lavvingede luftfartøjer.

Højvingede fly med bagudvendte lastdøre har en tendens til at placere døren tæt på eller endog under vingens bagkant; Dette kan gøre det vanskeligere at læsse voluminøs eller tung last sammenlignet med et lavvinget fly, hvor vingens bagkant ikke forstyrrer lastningen af lasten.

Gode eksempler herpå er Beechcraft A36/G36 og Cessna 206. Begge fly har cargodøre for adgang til last og passagerer bagtil, men det lavvingede Beech Bonanza-fly har den fordel, at det er lettere at få adgang til lasten.

Kabineplads

Kabinepladsen kan også påvirkes af vingens placering. For at fortsætte sammenligningen mellem A36/G36 Bonanza og Stationair 206 har Bonanza mere begrænset hoved- og skulderplads som følge af den tilspidsede øvre fuselage, mens Stationair har en kvadratisk øvre fuselage på grund af den høje vingekonfiguration.

Afhængigt af flyets påtænkte mission kan begge konfigurationer fungere lige godt, men det er en faktor, der skal tages i betragtning, når man sammenligner de to fly.

Hvis den rå indvendige volumen er afgørende, maksimerer de kvadratiske proportioner i mange højvingefly, f.eks. Cessna 208B Caravan, den volumetriske effektivitet. Men hvis råhastighed er et mere værdifuldt design- eller missionsmål, kan de tæt formede, fint afstemte og smalle linjer hos flyene i Piper M600-serien være mere hensigtsmæssige på trods af den reducerede indvendige volumen.

Endnu en gang har flyets endelige mission indflydelse på kravene til kabinens volumen og taler således for eller imod en konfiguration med høje eller lave vinger afhængigt af missionskravene.

Operationsbetingelser

Operationsbetingelser og faciliteter spiller også en rolle i forhold til fordelene og ulemperne ved høj- og lavvingede fly. Den mest almindelige og måske mest genkendelige driftsbetingelse, der giver anledning til en præference for højvingede fly, er flyvning på korte landingsbaner i baglandet.

Så godt som alle de optimerede baglandskonstruktioner er højvingede haletraggere, der prioriterer et stærkt udsyn nedad og store propelafstande. Fly med høje vinger har også den fordel, at vingen bevæger sig væk fra dæk, der kan slynge mudder, sten og grus ind i stofvinger og maling.

I kontrast til de korte og bløde fordele ved højvingede flyvemaskiner dominerer lavvingede fly i forretningsflyverdenen. De strukturelle fordele ved lavvinge-layoutet tjener til at maksimere kabinens volumen og komfort i forretningsfly.

For forretningsfly er mange flysystemer ført under kabinegulvet eller uden for trykbeholderen for at maksimere den tilgængelige kabinevolumen. Den lave vingekonfiguration gør det desuden nødvendigt at placere motorerne på den bageste del af fuselagen, hvilket mindsker risikoen for indtagelse af fremmedlegemer. Alle disse konstruktionshensyn bidrager til at maksimere passagerernes komfort, hvilket er det ultimative mål for forretningsfly.

Vedligeholdelse

Normale vedligeholdelsesforanstaltninger for fly med høje og lave vinger ligner stort set hinanden, især inden for små fly med stempelmotorer til almenflyvning. De fleste vedligeholdelsesaktiviteter er fokuseret på motoren og de elektriske komponenter, der er placeret foran brandvæggen eller inden for instrumentpanelet. I begge disse tilfælde har vingens placering kun ringe betydning. Men når der er behov for mere omfattende systemvedligeholdelse, kan der være praktiske forskelle mellem lavvingede og højvingede fly.

Forskellene i vedligeholdelsesvanskeligheder er i sidste ende en funktion af, hvilken type vedligeholdelse der skal udføres, og hvilken form for adgang der er nødvendig.

Vedligeholdelsesopgaver, der kræver adgang til vingens underside, vil være mindre vanskelige og væsentligt lettere på et højvinget luftfartøj. Men opgaver, der kræver, at flyet skal løftes af hjulene, resulterer i betydeligt mere uhåndterbart og besværligt udstyr til vedligeholdelse af det samme højvingefly.

Adgang til vingesystemer sker ofte fra undersiden af vingen, og derfor er de vedligeholdelseshandlinger, der er forbundet med disse systemer, afgørende for den relative fordel eller ulempe ved højvingede eller lavvingede flyvemaskiner. Tilsvarende tilføjer indtrækkeligt eller fast monteret landingsstel endnu en variabel til vedligeholdelsesligningen, som kan favorisere eller forfordele en høj- eller lavvinget luftfartøjskonfiguration.

For potentielle ejere eller operatører vil en grundig diskussion af de forskellige vedligeholdelsesovervejelser, der er specifikke for en luftfartøjstype, være mere relevant end selve vingens placering. Hvis en betroet mekaniker ikke har det nødvendige donkraftudstyr til at servicere det indtrækkelige gearsystem i Cessna-produkter med høje vinger, kan et lavvinget fly med lige så gode resultater være mere attraktivt at købe.

Vedligeholdelse er et grundlæggende aspekt af ejerskab og drift af luftfartøjer, og hvis lav- eller højvingekonfigurationen er afgørende for, hvor vanskeligt det er at foretage regelmæssig vedligeholdelse af en bestemt luftfartøjstype, bør man nøje overveje, om luftfartøjet er egnet til de ønskede eller krævede opgaver, for at vedligeholdelseskravet ikke skal blive en udfordring for sikker flyvning.

Hvad er bedre, højvinge eller lavvinge?

Kort sagt er ingen af luftfartøjskonfigurationerne grundlæggende bedre end den anden. De relative fordele eller ulemper ved høj- og lavvingede fly findes i forhold til ejerens eller operatørens krav og den primære opgave, som flyet anvendes til.

Dette fremgår af en undersøgelse af sammensætningen af de forskellige flyflåder, der er i brug i forskellige dele af luftfartsverdenen.

Luftfartsselskaberne har i vid udstrækning standardiseret lavvingede fly med motorer under vingen; forretningsfly er næsten overalt lavvingede med turbofans monteret på bagkroppen eller turbopropfly monteret på vingerne; den almindelige luftfartsverden er en blanding af lav- og højvingede fly, hvor de umiddelbart genkendelige højvingede Cessna-designs er lige så udbredte som alle andre lavvingede produkter fra en enkelt producent.

I hver af disse flåder er det de operationelle forhold, der er bestemmende for designvalg og indkøbsbeslutninger, idet flyselskaberne standardiserer efter de infrastrukturkrav, der stilles til luftfartsselskabernes drift, og forretningsflyvningen udnytter lavvingede flys fordele med hensyn til passagerkomfort og systemdesign, mens den almindelige luftfartsflåde er udtryk for mere individuelle krav fra hver enkelt ejer og operatør.

Baglandet i Alaska og Idaho er domineret af Piper- og Cessna-fly med høje vinger, mens det er mere sandsynligt, at FBO’erne i det sydlige Florida er hjemsted for slanke lavvingede Cirrus-, Mooney- og Beechcraft-flyvemaskiner.

Sådan afspejler de store pilotuddannelsesorganisationer i USA den organisatoriske træghed i forhold til foretrukne og etablerede relationer mellem uddannelsesorganisationen og de forskellige producenter snarere end iboende overlegne egenskaber ved høje eller lave vinger.

Den aerodynamiske konstruktion og kravene til specifikke luftfartøjers ydeevne har større indflydelse på de overordnede forskelle mellem høj- og lavvingedesigns. Konstruktørerne forsøger at frembringe specifikke egenskaber for hver enkelt model med hensyn til hastighed, håndtering, nyttelast, indvendig volumen og meget mere, og derfor er vingens placering mindre kritisk end de faktiske aerodynamiske former og valget af fremdriftssystem.

Fordele og ulemper ved høj- og lavvingede luftfartøjer findes i forhold til de bredere præstationsmuligheder og relevante praktiske overvejelser i forbindelse med luftfartøjets primære opgave. Derfor er de bedste egenskaber ved høj- eller lavvingede luftfartøjer en afspejling af luftfartøjets specifikke opgave.