Flygplan med höga och låga vingar (fördelar, nackdelar och viktiga skillnader) – Airplane Academy

Underskotten mellan flygplan med höga och låga vingar är visuellt sett uppenbara. Högvingade flygplan placerar vingen ovanför flygplanskroppen, flygplanets huvudkropp, medan lågvingade flygplan placerar vingen under flygplanskroppen.

Båda konfigurationer har för- och nackdelar och valet av endera konfigurationen är ett val som görs av de ingenjörsteam som bygger flygplanet mycket tidigt i konstruktionsprocessen för att uppfylla de krav på prestanda som krävs för flygplanet. Vilka är skillnaderna mellan flygplan med hög och låg vinge?

Varje vingkonfiguration är fördelaktig på sitt unika sätt när det gäller utbildning, prestanda, underhåll och daglig användning. Högvingade luftfartyg är i allmänhet mindre aerodynamiska, något lättare att träna i för den nya piloten och lättare att komma åt för rutinunderhåll än lågvingade luftfartyg.

Då det inte finns något ”rätt” svar, är en jämförelse mellan högvingade och lågvingade konstruktioner i grunden ett uttryck för en avvägning av pilotens eller operatörens behov. Det finns många konsekvenser av att välja ett hög- eller lågvingeflygplan, och därför är det viktigt att tänka igenom alla dessa när man bestämmer sig för vilket som är bäst för den egna situationen.

Aerodynamik

Flygplanskonfigurationen är inledningsvis inriktad på aerodynamik. Vingens, stjärtpartiets och skrovets placering, storlek och form bestämmer flygplans grundläggande hanteringsegenskaper. För flygplan med höga och låga vingar kommer stora skillnader att uppstå inom följande områden: sidostabilitet (rullstabilitet), egenskaper för hantering vid låga hastigheter och allmänna flygplansprestanda (marschfart, start- och landningsavstånd etc.).

Som en tankeövning kan man betrakta två konstruktioner med trehjulig växel med samma vikt, längd, vingform, flygplansform, stjärtparti och motor, en med vingen ovanför flygkroppen och en med vingen under flygkroppen.

Rullkännetecken

Först skall man beakta sidostabiliteten, eller rullkännetecknen. För det högvingade flygplanet ligger tyngdpunkten under vingen, vilket innebär att flygplanets skrov fungerar som en pendel för att öka rullstabiliteten i förhållande till det lågvingade flygplanet, vars tyngdpunkt är balanserad ovanför vingen.

För det högvingade flygplanet kommer det att finnas en relativt liten benägenhet att gå in i en instabil spiraldescent, men aileronkrafterna kommer att vara större för att slutföra en rullningsmanöver.

Detta är en önskvärd effekt för luftfartyg som är avsedda att flyga i instrumentflygförhållanden under långa perioder med låg arbetsbelastning för piloten. Denna tendens är dock till nackdel för anaerobatiska showflygplan som är konstruerade för höga rullningshastigheter och snabba rullningsmanövrar, och kan leda till en känsla av ”tyngd” i aileronerna för mer typiska kryssningsflygplan.

Landningsegenskaper

Konsultera nästa gång handhavandeegenskaperna vid låga hastigheter, särskilt landnings- och stallegenskaperna. Under landningsflaggningen kommer det lågvingade flygplanet att gå in i markeffekter något tidigare än det högvingade flygplanet och kommer att uppleva en större minskning av luftmotståndet för samma höjd över marken.

Den starkare markeffekten under utflytningen gör att lågvingeflygplanet ”flyter” lättare än högvingeflygplanet, vilket är en egenskap som, när den används på ett skickligt sätt, bidrar till att mjuka upp landningen. Men samma markeffekt kan uppmuntra till ballongbildning under utflytningen och kan göra det svårare att genomföra exakta landningar.

Det högvingade flygplanet kommer fortfarande att uppleva markeffekt, men eftersom vingen är flera meter längre bort från landningsbanan reduceras den totala effekten på flygplanet kraftigt, eftersom markeffekten minskar exponentiellt med skillnaden från landningsbanans yta. Det högvingade flygplanet kan därför ha kortare landningssträckor, eftersom det ”slår” igenom markeffekten lättare.

Stallegenskaper

Stallegenskaperna är också ett problem när det gäller hantering med låg hastighet. Om man antar att flygplanets korta horisontella svans är monterad på eller nära botten av skrovet, kan turbulensen från vingen vid höga angreppsvinklar i ett flygplan med höga vingar vara mer sannolik för att störa flygplanets svans. Denna störning av kölvattnet är beroende av klapparnas läge och ett antal andra konstruktionsfaktorer, men två primära effekter kan antas.

Flygplanet med höga vingar har större sannolikhet att stöta på en stark buffertverkan nära stall, vilket avskräcker piloten från att sakta ner ytterligare. Vingens interferens med stjärten kan minska höjdrodrets effektivitet på grund av effekten av ”downwash”.

Den nedåtgående effekten i produktionsflygplan är starkt beroende av specifika konstruktionskriterier, men i slutändan minskar denna effekt angreppsvinkeln på den horisontella stjärten, vilket minskar höjdrodrets effektivitet.

Med starkare buffert före stall och minskad höjdrodereffektivitet kommer högvingeflygplanet att uppvisa stallegenskaper i lutning som både avskräcker från att gå in i stall och ökar den pilotansträngning som krävs för att uppnå stall. Lågvingade luftfartyg kommer däremot att uppvisa stallegenskaper i stigning som ger piloten mindre varning för förestående stall.

Kryssningsegenskaper

För det sista kan flygplanets prestanda vid start, kryssning och landning påverkas av vingarnas placering. Högvingade flygplan kommer att drabbas av ett ökat ”profilmotstånd” och ”interferensmotstånd”, som särskilt påverkar marschfartsprestanda.

Profilmotståndet är det motstånd som uppstår när luften helt enkelt träffar flygplanets framsida, och störningsmotståndet är det motstånd som uppstår när luftflödet interagerar med de olika hörn, vinklar och vrår som finns på flygplanet.

Tänk på placeringen av landningsstället på det exempelflygplan som har låga vingar; det är fäst direkt på vingen med minimal ytterligare struktur eller kåpor som krävs för att skapa en effektiv aerodynamisk form. I motsats till detta kommer flygplanet med höga vingar att antingen fästa landningsstället på vingen, vilket är tungt och strukturellt tveksamt, eller på flygplanskroppen.

I båda valen av utformning av landningsstället kommer flygplanet med höga vingar att ha mer ”saker” hängande från flygplanet jämfört med flygplanet med låga vingar. Om det högvingade flygplanet också behöver en stötta för att förstärka vingen blir det uppenbart att det högvingade flygplanet skapar mer profil- och störningsmotstånd jämfört med det lågvingade flygplanet.

Den lägre dragprofilen hos det lågvingade luftfartyget ger större marschfartsprestanda i förhållande till den högvingade konstruktionen; resultatet är högre verkliga lufthastigheter och/eller lägre bränsleförbrukning vid marschfart.

Takeoffprestanda

Takeoffprestanda och landningsprestanda påverkas av de problem med markeffekter som diskuterats tidigare. Om man först tar hänsyn till starten kommer flygplan med låga vingar att gynnas av en kortare markrullning och ett kortare avstånd till hinder.

Då toppvirvlarna kommer att avbrytas i markeffekten något längre utvecklar flygplanet något mer lyftkraft och därmed en något brantare stigningsgradient. Denna markeffekt resulterar i längre landningsavstånd av exakt samma anledning.

Den låga vingkonfigurationen resulterar i längre landningsavstånd, där luftsträckan är den horisontella sträcka som tillryggaläggs mellan 50 fot ovanför landningspunkten och landningspunkten.

Allmän aerodynamik

Baserat på tankeexperimentet ovan tycks det som om flygplan med låga vingar generellt sett har fler fördelar aerodynamiskt sett än flygplan med höga vingar. Det är dock viktigt att notera att ovanstående experiment inte tar hänsyn till effekten av en svanshjulskonfiguration eller tillåter användning av olika flygplansprofiler, vingformer osv.

Aerodynamikerna som konstruerar verkliga flygplan gör val som dramatiskt påverkar flygplanets stabilitet, kontrollegenskaper, stallegenskaper, kryssningsprestanda och start- och landningsavstånd.

Flygplan i den verkliga världen är i allmänhet endast jämförbara i förhållande till varandra på ett holistiskt sätt, snarare än att vara jämförbara i förhållande till deras vingposition. Därför finns det få absoluta slutsatser att dra mellan produktionsflygplan, men begreppen i detta tankeexperiment belyser några av de överväganden som görs under den inledande designprocessen för ett nytt flygplan.

Flygträning

Är flygplan med höga vingar eller låga vingar bättre för grundläggande pilotutbildning? I praktiska termer för pilotelever spelar det ingen roll. Piloelever bör vara mer intresserade av att hitta en kompetent instruktör, en högkvalitativ flygskola, ett väl underhållet flygplan som ryms inom deras budget och tidsramar.

Som antytts i slutsatsen av tankeexperimentet ovan har de enskilda konstruktionsegenskaperna hos specifika luftfartyg en betydligt mer dramatisk inverkan på de grundläggande flygegenskaperna hos den typen av luftfartyg.

I allmänhet finns det tre frågor som pilotelever bör vara medvetna om när de jämför hög- och lågvingade luftfartyg: Ingress/Exit, sikt och landningsegenskaper.

Ingress/Exit i hög- och lågflygplan

De flesta lågflygplan som används i flygutbildningsmiljön har en enda dörr på höger sida av flygplanskroppen. Det vanligaste av dessa typer av luftfartyg kommer att vara Piper Cherokee-familjens luftfartyg.

För att komma in i flygplanet måste eleven glida över sätena innan flyginstruktören kommer in, och om det är viktigt att det är lätt att komma in kan det vara en utmaning att klämma sig mellan sätena och flygkontrollerna.

Det finns dessutom inget skydd mot regn eller sol när flygplanet lastas.

Det finns också en handfull flygplan med glidande eller lutande skärm som kan användas för utbildning i den globala flygutbildningsflottan, Diamond DA40/42-serien och Drumman American-serien är goda exempel på denna typ av system med låga vingar för av- och påstigning. Med det rörliga systemet kan instruktören och eleven gå in i flygplanet oberoende av varandra, men det krävs viss manövrering och försiktigt fotarbete för att undvika att trampa på klädseln.

De vanliga högvingeutbildningsflygplanet är nästan genomgående flygplanet från Cessna 172-familjen. Dessa flygplan har vänster och höger dörrar som gör det möjligt att ta sig in och ut till både de främre och bakre sätena från antingen vänster eller höger sida. Dessutom ger den höga vingen skugga och skydd mot sol och regn under lastning och flygning.

Synlighet med hög vinge jämfört med låg vinge

God synlighet utåt är en ofta underskattad aspekt av valet av övningsflygplan. Ett antal övningsmanövrar kräver att piloteleverna visuellt följer en punkt på marken och alla piloter bör ständigt söka efter trafik, särskilt när de manövrerar i trafikerade, trånga övningsområden.

Högvingade flygplan har fördelen av utmärkt sikt nedåt, vilket är användbart vid landningsövningar och träning av markreferensmanövrar.

Däremot erbjuder lågvingade flygplan en mindre begränsad sikt uppåt och framåt, vilket bidrar till att förenkla trafikspaning. Piloter måste lära sig att kompensera för de ”blinda fläckar” som är inneboende i den hög- eller lågvingekonfiguration de flyger.

Landningsegenskaper för elevpiloter med hög- respektive lågvinge

Den mest dramatiska skillnaden för nya elever mellan hög- och lågvingeflygplanskonfigurationer kommer att upplevas när de lär sig att landa. Som diskuterats ovan är lågvingade luftfartyg mer benägna att flyta och ballongera i markeffekt under rundning och utflytning jämfört med högvingade luftfartyg.

Färdiga piloter kan utnyttja denna effekt till sin fördel, men pilotstuderande kan ha svårare att bli skickliga i landningsteknik på korta fält och med maximal prestanda. Lång tid i flare-ställning kan också göra det svårare att behärska landningsteknik i sidvind, eftersom den extra exponeringen för växlande vindar och lufthastigheter kräver ytterligare finess vid landning.

Den här tendensen att sväva i flare kräver noggrann hastighetsreglering för att säkerställa att flygplanet stabiliserar sig genom markeffekten och landar på den avsedda punkten. Högvingade luftfartyg kommer däremot att sätta sig lättare under landningsflaggan, men detta medför en risk för att inflygningar med för låg hastighet inte drar nytta av markeffektens ”kudde” för att rädda en hård landning.

Det högvingade flygplanet har också ytterligare marginal för att använda bankvinkeln under inflygningar i sidvind för att hantera banavdriften vid en glidande inflygning till landning. Både hög- och lågvindsflygplanskonfigurationer innebär unika utmaningar, men ingen av dem är i sig lättare eller svårare att lära sig hantera.

Vardaglig flygning

De kanske mest betydelsefulla aspekterna av att jämföra lågvindsflygplan med högvindsflygplan gäller vardagliga, normala rutinuppgifter. För- och efterflygning, lastning, lossning, kabinstorlek, driftsmöjligheter och så vidare är alla aspekter av att ”leva med” ett hög- eller lågvingeflygplan. Vilka av dessa aspekter som är positiva eller negativa beror på flygplanets primära användning, och därför finns det återigen inget rätt svar för alla piloter.

Processen före och efter flygning

Processen före och efter flygning är i allmänhet jämförbar, oavsett var vingen är monterad. Piloter ser till att de olika luftfartygskomponenterna är oskadade, att motor-, bränsle- och oljesystem är i gott skick och att det inte finns några uppenbara tecken på skador. Vingens placering försvårar eller förenklar vissa av dessa uppgifter.

De mest uppenbara skillnaderna mellan hög- och lågvingade flygplan före och efter flygning är att pumpa bränsle för att kontrollera om det finns föroreningar, inspektera landningsstället och inspektera klaffarna och segelhjulen.

Flygplan med höga vingar har den fördelen att piloten kan gå under vingen relativt bekvämt för att komma åt bränsleledningar, gångjärn och manöverdon för klaffar ochaileron samt landningsstället. Lågvingade flygplan kräver att piloten måste huka och till och med krypa under flygplanet för att undersöka dessa komponenter.

För vissa piloter innebär ytterligare svårigheter att utföra dessa åtgärder före flygning att otillräcklig uppmärksamhet kan ägnas åt att undersöka flygplanet under flygning, avsiktligt eller på annat sätt.

Lastning av passagerare

Med tanke på att vi tidigare har berört in- och utträde av hög- och lågvingade flygplan i träningsmiljön, är det värt att överväga processen för lastning av passagerare och last från hög- och lågvingade flygplan.

Högvingade flygplan med bakre lastdörrar tenderar att placera dörren nära eller till och med under vingens bakkant; Detta kan göra det svårare att lasta skrymmande eller tung last jämfört med ett lågvingeflygplan där vingens bakkant inte stör lastningen.

Bra exempel på detta är Beechcraft A36/G36 och Cessna 206. Båda flygplanen har lastdörrar för bakre last- och passagerartillträde, men den lågvingade Beech Bonanza har fördelen att det är lättare att komma åt lasten.

Kabinutrymme

Kabinutrymmet kan också påverkas av vingens placering. För att fortsätta jämförelsen mellan A36/G36 Bonanza och 206 Stationair har Bonanza mer begränsat utrymme för huvud och axlar på grund av den avsmalnande övre delen av flygkroppen, medan Stationair har en fyrkantig övre del av flygkroppen på grund av den höga vingkonfigurationen.

Avhängigt av flygplanets avsedda uppdrag kan båda konfigurationerna fungera lika bra, men det är en faktor att beakta när man jämför de två flygplanen.

Om den råa inomhusvolymen är kritisk maximerar de kvadratiska proportionerna hos många högvingeflygplan, till exempel Cessna 208B Caravan, den volymetriska effektiviteten. Men om den råa hastigheten är ett mer värdefullt konstruktions- eller uppdragsmål kan de tätt formade, finjusterade och smala linjerna hos flygplan i Piper M600-serien vara mer lämpliga, trots minskad inomhusvolym.

Ennu en gång påverkar flygplanets slutliga uppdrag kraven på kabinvolym och talar därför för eller emot en konfiguration med höga eller låga vingar beroende på uppdragskraven.

Operativa förhållanden

Operativa förhållanden och anläggningar spelar också en roll när det gäller att påverka fördelarna och nackdelarna med hög- och lågvingade flygplan. Det vanligaste och kanske mest igenkännbara driftsförhållandet som gör att man föredrar högvingeflygplan är flygning på korta landningsbanor.

Tyckligen är alla optimerade konstruktioner för landskapsflygning högvingade taildraggers som prioriterar stark sikt nedåt och stort avstånd till propellern. Flygplan med höga vingar har också den fördelen att de flyttar vingen bort från däck som kan slunga lera, stenar och grus in i tygvingar och målarfärg.

I kontrast till de korta och mjuka fördelarna med högvingade flygplan dominerar lågvingade flygplan inom affärsflyget. De strukturella fördelarna med lågvingeplanet tjänar till att maximera kabinvolymen och komforten i affärsflygplan.

För affärsflygplan är många flygplanssystem förlagda under kabingolvet eller utanför tryckkärlet för att maximera den tillgängliga kabinvolymen. Dessutom gör den låga vingkonfigurationen att motorerna placeras på den bakre delen av flygplanskroppen, vilket minskar risken för att främmande föremål ska hamna i kroppen. Alla dessa konstruktionsöverväganden bidrar till att maximera passagerarnas komfort, vilket är det yttersta målet för affärsflygplan.

Underhåll

Normala underhållsåtgärder för flygplan med höga och låga vingar är i stort sett likartade, särskilt när det gäller små flygplan med kolvmotorer för allmänflyget. De flesta underhållsåtgärderna är inriktade på motorn och de elektriska komponenterna som är placerade framför brandväggen eller inom instrumentpanelen. I båda dessa fall har vingens placering liten betydelse. Men när mer omfattande systemunderhåll blir nödvändigt kan det finnas praktiska skillnader mellan låg- och högvingade flygplan.

Underskotten i underhållssvårigheter är i slutändan en funktion av vilken typ av underhåll som måste utföras och vilken typ av åtkomst som krävs.

Underhållsarbeten som kräver tillgång till vingens undersida kommer att vara mindre svåra och betydligt enklare på ett högvingeflygplan. Men uppgifter som kräver att luftfartyget lyfts av sina hjul resulterar i betydligt mer otymplig och otymplig utrustning för att serva samma högvingade luftfartyg.

Access till vingens system sker ofta från undersidan av vingen, vilket innebär att de underhållsåtgärder som är förknippade med dessa system är avgörande för den relativa fördelen eller nackdelen med hög- eller lågvingeflygplan. På samma sätt tillför infällbart eller fast landningsställ ytterligare en variabel till underhållsekvationen som kan gynna eller missgynna en hög- eller lågvingekonfiguration.

För blivande ägare eller operatörer är en grundlig diskussion om de olika underhållsöverväganden som är specifika för en flygplanstyp mer relevant än själva vingeplaceringen. Om en betrodd mekaniker inte har den nödvändiga domkraftsutrustningen för att serva det infällbara växelsystemet i de högvingade Cessna-produkterna, kan ett lågvingat flygplan med lika bra prestanda vara mer attraktivt som köpobjekt.

Underhåll är en grundläggande aspekt av ägande och drift av luftfartyg, och om låg- eller högvingekonfigurationen är en viktig faktor för hur svårt det är att utföra regelbundna underhållsåtgärder för en viss flygplanstyp, bör man noga överväga om luftfartyget är lämpligt för de önskade eller nödvändiga uppdragen, så att inte underhållsbehovet blir en utmaning för en säker flygning.

Vad är bättre, högvinge eller lågvinge?

In korthet är ingen av luftfartygskonfigurationerna i grunden bättre än den andra. De relativa fördelarna eller nackdelarna med hög- och lågvingade luftfartyg är beroende av ägarens eller operatörens krav och den primära uppgift som luftfartyget används för.

Detta bekräftas genom att undersöka sammansättningen av de olika flygplansflottor som används i olika delar av flygvärlden.

Flygbolagen har i stort sett standardiserat lågvingeflygplan med motorer som sitter under vingen; affärsflygplan är nästan genomgående lågvingeflygplan med turbopropmotorer monterade på den bakre delen av flygplanskroppen eller turbopropmotorer monterade på vingarna; den allmänna luftfarten är en blandning av låg- och högvingeflygplan, där de omedelbart igenkännbara högvingeflygplanen av Cessna-modellerna är lika utbredda som någon annan enskild tillverkares lågvingeprodukter.

I var och en av dessa flottor är det de operativa kraven som styr designval och inköpsbeslut, där flygbolagen standardiserar efter infrastrukturkraven för flygbolagsverksamhet och affärsflyget drar nytta av passagerarkomforten och de lågvingade flygplanens fördelar i fråga om systemdesign, medan den allmänna flygflottan uttrycker mer individuella krav från varje ägare och operatör.

I Alaska och Idaho domineras baklandet av Piper- och Cessna-flygplan med höga vingar, medan det är mer troligt att FBO:erna i södra Florida är hemvist för eleganta lågvingade Cirrus-, Mooney- och Beechcraft-flygplan.

På samma sätt återspeglar de stora pilotutbildningsorganisationerna i Förenta staterna organisatorisk tröghet i förhållande till föredragna och etablerade relationer mellan utbildningsorganisationen och de olika tillverkarna snarare än överlägsna egenskaper hos hög- eller lågvingar.

Den aerodynamiska utformningen och prestandakraven för specifika luftfartyg har större inverkan på de övergripande skillnaderna mellan konstruktioner med höga och låga vingar. Konstruktörerna försöker åstadkomma specifika egenskaper för varje modell när det gäller hastighet, hantering, nyttolast, inomhusvolym med mera, och därför är vingens placering mindre kritisk än de faktiska aerodynamiska formerna och valet av framdrivningssystem.

Fördelarna och nackdelarna med hög- och lågvingade luftfartyg finns i förhållande till den bredare prestandafunktionen och relevanta praktiska överväganden för luftfartygets primära uppgift. Därför är de bästa egenskaperna hos hög- eller lågvingade luftfartyg en återspegling av luftfartygets specifika uppdrag.