Flugzeug mit Schwingflügeln Die Erfindung bezieht sich auf ein Flugzeug mit Schwingflügeln, die in Richtung der Spannweite aus gelenkig miteinander verbundenen Teilen bestehen.
Bei den bekannten Flugzeugen dieser Art sind die Achsen der Gelenke senkrecht zur Flügelebene an geordnet. Damit soll erreicht werden, den Gesamt flügel zusammenzuklappen und ihn an den Rumpf anlegen zu können.
Demgegenüber verlaufen nach der Erfindung die die Teile verbindenden Gelenkachsen parallel oder annähernd parallel zur Flügelebene. Diese Ausfüh rung trägt der der Erfindung zugrunde liegenden Er kenntnis Rechnung, dass der Knotenpunkt des Schwin gungsvorganges nicht mit dem Gelenkpunkt des Schwingflügels am Rumpf zusammenfällt, sondern weiter aussen liegt und mit dem aerodynamischen Auftriebsmittelpunkt des schwingenden Flügels zu sammenfällt.
Zweckmässig ist jeder Schwingflügel in Richtung der Spannweite durch mindestens zwei Gelenke un terteilt.
Durch die gelenkige Aufgliederung der schwin genden Massen über die ganze Flügelspannweite wird ein nahezu harmonisches Schwingen der ganzen flie genden Massen erreicht. Durch eine entsprechende Steuerung kann dabei erreicht werden, dass die Aussenflügel grössere Ausschläge beim Schwingen machen können als die mitschwingenden Innenflügel.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich ein derart aufgebautes Schwingenflugzeug bereits mit der Muskelkraft eines einzelnen Menschen eine ge wisse Zeit im Horizontalflug halten kann. Wählt man als Antriebskraft einen entsprechend bemessenen Mo tor, dann lässt sich ein genügender Vorschub und Auf trieb erzeugen, um die Maschine in der Luft zu hal ten und zum Steigflug zu bringen. Die Zeichnung bringt ein Ausführungsbeispiel für das Flugzeug, und zwar in Form eines Segelflugzeu ges mit Beinmuskelbetätigung für den Schlagflügel antrieb, um die Maschine bei Wegfall von Steigwind durch Schlagen der Flügel eine gewisse Zeit im Hori zontalflug zu halten.
Dabei zeigen: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch den Rumpf der Maschine mit dem Antrieb für die Schwingflügel; Fig.2 eine schematische Ansicht der Maschine von vorn, wobei nur der rechte Schwingflügel in sei ner ganzen Ausdehnung dargestellt ist; Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Ma schine gemäss den Fig. 1 und 2 mit den wesentlichen Elementen des Schwingsystems, wobei nur der rechte Teil der Maschine vollständig dargestellt ist; Fig. 4 das Seilzugsystem für das mit dem Innen flügel gekoppelte Schwingen des Aussenflügels;
Fig. 5 eine andere Lösung für das mit dem Innen flügel gekoppelte Schwingen des Aussenflügels; Fig. 6 ein Diagramm des angestrebten Bewe gungsverlaufs der einzelnen Schwungfedern mit der Zuordnung des dafür erforderlichen Winkelausschla ges des Federquerschnitts; Fig. 7 das allgemeine Schema der hydraulischen Steuerung; Fig. 8 der allgemeine Einbau des Steuerzylinders im Zusammenhang mit dem Steuerschieber und die Dbertragung der Bewegung des Steuerschiebers auf die einzelnen Federn des Aussenflügels; Fig. 9 ist ein Diagramm; Fig. 10 ist ein Vergleichsschema.
Am mit einer durchsichtigen Haube 1 abgedeck ten Flugzeugrumpf 2 mit dem Seitenruder 3 und der Höhenflosse 4 sind beiderseits zwei untereinander gleiche Flügelstummel 5 angesetzt. An diese Flügel stummel 5 sind über Gelenke 6 schwingfähige Innen- Hügel 7 und an den Enden dieser Innenflügel 7 über weitere Gelenke 8, die gegenüber dem Innenflügel wiederum in der Vertikalen beweglichen - allgemein mit 9 bezeichneten - Aussenflügel angeschlossen.
Die Aussenflügel 9 bestehen aus einer Flügelwurzel 10, die sich dann nach aussen in einzelne Federn 11 aufgliedert. Die Federn 11 sind mit ihren Schäften in der Wurzel 10 der Aussenflügel 9 so gelagert, dass sie um ihre Längsachse zum Zwecke der Änderung des Anstellwinkels verdrehbar sind. An den Innenflügeln 7 sitzen die üblichen Querruder 12.
Die Hauptholme 13 der beiden Innenflügel 7 sind im Rumpf an ein gemeinsames Führungsstück 14 angelenkt. Dieses Führungsstück kann längs einer oder mehrerer senk rechter Führungen 15 auf und ab gleiten.- Um dem Führungsstück 14 und damit den Schwingflügeln 7, 9 eine auf und ab schwingende Bewegung zu erteilen, ist das Führungsstück 14 in ein Seilzugsystem mit Kraftspeichern 16 und 17, im Beispiel Gummipakete, eingegliedert, das vom Piloten über eine längs des Holmes 18 verschiebbare Fussraste 19 in eine Wech selbewegung versetzt wird. Drückt der Pilot mit sei nen Füssen die Fussraste 19 nach vorn, dann zieht er über die Seilrollen 20 und 21 mit dem Seil 22 im Beispiel das Führungsstück 14 nach oben.
An diesem Führungsstück 14 ist aber über das Seil 23 und die Rolle 24 das Gummipaket 17 angehängt, das über die Spannrolle 25 im Rumpf spannbar ist. Dadurch wird der aus dem Gummipaket 17 bestehende Kraftspei cher aufgeladen und zieht beim Aufhören des Fuss drucks am Ende des Nachvornschiebens der Fussraste 19 die Fussraste wieder in die Ausgangslage zurück und wird über die Ausgangslage hinaus bewegt. Zum Abfangen dieser Bewegung ist am Führungsstück 14 über ein weiteres Seil 26 das zweite Gummipaket 16 angehängt. Dieses Gummipaket 16 ist an einer zwei ten, neben der Spannrolle 25 auf der gleichen Achse sitzenden Spannrolle 27 befestigt und spannbar.
Beim Rücklauf der Fussraste 19 unter dem Zug des Gummi paketes 17 wird das Gummipaket 16 aufgeladen und die Schwingungsbewegung der Flügel 7, 9 nach unten vom Gummipaket 16 abgefangen. Dabei werden die Schwingflügel 7 und 9 aus dem grössten Ausschlag wieder so weit zurückgeholt, dass der Pilot das Schwin gen der Fussraste 19 fortführen kann. Durch diese Anordnung schwingt das Führungsstück 14 gleich mässig auf und ab.
Aus Bewegungsgründen ist die Fussraste so ein gerichtet, dass der Pilot sie mit den Füssen auch zu rückholen und damit die Wirkung der Gummizüge unterstützen kann. Die Spannregelung beider Gummi pakete 16 und 17 erfolgt vom Pilotensitz aus über Schneckengetriebe und Zahnräder duich Verdrehen der beiden Spannrollen 25 und 27. Der Pilot kann damit die Spannung der Gummipakete 16 und 17 so einstellen, dass im Flug der Tragflächenauftrieb gegen sein Eigengewicht und den unveränderlichen Ge wichtsanteil der Maschine ausgeglichen wird und die Schwingflügel im ruhigen Gleitflug, d. h. bei ruhender Fussraste 14, in der Horizontalen bleiben und nicht hochklappen. In dieser Stellung der Fussraste kann man auch eine Raste vorsehen.
Wie die Fig. 2 zeigt, machen die Aussenflügel 9 beim Schwingen der Innenflügel 7 um die Gelenke 6 durch das Auf- und Abgleiten des Führungsstücks 14 mit dem daran angelenkten Hauptholm 13 längs der vertikalen Führungsstange 15 einen grösseren Winkelausschlag als die Innenflügel 7. Beim Aus führungsbeispiel ist dies durch Seilzüge erreicht (Fig.4). Dazu trägt die Gelenkachse jedes Aussen flügels 9 eine mit dem Aussenflügel starr verbundene Rolle 28. Diese Rolle 28 ist um die feste Achse 29 am Aussenende jedes Innenflügels 7 drehbar. Von den Festpunkten 30 und 31 am Aussenende jedes Flügel stummels 5 sind Seilzüge 32, 33 überkreuz zur Rolle 28 geführt, dort gegenseitig herumgelegt und dann an der Rolle befestigt.
In der Regel wird man nicht nur je ein Seil 31 und 32, sondern mehrere über die ganze Flügelbreite parallel nebeneinander mit Abstand lie gende Seile benutzen, d. h. man muss sich die Befesti gungsachsen und die Rolle 28 als eine längliche Walze vorstellen. Der Ausschlag der Aussenflügel 9 wird dann in Abhängigkeit vom Ausschlag der Innenflügel 7 gleichzeitig durch das Verhältnis des Rollendurch messers zum Abstand der Befestigungsachsen 30, 31 an den Flügelstummeln 5 bestimmt. Je kleiner der Durchmesser der Rollen 28 ist, um so grösser wird der Winkelausschlag der Aussenflügel 9 gegenüber den Innenflügeln 7.
Es ist auch ein solcher Anschluss der Seilzüge 32, 33 denkbar, dass sich die Aussenflügel 9 so gegen den Innenflügel 7 bewegen, dass sie etwa parallel zu den Flügelstummeln 5 bleiben. Dann dürfen sich die Seil züge 32, 33 natürlich nicht überkreuzen. Bei dieser Lösung verringert sich die vertikale Amplitude des Flugzeugmittelteils beim Schwingen.
Man kann schliesslich die Befestigung der Seil züge gemäss Fig. 5 aus den Innenflügeln auch noch in den Rumpf hineinverlegen und die Verbindungs gerade durch die Befestigungslinien 30 und 31 zur vertikalen Rumpfachse winklig verstellbar machen; z. B. durch Verlegung der Befestigung auf ein Steuer organ, z. B. wie ein Steuerknüppel 34. An diesem Steuerorgan greifen dann die Seilzüge 32, 33 beider Schwingflügel an. Beim Verdrehen des Steuerorgans gegenüber der Senkrechten durch den Rumpf wird der Ausschlagwinkel des einen Aussenflügels gegen über dem anderen vergrössert und die Stabilisierung der Maschine in der Horizontalen um die Rumpf achse zum Kurvenflug ermöglicht.
Diese Lösung emp fiehlt sich besonders für Nur-Flügelflugzeuge, wobei dann noch die Flügel pfeilförmig am Rumpf angeord net sein können.
Zur Erzeugung von Vortrieb sind hier die Aussen flügel 9 in einzelne Federn 11 aufgegliedert, deren Achsen etwa in Richtung des Flügelhauptholms lie gen und in Abhängigkeit vom Flügelausschlag anstell- bar sind. Dazu ist jede im Querschnitt wie eine Trag fläche ausgebildete Feder um ihren die Längsachse bildenden Kiel drehbar in der sogenannten Wurzel 10 des Aussenflügels 9 gelagert. Als Wurzel 10 wird dabei das geschlossene, nicht in Federn aufgeglie derte, unmittelbar am Gelenk 28, 29 liegende Stück des Aussenflügels 11 bezeichnet. Die Federkiele lau fen in dieser Wurzel 10 in Schäfte 35 aus. Die Schäfte 35 sind in der Wurzel 10 um ihre Achse drehbar gelagert und untereinander, z.
B. durch Zahnräder 36, so gekuppelt, dass alle Federn 11 um den gleichen Anstellwinkel drehbar sind.
Das Anstellen erfolgt beim Ausführungsbeispiel hydraulisch mit Öldruck in Abhängigkeit vom Aus schlag der Aussenflügel 9 gegenüber den Innenflügeln 7, solange die Flügel schwingen. Bei ruhenden Flü geln ist der Anstellwinkel unabhängig vom Flügelaus schlag, mit dem die Maschine gerade zur Ruhe ge bracht wird, auf den normalen Anstellwinkel einge stellt, z. B. etwa 3 , weil die Scheibe 48 zwischen den Bälgen 44 und 45 von den Federn 53 und 54 auf die Mittelstellung gezogen wird.
Zur hydraulischen Ver änderung des Anstellwinkels der einzelnen Federn 11 ist im Beispiel im Flügelstummel 5 ein Druckzylinder 37 vorgesehen, dessen Kolben 38 über die Kolben- Stange 39, das Gelenk 40 und eine Schubstange 41 am auf und ab gehenden Führungsstück 14 angelenkt ist und damit in Abhängigkeit vom Flügelausschlag hin und her geschoben wird. In der Horizontallage der Flügel (d. h. beim Anstellwinkel 3 ) steht dieser Kolben 38 genau in der Mitte des Zylinders 37. An fang und Ende des Zylinders sind nun über Druck leitungen 42 und 43 mit den Schubzylindern 44 und 45 verbunden.
Die Schubzylinder 44 und 45 bestehen aus zwischen den Ständern 46 und 47 befestigten und durch eine Scheibe 48 miteinander gekuppelten Bäl- gen. Wenn man den Zylinder 44 durch die Füllung nach rechts ausdehnt, wird die Scheibe 48 durch gleichzeitiges Absaugen von Drucköl aus dem Zylin der 45 nach rechts verschoben. Umgekehrt wird die Scheibe 48 durch Füllung des Zylinders 45 nach Absaugen von Drucköl aus dem Zylinder 44 nach links verschoben. Die Scheibe 48 ist über geführte Stossstangen 49 mit einer Platte 50 verbunden, die eine Stange mit Steilgewinde 51 trägt.
Auf der Stange mit Steilgewinde 51 ist ein Zahnrad 52 geführt, das sich unter dem Vor- und Rückhub der Stange mit Steilgewinde 51 und dadurch über die Zahnradvor- gelege 36, die Schäfte 35 der einzelnen Federn 11 einheitlich verdreht. Jeder Hub des Kolbens 38 im Zylinder 37 nach links oder rechts verschiebt deshalb die Stange mit Steilgewinden 51 ebenfalls nach links oder rechts und verdreht über die Zahnräder 52 und 36 die Federn 11 des Aussenflügels 9.
Die Steuerkurve 60 auf dem Steuerschieber 57 ist so ausgeführt, dass eine etwaige Druckdifferenz zwi schen den Förderleitungen 42 und 43 bei einem Still stand des Kolbens 38 in jeder Lage des Kolbens aus geglichen wird. Wenn der Kolben 38 nur mit gerin ger Geschwindigkeit von seiner Mittellage in eine der beiden Endstellungen gebracht wird, so dass die von ihm beförderte Ölmenge über die Ausgleichsleitung 56, in welcher sich der Steuerschieber 57 befindet, abfliessen kann, so sorgen die Federn 53 und 54 dafür, dass die Scheibe 48 ihre mittlere Betriebslage nicht ändert.
Wenn jedoch der Kolben 38 mit grö sserer Geschwindigkeit hin und her bewegt wird, etwa mit der Geschwindigkeit, die der normalen Betriebs bewegung des Führungsstückes 14 entspricht, wel ches durch Seilzüge mit dem schwingenden Flügel mechanismus mechanisch verbunden ist, so kann die vom Kolben 3 8 beförderte Ölmenge nicht mehr über die durch den Schieber 57 gebildete Durchlaufstelle voll überfliessen. Die irn Drosselquerschnitt 56 des Schiebers 57 überfliessende Ölmenge wird dadurch weiter dosiert, dass der Schieber 57 seinerseits im Punkt 59 (Fig.8) mit dem äusseren Flügelteil 10 drehbar verbunden ist, während das Gehäuse des Steuerorgans 55 mit dem Flügelteil 7 (Fig. 4) schwenk bar verbunden ist.
Durch die Relativbewegung der beiden Bauteile 57 und 55 zueinander kann sich die auf dem Steuerschieber 57 vorhandene Drosselkurve auswirken. Es entsteht auf diese Weise ein Kräfte spiel zwischen der vom Kolben 38 geförderten Öl menge einerseits und den Federn 53 und 54 ander seits.
Bei der folgenden Betrachtung ist es notwendig, das Überfliessen der vom Kolben 38 geförderten Öl menge in eine zeitliche Beziehung zu den jeweiligen überlaufquerschnitten zu bringen, die vom Steuer schieber 57 freigegeben werden. Die Auswirkung die ses Beziehungsverhältnisses ist in Fig. 6 dargestellt. Wenn der Kolben 38 etwa seine mittlere Betriebs stellung während eines Schwingungsvorganges erreicht hat, so ist dieses der Punkt seiner grössten Kolben geschwindigkeit. Diesem Betriebszustand entspricht der Schnittpunkt der Wegkurve im unteren Schau bild von Fig. 6 mit der Nullinie. Der Kolben 38 be findet sich entsprechend der Mittellage der Flügel ebenfalls in seiner Mittellage.
Die vom Kolben 38 auf seinem Wege zu dieser Betriebsstellung hin geför derte Ölmenge hat die Scheibe 48 in ihre linke End- stellung gedrückt. Damit ist der grösste Winkelaus schlag des Federquerschnittes gegenüber der Hori zontalen erreicht, wie es in der oberen Kurve in Fig. 6 über dem Weg 4 m aufgetragen ist.
Hat der Kolben 38 seine rechte Endstellung er reicht, welche Stellung dem grössten Schwingflügel ausschlag entspricht, so ist bei der inzwischen lang samer gewordenen Kolbengeschwindigkeit und dem durch die Lage des Steuerschiebers 57 freigegebenen Überlaufquerschnitt ein Druckausgleich zwischen den Leitungen 43 und 42 eingetreten, so dass die Feder 54 die Scheibe 48 wieder in ihre Mittelstellung ziehen konnte. Dieser Betriebszustand ist auf der 6 m verti kalen Linie bei Fig. 6 dargestellt. Die Wegkurve zeigt den Federquerschnitt in seinem unteren Umkehr punkt, welcher dem rechten Umkehrpunkt des Kol bens 38 entspricht, während der Winkelausschlag des Flügels infolge ausgeglichenen Öldruckes in den Lei tungen 42 und 43 3 beträgt.
Bei der rückläufigen Bewegung des Kolbens 38 von seiner rechten Endstellung zur linken wird in seiner Mittelstellung wiederum das grösste Druck gefälle zwischen den Leitungen 42 und 43 erreicht. Jedoch ist der höhere Druck nunmehr in der Leitung 42. Dieser Öldruck fördert die Scheibe 48 in ihre rechte Endstellung, womit der auf der vertikalen 8-m- Linie dargestellte Zustand erreicht wird. Der Schwin5 flügel hat seine mittlere Lage erreicht, wobei der Kolben 38 sich ebenfalls in seiner Mittelstellung be findet. Die von ihm bis dahin geförderte Ölmenge hat den grössten Winkelausschlag bewirkt, wie es die Winkelausschlagkurve darstellt.
Wenn der Kolben 38 seine linke Endstellung er reicht hat, was der oberen Betriebsstellung der Schwingflügel entspricht, so ist wiederum die von ihm auf seiner Bewegung von rechts nach links geförderte Ölmenge über den Steuerkanal 56 und die entspre chende Stellung des Steuerschiebers 57 von der Lei tung höheren Druckes 42 in die Leitung niederen Druckes 43 abgeflossen. Die Scheibe 48 hat durch die Federkraft 54 ihre Mittellage erreicht, wobei über die Teile 49, 50, 51, 52 der Ausschlagwinkel der Federn auf 0' zurückgeholt wurde. Dieser Betriebs zustand entspricht der Darstellung in Fig. 6 auf der 10-m-Vertikalen.
Durch die Bewegung der Schwingflügel von der beschriebenen Betriebsstellung in die nun folgende mittlere wandert der Kolben 38 von der linken End- stellung wiederum in die mittlere, die oben beschrie ben wurde.
Das über der Wegkurve in Fig.6 mit seinem jeweiligen Winkelausschlag dargestellte Flügelelement beschreibt eine sinusförmige Bahn in bezug auf eine - angenommen - geradlinige, horizontale Flugbahn des gesamten Flugzeuges.
Daraus wird ersichtlich, dass der Weg des be trachteten Federquerschnittes im Vergleich zum ge radlinigen Weg des Flugzeuges länger ist (Fig. 9). Er ist um so länger, je grösser die Amplitude des Schwin gungsvorganges ist, d. h. je weiter der betrachtete Federquerschnitt zum Flügelende hin verschoben wird. Die Anblasrichtung des Federprofils entspricht in jedem Punkte der Sinuslinie, der Tangente in die sem Punkte an die Sinuslinie. Die hiermit beschrie bene Steueraufgabe für die Schwenkbewegung des be trachteten Flügelquerschnittes muss im wesentlichen erfüllt werden.
Neben dem Wesentlichen spielen wei tere Einflüsse eine Rolle, wie insbesondere der An stellwinkel des betrachteten Federquerschnittes, d. h. der Anstellwinkel der Sehne dieses Federquerschnittes gegenüber der Tangente an die Sinuslinie im Be trachtungspunkt. Dieser Anstellwinkel ist eine Funk tion der Wegstrecke, wie nachstehend beschrieben wird.
Der Vortrieb AH beim Flügelabschlag (Fig.9) entsteht nun dadurch, dass der Auftrieb eines Feder profils in jedem Falle senkrecht auf der Sehne dieses Profils steht. So ergibt sich eine horizontale Kompo nente des Auftriebs, die die Grösse des Vortriebs an gibt. Die das Vektordiagramm schliessende vertikale Komponente des Auftriebs aus diesem Schaubild sollte nun - das ist eine zweite Forderung an den Steuerorganismus für die Drehbewegung des Feder querschnittes - auf dem sinusförmigen Wege des Federquerschnittes beim Flügelabschlag ständig an nähernd die gleiche Grösse haben (Fig. 10).
Würde diese Forderung nicht erfüllt, würde beispielsweise die vertikale Komponente des Auftriebs infolge der grösseren Anblasgeschwindigkeit dieses Flügelprofils oder infolge eines grösseren Anstellwinkels dieses Flügelprofils gegenüber der Tangente an der Sinus linie bei der Abschlagbewegung grösser, so würde der Ablauf des angestrebten normalen, annähernd har monischen Schwingungsvorganges gestört. Es würde dem Schwingungsvorgang eine Leistung entnommen, die den Schwingungsvorgang dämpft, die die Ampli tude verkleinert. Im umgekehrten Betrachtungsfalle tritt das Gegenteil ein, eine Vergrösserung der Am plitude.
Beim Flügelaufschlag ist der Anstellwinkel nega tiv, so dass ein Abtrieb erzeugt wird, dessen horizon tale Komponente einen Vortrieb ergibt. Die ausgezo gene Linie im oberen Teil der Fig. 6 zeigt den Ver lauf des Winkels, welchen die Tangente an der un teren Sinuskurve mit der Horizontalen einschliesst, während die gestrichelte Linie den Verlauf des Win kels zwischen der Sehne des Federprofils und der Horizontalen darstellt.
Zur Beherrschung der Steueraufgabe für diese aerodynamischen Zusammenhänge dient die hydrau lische Anlage nach den Fig. 7 und 8, wie es weiter oben beschrieben wurde. Zu dieser Anlage sei noch bemerkt, dass in der Fig. 7 zwischen der Scheibe 48 und den Ständern 46 und 47 eingespannte Schrau benfedern vorgesehen sind, um die Scheibe 48 in die Mittelstellung zurückzuführen. Man muss nicht un bedingt solche Spannfedern vorsehen, sondern kann die Druckzylinder 44 und 45 als in sich spannende Gummimuffen ausbilden.
Da der Schieber im Durch gang für den Flügelabschlag nicht mit gleicher Form der Drosselkurven, wie in umgekehrter Richtung für den Flügelaufschlag - verwendbar ist, muss der Schieber 57 bei der Bewegungsumkehr plötzlich wie der in die Ausgangsstellung zurückgeschaltet werden. Dieses plötzliche Zurückschalten kann man hydrau lisch, mechanisch durch ein Kippsystem oder elek trisch durch Relaisschalter erreichen.
Für Flugzeuge mit Schwanzleitwerk ist gemäss Fig. 1 und 3 in der Höhenflosse eine Dämpfungs- fläche 4 vorgesehen, die in Abhängigkeit von der Bewegung des Führungsstückes 14 auf und ab ge schwenkt wird und damit den Schwanz der Maschine zugleich mit dem Bug hebt und senkt und so das Nicken des Rumpfes in seiner Längsachse während des Schwingens der Schwingflügel verhindert.