DD218330A1 - Nurfluegler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleiter oder Motorgleiter mit geringer Sinkgeschwindigkeit bei guter Eignung fuer den ferngesteuerten Flug. Die Erfindung loest insbesondere die Aufgabe, die guenstigen Eigenschaften konventioneller Flugzeuge bezueglich der Steuerbarkeit und Laengsstabilitaet mit den guenstigen Eigenschaften von Drachengleitern bezueglich der spezifischen Flaechenbelastung und geringen Herstellungskosten in einem neuen Flugzeug zu vereinen. Die erfindungsgemaesse Loesung der Aufgabe besteht in einem Nurfluegler, dessen Tragfluegel parallel zur Laengsachse eine negative effektive Profilwoelbung aufweist, wobei der Neutralpunkt in Flugrichtung hinter dem Massenmittelpunkt liegt. Die Erfindung ist ueberall dort einsetzbar, wo geringe Sinkgeschwindigkeiten bei guter Steuerbarkeit gefordert sind, wie beispielsweise im Drachenflugsport und Modellsport. Die funktionsbestimmenden Kraefte und Momente am erfindungsgemaessen Flugzeug sind in Fig. 1 dargestllt. Fig. 1

Description

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Nurflügler ' . · .'. \ .' '.". .."''..' ' V-. . '' . '. '[ J.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Gleiter oder Motorgleiter, insbesondere für den ferngesteuerten Flug. Die Erfindung ist ₍ insbesondere als Modellflugzeug, Spielzeug, Sportgerät und Sondenträger geeignet, kann mittels Trägerrakete in

zusammengelegtem Zustand gestartet werden und sich nach Erreichen der vorgesehenen Höhe selbsttätig zum Flugzeug entfalten, um im gesteuerten oder ungesteuerten Flug verschiedene Aufgaben zu erfüllen.

Charakteristik der bekannten technäsehsn Lösungen

Die Flugfähigkeit von Flugkörpern schwerer als Luft kann allgemein als die Fähigkeit bezeichnet werden, dynamischen Auftrieb zu erzeugen. Zur Erzeugung dynamischen Auftriebs sind grundsätzlich zwei Möglichkeiten bekannt. Die eine Möglichkeit besteht in der Gestaltung eines Profils für den Tragflügel des Flugkörpers, bei welchem sich für die ihn umgebende Luftströmung ah seiner Oberseite eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als an seiner Unterseite ergibt. Dadurch entsteht eine profilbedingte Auftriebskraft F_AP, welche in Richtung der Profilwölbung wirkt. Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Tragflügel gegen die Strömung anzustellen, wodurch eine durch den Staudruck bedingte Kraftkompönente entsteht, welche für «>0 als Staudruck bedingte Auftriebskraft F_AS entsprechend dem Vorzeichen des Anstellwinkels entgegen («>0 oder in Richtung der Schwerkraft (a< 0) wirkt (bspw. Drachen).

In beiden Fällen vollzieht sich die Energieumwandlung nicht verlustlos. Die auftretenden profilbedingten Verluste äußern sich insbesondere durch den Profilwiderstand, der die Widerstandskraft F_w bewirkt.

Bezogen auf das Anwendungsgebiet der Erfindung, das Gleiter oder Motorgleiter umfaßt, ist die Profilgestaltung des Tragflügels als funktionsbestimmendes Element von Flugzeugen nach dem Stand der Technik insbesondere auf die Erzielung hoher · Gleitzahlen bei geringster Sinkgeschwindigkeit gerichtet. Bezogen auf den Tragflügel bedeutet dies, möglichst große Flügelflächen sowie hohe Auftriebsbeiwerte bei geringsten Widerstandsbeiwerten und Tragflügelgewichten anzustreben. Nach dem Stand der Technik werden dafür ausschließlich Profile mit positiver Profilwölbung eingesetzt, die darüber hinaus gegen die Strömung positiv angestellt sind. Dadurch werden sowohl der profilbedingte als auch der staudruckbedingte Auftrieb genutzt. Beide Komponenten ergeben die bekannten, durch Messungen ermittelten, Funktionen c_A/F = f(a) und c^p = f(c_{w F}), in welchen sich ihre Wirkungen widerspiegeln. Bezogen auf das oben genannte Anwendungsgebiet der Erfindung müßte ein entspechender Flugkörper idealerweise folgende Grundforderungen erfüllen:

— geringe Sinkgeschwindigkeit,

— leichte Steuerbarkeit, - /

— hohe dynamische Eigenstabilität, - f —· einfache Bauweise :.-'.. _r. in einem möglichst großen Nutzlast-und Horizontalgeschwindigkeitsbereich.

Diese Anforderungen sind mit den bekannten Mitteln des Standes der Technik nicht gleichzeitig erfüllbar. ;

Es ist bekannt, daß die Sinkgeschwindigkeit von Gleitflugzeugen von der Steigzahl "S³I₀Jt und der Flächenbelastung bestimmt wird. Eine wesentliche Verringerung der Sinkgeschwindigkeit durch die Erhöhung der Steigzahl ist auf der Grundlage der _r verfügbaren Werkstoffe nicht mehr möglich, wenn man davon ausgeht, daß für Profilgestaltung, Tragflügelschränkung und geometrie bereits umfassende Optimierungslösungen vorliegen. ^;

Eine wesentliche Verringerung der Flächenbelastung ist dagegen möglich, wenn anstelle des konventionellen, festen Tragflügels ein Flügel aus flexibler Folie eingesetzt wird, welcher mit Hilfe von Spannelementen sowie des Staudruckes eine definierte Form erhält und somit ein aerodynamisch wirksames Profil bildet (sogenannte Rogallo-Flügel). Die so erzielbare günstige Flächenbelastung muß jedoch mit wesentlichen Nachteilen gegenüber konventionellen Flugzeugen in Bezug auf die Steigzahl, die aerodynamische Güte, aber auch auf die Längsstabilität und die Steuerbarkeit erkauft werden.

Die für konventionelle Tragflügel bekannten Maßnahmen zur Verbesserung von Steigzahl und Güte in Bezug auf '

Profiloptimierung und Fjügelstreckung würden bei derartigen Tragflügeln zum Verlust des Vorteils der geringen ]

Flächenbelastung führen. Damit stehen die Forderungen hinsichtlich Steigzahl und Flächenbelastung im Rahmen der bekannten Lösungen zueinander in einem technischen Widerspruch. .-. ' ' ^T'

Zur Realisierung einer definierten Profilwölbung ist es erforderlich, für derartige Gleitflugzeuge stets einen solchen Anstellwinkel zu realisieren, bei dem der Druck unter der Folie eine bestimmte Mindestgröße nicht unterschreitet. Damit ist der Bereich, in welchem dynamischer Auftrieb überhaupt erzeugt werden kann, sehr begrenzt. Praktisch kann ein solcher Gleiter nur durch ständige Schwerpunktverlagerung in einem labilen Gleichgewichtszustand gehalten werden, wobei hinzukommt, daß das Tragflügelprofil ein kopflastiges Drehmoment bewirkt und damit bereits an sich zum Übergang in den Sturzflug neigt. In der DE-OS 2539827,2854939 und 2617033 (B64C 31/02) sind Vorschläge enthalten, Delta-Gleiter so zu gestalten, daß die Neigung zum Übergang in instabile Fluglagen gemindert bzw. der Gleiter in bestimmten Grenzen in den stabilisierbaren Bereich, beispielsweise durch Veränderung des Profils, zurückgeführt werden kann. Die o.g. prinzipiellen Mangel werden dadurch jedoch nicht behoben. '

Weiterhin ist nachteilig, daß das an sich geringe Eigengewicht für die Realisierung hoch geringerer Flächenbelastungen nicht ausgenutzt werden kann, da eine bestimmte Steuermasse erforderlich ist, welche bei Vergrößerung der Tragflügelfläche ebenfalls vergrößert werden muß.

Darüber hinaus würde die zur Steuerung erforderliche Schwerpunktverlagerung im Falle der Fernsteuerung unvertretbare Steuerleistungen erforderlich machen. Der Einsatz als freifliegender Gleiter bspw. im Flugmodellsport, für welchen derartige Gleiter aufgrund der relativ einfachen Bauweise und der geringen Sinkgeschwindigkeit geeignet wären, ist gänzlich unmöglich, soweit nicht Stabilisierungsmassen weit unter der Flugzeuglängsachse angebracht werden. Ein solcher „Gleiter" ist jedoch flugtechnisch kein Flugzeug mehr, sondern stellt einen Gleitfallschirm dar (daher: „Paragleiter").

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Flugzeug zu schaffen, welches im Gleitflug geringere Sinkgeschwindigkeiten als < bekannte Flugzeuge bei hoher dynamischer Längsstabilität und leistungsasrner Steuerbarkeit in einem genügend großen Bahngeschwindigkeitsbereich aufweist und gleichzeitig für den gesteuerten und ungesteuerten Flug geeignet ist. !

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Flugzeug zu schaffen, bei welchem der Quotient aus Flächenbelastung und Steigzahl wesentlich geringere Werte erreicht als bei vergleichbaren bekannten Lösungen, wobei die am Flugzeug wirkenden Kräfte aus beliebigen Fluglagen eine selbsttätige Rückführung in das dynamische Gleichgewicht erzwingen und der Massenmittelpunkt nahe der bzw. auf der Längsachse liegen kann. Dabei soll zur Realisierung einer möglichst geringen Flächenbelastung eine flexible Folie in Verbindung mit wenigen Spannelementen zur Bildung des Tragflügels geeignet sein. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Nurflügler gelöst, dessen Tragflügel 1 parallel zur Längsachse ein Profil mit negativer effektiver Wölbung aufweist, wobei der Neutralpunkt N des Tragflügels in Flugrichtung hinter dem Massemittelpunkt S liegt. (Fig. 1). Unter eine negative effektive Wölbung fallen dabei alle Profile, deren resultierende dynamische Auftriebskraft für a - 0 negativ und deren Drehmoment bezogen auf den Massemittelpunkt positiv ist. Fig. 1 stellt den Zustand des dynamischen Gleichgewichtes ₍dar: Der Nprmalanstellwinkel «₀ ist so festgelegt, daß die resultierende profilbedingte negative Auftriebskraft entsprechend der gewählten Profilwölbung einen geringen Betrag aufweist. Da der Massemittelpunkt des Flugzeuges S stets vor dem Neutralpunkt N festgelegt ist, gibt es für jede gewählte bzw. praktisch erzielbare Flächenbelastung eine relative Profilwölbung <0, bei welcher sich das Momentgleichgewicht bei einem Anstellwinkel <*₀ > 0 einstellt, welcher der maximalen Steigzahl und damit der minimalen Sinkgeschwindigkeit entspricht. Es wird deutlich, daß die Wirkung der aerodynamischen Kräfte und Momente gegenüber bekannten Profilen mit positiver Wölbung ihre Vorzeichen geändert haben. Durch die erfindungsgemäße Festlegung des Schwerpunktes S und des Neutralpunktes N ist eine neue Lösung für den dynamischen Gleichgewichtszustand eines Flugzeuges möglich. Alle Parmeter lassen sich so optimieren, daß «_o nur sehr gering von der Bahngeschwindigkeit (Anströmgeschwindigkeit) abhängt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, ein besonders stabiles Flugverhalten zu erzielen. Andererseits ist dadurch das Fliegen unter realen Bedingungen bei voller Ausnutzung der durch die Materialeigenschaften gegebenen Möglichkeiten zur Verringerung der Flächenbelastung möglich.

Gleichzeitig wird deutlich, daß der erfindungsgemäße Nurflügler leicht durch Höhenruder am Tragflügelende steuerbar ist, denn im dynamischen Gleichgewicht ist die Profilwölbung aerodynamisch kaum wirksam, wodurch bereits geringe Profiländerungen dort zu zu einer Veränderung des Anstellwinkels α des Nurflüglers führen. Dadurch ist sowohl ein Steigflug als auch ein Sturzflug steuerbar.

Darüber hinaus ist der für den Kurvenflug durch gegensinnige Steuerung der Höhenruder bei bekannten Flugzeugen auftretende Widerspruch beseitigt: Sowohl die einseitig für eine der Tragflügelhälften bewirkte relative Änderung des Auftriebs als auch des Strömungswiderstandes bewirken ein Drehmoment um die Hochachse in gleicher Richtung.

Von großer Bedeutung ist, daß die am Tragflügel auftretenden Kräfte für jede beliebige Flugsituation im praktisch in Betracht zu ziehenden Bereich der Flugparameter bezüglich ihrer Wechselwirkung mit dem Tragflügel auch für Folienflügel leicht beherrschbar sind. Die wesentliche Ursache dafür ist die minimale Wirksamkeit der profilbedingten Auftriebskräfte im dynamischen Gleichgewicht. Dadurch eröffnet sich eine Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Nurflügler als Drachengleiter mit geringster Sinkgeschwindigkeit, höchster dynamischer Eigenstabilität und guter Steuerbarkeit auszuführen. Die entsprechenden zweckmäßigen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Nurflüglers sind Gegenstand der Unterpunkte 2 bis 5. -

Ausführungsheispiel

Die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sollen am Beispiel eines faltbaren, in zwei Ebenen steuerbaren Nurflüglers erläutert werden. Fig. 2a bis 2d zeigen einen erfindungsgemäßen Nurflügler, welcher durch einen Mittelholm 2 mit negativer Wölbung, zwei ebene Seitenholme 3 und 4, zwei Spannholme 6 und einer zwischen den Holmen 2,3,4 gespannten Folie 5 gebildet wird.

Am Mittelholm 2 sind zwei Ruderholme 7 angeordnet, welche in Verbindung mit den Teilen 8 der Folie 5 je ein Höhenruder bilden. Die relative Profilwölbung am Mittelholm 2 beträgt 1 %, die Wölbungsrücklage 50%. Die Holme 2,3,4 weisen gleiche Länge auf, der Winkel γ zwischen den Holmen beträgt 35°. Der Winkel δ zwischen den gedachten Verbindungslinien der Seitenholmenden mit dem Ende des Mittelholms beträgt 150°.

Die Spannholme 6 sind über ein Scharnier miteinander verbunden, wobei das Scharnier mit dem Mittelholm 2 beweglich verbunden ist, so daß die Spannholme 6 — ähnlich den Spannstreben eines Regenschirmes — gegen die Seitenholme verspannbar sind. Die Spannholme werden über das gemeinsame Scharnier entlang einer Linie parallel zur Flugzeuglängsachse geführt, bspw. Durch einen Stahlstab oder Draht, der einen Zylinder oder eine Öse führt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Verspannung durch eine Kraft F in Richtung des Hecks, bspw. durch Federkraft. Ein derartiges Flugzeug ist ohne Demontage zusammenleg- bzw. faltbar und öffnet sich selbsttätig, sobald die Seitenholme 3,4 freigegeben sind.

Vorteilhaft ist dabei, daß die Spannkraft gegen die Seitenholme 3,4 im entfalteten Zustand maximal ist, wodurch die erforderliche Spannung zur Realisierung definierter Profilparameter gewährleistet wird — im zusammengelegten Zustand aber, aufgrund der Hebelverhältnisse, nur noch gering ist, so daß gerade eine selbsttätige Öffnung erfolgen kann.

Die Anforderungen an die Verbindung der Holme 2,3,4 an ihren vorderen Enden ergeben sich aus den gewählten Größenverhältnissen, der beschriebenen Funktionsweise sowie den o.g. Parametern und sind entsprechend auf an sich bekannte Art ausführbar.

Die hier nicht näher definierten Maßverhältnisse sind unkritisch und können den Zeichnungen entnommen werden. Die günstigste Lage des Massemittelpunktes liegt bei 25 bis 30% der Holmlänge.

Die Flächenbelastung des Gleiters ist ohne Nutzlast wenig von der Tragflügelfläche abhängig und geringer als 1 p/dm'. Die Sinkgeschwindigkeit wird bei optimaler Profilgestaltung von den Steuermanövern bestimmt. Bei Ausnutzung wechselnder Windverhältnisse kann durch entsprechende Steuerung der Höhenruder ein Steigflug realisiert werden.

Ein solcher Nurflügler kann am Mittelholm unter Beachtung der Lage des Massemittelpunktes Nutzlasten tragen sowie eine Container für eine Funkfernsteuerung aufnehmen, welche Stellglieder zur Betätigung der Höhenruder aufweist.

Eine besonders interessante Anwendung ergibt sich durch die Faltbarkeit und selbsttätige Entfaltung des Nurflüglers: Er kann problemlos in einer Trägerrakete untergebracht werden und damit als Rakete gestartet werden, da er bereits an sich eine für den Raketenstart günstige Massemittelpunktslage aufweist. Nach Erreichen der vorgesehenen Höhe wird der Nurflügler

ausgestoßen bzw. durch Öffnen des Rumpfes der Trägerrakete freigegeben. '

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Eine naheliegende Anwendung ergibt sich durch die geringen Materialkosten bei relativ großen Toleranzen als Spielzeug (Drachen, Hochstarter, Raketenstarter/Blasrohrstarter). Als Spielzeugflugzeug eignen sich die Ausführungen nach Fig.3 und Fig.4. , ..'

' Gemäß Fig.3 weist ein ungesteuerter Nurflügler entsprechend der Erfindung einen Mittelholm und zwei Seitenholme auf, welche ah ihren vorderen Enden durch eine Feder miteinander verbunden sind. Für den angegebenen Zweck ist es günstig, ebenfalls gleich lange Holme jedoch mit identischer Wölbung einzusetzen, da die Gefahr der Faltenbildung beim Bespannen durch die aerodynamische Schränkung wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 nicht auftritt. Beispielsweise durch eine entsprechende Formung der Feder wird erreicht, daß der Naturflügler analog dem Beispiel nach Fig.2 im entfalteten Zustand . einen Winkel δ < 180° zur Gewährleistung der Seitenstabilität aufweist.

In Fig.4 ist eine weitere einfache Ausführungsform dargestellt, wobei die Holme in einem gemeinsamen Scharnier gelagert sind und die Seitenholme 3,4 über das vordere Ende des Mittelholmes 2 hinaus verlängert sind. An den vorderen und hinteren Seitenhblmenden greifen wechselseitig Federkräfte an, welche den Nurflügler entfalten. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, die ähnlich wie nach Fig. 2 im entfalteten Zustand die günstigeren Hebelverhältnisse auftreten.

Claims (5)

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   Erfindungsansprüche:

   1. Nurflügler, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Tragflügels (1) parallel zur Längsachse eine negative effektive
   Wölbung aufweist und der Neutralpunkt des Tragflügels (N) bezogen auf die Flugrichtung hinter dem Massemittelpunkt (S) liegt·
2. 2. Nurflügler nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragflügler einen Delta-förmigen Grundriß aufweist.
3. 3. Nurflügler nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragflügler aus wenigstens einem Mittelholm (2) und wenigstens zwei Seitenholmen (3,4) und einer zwischen den Holmen gespannten flexiblen Folie (5) gebildet wird, wobei der Mittelholm und/oder die Seitenholme an der Holmunterseite in Längsrichtung eine negative effekt!ve Wölbung aufweisen.
4. 4. Nurflügler nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Holme an ihren vorderen Enden mittels Scharnieren schwenkbar miteinander verbunden sind und mit den Seitenholmen wenigstens zwei Spannholme (6) schwenkbar verbunden sind und

   :· durch eine Kraft F, welche parallel zum Mittelholm angreift, gegen die Seitenholme verspannt sind.
5. 5. Nurflügler nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Mittelholm zwei Ruderholme (7) schwenkbar angebracht sind,
   welche in Verbindung mit den entsprechenden Teilen (8) der Folie (5) Höhenruder bilden.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen ,