DE10001700A1 - Aerodynamisches Bauteil mit veränderlicher Geometrie - Google Patents
Aerodynamisches Bauteil mit veränderlicher GeometrieInfo
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Abstract
Ein aerodynamisches Bauteil mit veränderlicher Geometrie, insbesondere ein Tragflügel, ein Leitwerk, eine Landeklappe, ein Querruder, ein Seitenruder oder ein Höhenruder, weist eine erste Oberfläche (2), eine zweite Oberfläche (3), eine in Anströmrichtung (4) vordere Struktur (5) und eine in Anströmrichtung (4) hintere Struktur (6) auf. Im Bereich der ersten Oberfläche (2) oder der zweiten Oberfläche (3) ist mindestens ein die vordere Struktur (5) mit der hinteren Struktur (6) verbindendes passives Biegeelement (10) angeordnet, das mit der vorderen Struktur (5) und der hinteren Struktur (6) die geschlossene erste Oberfläche (2) oder die zweite Oberfläche (3) bildet. Mindestens ein aktives Element (11) ist parallel zu dem passiven Biegeelement (10) geschaltet.
Description
Die Erfindung betrifft ein aerodynamisches Bauteil mit veränder
licher Geometrie. Es handelt sich dabei insbesondere um einen
Tragflügel, ein Leitwerk, eine Landeklappe, ein Querruder, ein
Seitenruder oder ein Höhenruder. Das aerodynamische Bauteil
weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf,
wobei die Geometrie mindestens einer der Oberflächen veränderbar
ist, um einen Einfluß auf die aerodynamischen bzw. fluiddyna
mischen Kräfte des von einem Strömungsmedium umströmten
aerodynamischen Bauteils auszuüben. Die aerodynamische bzw.
fluiddynamischen Kräfte hängen primär von der Geometrie des
umströmten Bauteils ab. Für die Kontrolle der Kräfte wird daher
eine Kontrolle der veränderlichen Geometrie des aerodynamischen
Bauteils benötigt.
Aerodynamische Bauteile mit veränderlicher Geometrie sind im
Stand der Technik bekannt. Eine erste starre Struktur des Aero
dynamischen Bauteils ist mittels eines Gelenks mit einer zweiten
starren Struktur des Aerodynamischen Bauteils so verbunden, daß
die starren Strukturen relativ zueinander bewegt werden können.
Die Geometrieänderung tritt lokal im Bereich des die beiden
starren Strukturen verbindenden Gelenks auf. Im Bereich des
Gelenks zwischen den beiden starren Strukturen tritt bei einer
Relativbewegung der starren Strukturen zueinander ein Spalt auf,
der zu einer aerodynamisch nachteiligen Ausbildung von Wirbeln
führt. Die Art der Geometrieänderung ist zusätzlich stark einge
schränkt. Es ist meist nur eine diskrete und in der Regel stark
begrenzte Anzahl von geometrischen Parametern des aerodyna
mischen Bauteils einstellbar. Diese einstellbaren Parameter
stehen in Abhängigkeit zu der Art und der Anzahl der Gelenke
oder anderen Verbindungselemente zwischen den starren Struk
turen. Die Gelenke sind im Betrieb des aerodynamischen Bauteils
hoch belastet und müssen entsprechend groß dimensioniert werden,
woraus die Abmessung und die Masse des aerodynamischen Bauteils
anwachsen. Das aerodynamische Bauteil besitzt in den einstell
baren Geometriefreiheitsgraden keine innere Steifigkeit, weshalb
die Formstabilität des aerodynamischen Bauteils von den Gelenken
oder anderen Verbindungselementen erbracht werden muß. Hierdurch
erhöhen sich zusätzlich das Gewicht und die Kosten des aero
dynamischen Bauteils.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aerodynamisches
Bauteil mit veränderlicher Geometrie bereitzustellen, das bei
leichter Bauweise eine Veränderung der. Geometrie des aerodyna
mischen Bauteils ohne Ausbildungen von Spalten ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dies bei dem aerodynamischen Bauteil
dadurch erreicht, daß dieses eine erste Oberfläche, eine zweite
Oberfläche, eine in Anströmrichtung vordere Struktur, eine in
Anströmrichtung hintere Struktur, mindestens ein im Bereich der
ersten oder der zweiten Oberfläche angeordnetes, die vordere mit
der hinteren Struktur verbindendes passives Biegeelement, das
mit der vorderen und der hinteren Struktur die geschlossene
erste oder zweite Oberfläche bildet, und mindestens ein parallel
zu dem passiven Biegeelement geschalteten aktives Element
aufweist.
Das neue aerodynamische Bauteil weist zwischen der vorderen und
der hinteren Struktur mindestens zwei Elemente mit unterschied
lichen Aufgaben auf. Das eine Element ist aktiv und kann eine
Relativbewegung zwischen der vorderen und der hinteren Struktur
bewirken. Die eigentliche Änderung der Geometrie des aerodyna
mischen Bauteils geschieht jedoch durch das zweite Element, bei
dem es sich um ein passives Biegeelement handelt. Das passive
Biegeelement wird nicht direkt angesteuert, es ändert jedoch
seine Biegung bzw. seine Geometrie passiv aufgrund der Ansteue
rung des aktiven Elements. Das passive Biegeelement wird nicht
steif oder starr unter Beibehaltung seiner Eigengeometrie rela
tiv zu einem anderen starren Element verschwenkt. Die Geometrie
des passiven Biegeelement selbst wird verändert. Die Geometrie
des aerodynamischen Bauteils und insbesondere der Oberfläche, in
deren Bereich das passive Biegeelement angeordnet ist, wird
somit verändert, ohne daß es zur Ausbildung von Spalten an der
Oberfläche kommt. Prinzipiell ist es mit dem neuen aerodyna
mischen Bauteil möglich, dessen Geometrie beliebig einzustellen.
Die Einstellung einer verhältnismäßig großen Anzahl geome
trischer Parameter und verteilter Wölbungsanpassungen ist mög
lich. Durch das Fehlen von Spalten kommt es zu keinen Störungen
des Strömungsfelds in diesem Bereich. Die Anzahl von gelenkigen,
linearen oder sonstigen Lagern in dem aerodynamischen Bauteil
ist vorteilhaft reduziert, wodurch sich geringes Spiel und
niedriger Verschleiß ergeben. Die Strukturbelastung wird besser
auf die vorhandenen Strukturen des aerodynamischen Bauteils
verteilt, wodurch die Strukturen und somit auch das gesamte
aerodynamische Bauteil kompakter und leichter ausgebildet werden
können. Die Formstabilität des aerodynamischen Bauteils wird
auch durch das passive Biegeelement mitgewährleistet, wodurch
das aktive Element leichter und kompakter dimensioniert werden
kann.
Das passive Biegeelement kann elastisch ausgebildet sein. Dies
bedeutet, daß das passive Biegeelement soweit elastisch bzw.
flexibel ist, daß es durch eine Aktivierung des aktiven Elements
positiv oder negativ verformt, d. h. gedehnt oder gestaucht
werden kann. Das passive Biegeelement ist somit unter Last
gesteuert verformbar, wobei die Verformungen bekannt sind und
ein definiertes Mindestmaß nicht unterschreiten.
Das passive Element kann aus Faserverbundwerkstoff bestehen.
Insbesondere dann, wenn das aktive Element einen Draht aufweist,
kann dieser mit einer Faser des Faserverbundwerkstoffs zerstö
rungslos verbunden werden. Dies bedeutet, daß die Verbindung
ohne Schwächung des passiven Elements durch beispielsweise
Bohrungen hergestellt wird.
Das aktive Element kann mindestens einen piezokeramischen Aktua
tor oder mindestens einen Aktuator aus einer Formgedächtnis
legierung aufweisen. Diese Arten von Aktuatoren haben den Vor
teil, daß sie unter externem, kontrollierbarem Einfluß, bei
spielsweise dem Anlegen einer Spannung, gedehnt bzw. gestaucht
werden können und zugleich Steifigkeitseigenschaften besitzen.
Es ist jedoch ebenfalls möglich, daß das aktive Element einen
Seilzug oder einen anderen mechanischen, hydraulischen oder
pneumatischen Aktuator aufweist.
Das aktive Element kann eine Vielzahl von separaten Einzel
elementen aufweisen, bei denen es sich vorzugsweise um Drähte
handelt. Die Einzelelemente können getrennt angesteuert werden,
um eine spannweitig differenzierte Verformung quer zur Anström
richtung zu erzielen. Wenn die Einzelelemente alle parallel
zueinander in Anströmrichtung, d. h. senkrecht zur Spannweiten
richtung, angeordnet werden, ist das aktive Element torsions
weich. Dies bedeutet, daß die Torsionssteifigkeit des aerodyna
mischen Bauteils von der Torsionssteifigkeit des passiven
Biegeelements abhängt. Werden die Einzelelemente jedoch nicht in
Anströmrichtung bzw. parallel dazu, sondern unter einem Winkel
zur Anströmrichtung angeordnet, so ist eine Komponente der
Eigensteifigkeit der Einzelelemente vorhanden, die eine Relativ
bewegung zwischen dem aktiven Element und den Strukturen verhin
dert. Vorzugsweise sind Gruppen von Einzelelementen gebildet,
von denen eine erste Gruppe unter einem ersten Winkel zur
Anströmrichtung angeordnet ist und von denen eine zweite Gruppe
unter einem zweiten Winkel zur Anströmrichtung angeordnet ist.
Das aktive Element kann aber auch quer zur Anströmrichtung
durchgängig ausgebildet sein.
Das mindestens eine aktive Element kann direkt an der vorderen
Struktur und an der hinteren Struktur angreifen. Es kann jedoch
alternativ an dem passiven Biegeelement angreifen. Wenn das
passive Biegelement aus Faserverbundwerkstoff besteht, kann das
mindestens eine aktive Element mit Fasern des Faserverbund
werkstoffs des passiven Biegelements verbunden sein, ohne das
passive Biegeelement zu schwächen.
Die vordere Struktur ist vorzugsweise in bekannter Art starr
ausgebildet, während die hintere Struktur eine geschlossene
Zelle mit einem flexiblen oberen und einem flexiblen unteren
Zellenelement sein kann. Im Fall einer Aktivierung des aktiven
Elements und einer dadurch ausgelösten Geometrieänderung des
passiven Biegeelements zwischen den beiden Strukturen vollzieht
sich somit nicht nur eine Geometrieänderung im Bereich des
passiven Biegeelements und der beiden Strukturen zueinander,
sondern auch im Bereich der flexiblen hinteren Struktur selbst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs
beispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Aus
führungsform eines aerodynamischen Bauteils mit
veränderlicher Geometrie senkrecht zur Anström
richtung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des aerodynamischen
Bauteils senkrecht zur Anströmrichtung von unten.
Fig. 3 zeigt eine schematische Detailansicht eines passiven
Biegeelements.
Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines Teils
eines aerodynamischen Bauteils 1 mit veränderlicher Geometrie.
Bei dem aerodynamischen Bauteil 1 kann es sich beispielsweise um
einen Tragflügel, ein Leitwerk, eine Landeklappe, ein Querruder,
ein Seitenruder oder ein Höhenruder handeln. Das aerodynamische
Bauteil 1 weist eine erste Oberfläche 2 und eine zweite Ober
fläche 3 auf, wobei in dem dargestellten Fall die erste Ober
fläche 2 im Bereich der Unterdruckseite des aerodynamischen
Bauteils 1 und die zweite Oberfläche 3 im Bereich der Überdruck
seite des aerodynamischen Bauteils 1 angeordnet ist. Die erste
Oberfläche 2 und die zweite Oberfläche 3 können direkt von einem
in Anströmrichtung 4 strömenden Medium umströmt werden. Es ist
aber auch möglich, daß die erste Oberfläche 2 und die zweite
Oberfläche 3 nicht die äußeren Oberflächen des aerodynamische
Bauteils 1 darstellen und somit nicht direkt umströmt werden.
Das aerodynamische Bauteil 1 weist in Anströmrichtung 4 eine
erste vordere Struktur 5 und eine zweite hintere Struktur 6 auf.
Die vordere Struktur 5 ist in bekannter Weise starr ausgebildet.
Die hintere Struktur 6 ist in Form einer geschlossenen Zelle 7
mit einem flexiblen oberen Zellenelement 8 und einem flexiblen
unteren Zellenelement 9 ausgebildet. Im Bereich der ersten
Oberfläche 2 ist ein passives Biegeelement 10 so angeordnet, daß
es die vordere Struktur 5 mit der hinteren Struktur 6 unter Aus
bildung der geschlossenen ersten Oberfläche 2 verbindet. Unter
halb des passiven Biegeelements 10 und im Bereich der unteren
zweiten Oberfläche 3 ist ein aktives Element 11 so parallel zu
dem passiven Biegeelement 10 angeordnet, daß es ebenfalls die
vordere Struktur 5 mit der hinteren Struktur 6 verbindet. Das
aktive Element 11 weist eine Vielzahl von Einzelelementen 12 in
Form von piezokeramischen Aktuatoren 13 auf. Die Einzelelemente
12 könnten jedoch auch aus einer Formgedächtnislegierung
bestehen. Die Einzelelemente 12 sind in der Ansicht der Fig. 1
so hintereinander angeordnet, daß nur ein Einzelelement 12
sichtbar ist. Jedes Einzelelement 12 weist einen Draht 14 auf,
über den im Fall der Aktivierung des Aktuators 13 die Kräfte
zwischen der vorderen Struktur 5 und der hinteren Struktur 6
übertragen werden. In der dargestellten Ausführungsform des
Aktuators 13 mit dem Draht 14 kann dieser lediglich Zugkräfte,
nicht aber Druckkräfte zwischen den Strukturen 5, 6 übertragen.
Es ist aber auch möglich, Aktuatoren 13 einzusetzen und zu
verwenden, die sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen.
Für eine Veränderung der Geometrie des aerodynamischen Bauteils
werden die Aktuatoren 13 der aktiven Elemente 11 durch Anlegen
einer Spannung aktiviert. Über die aktiven Elemente 11 werden
dabei die Zugkräfte übertragen, die zu einer Änderung der
Biegung des passiven Biegeelements 10 führen. Dabei treten
keinerlei Spalte im Bereich der ersten Oberfläche 2 des aero
dynamischen Bauteils 1 auf, so daß das in Anströmrichtung 4 über
das aerodynamische Bauteil 1 strömende Strömungsmedium keine
negativen Strömungseffekte in Form unerwünschter Verwirbelungen
o. ä. aufweist. Durch die Aktivierung der aktiven Elemente 11
ist es möglich, nahezu jede gewünschte Geometrie des aerodyna
mischen Bauteils 1 einzustellen. Aufgrund der relativ großen
Anzahl von aktiven Elementen 11 weist das aerodynamische Bauteil
1 große Sicherheitsreserven oder Redundanzen auf. Der Ausfall
eines einzelnen aktiven Elements 11 hat keinen wesentlichen Ein
fluß auf die Gesamtgeometrie bzw. die bestimmungsgemäße Funk
tionsweise des aerodynamischen Bauteils 1. Selbst bei einem
Ausfall sämtlicher aktiven Elemente 11 weist das aerodynamische
Bauteil 1 weiterhin lasttragende Eigenschaften auf.
In Fig. 2 ist die Anordnung der aktiven Elemente 11 zwischen der
vorderen Struktur 5 und der hinteren Struktur 6 dargestellt. Ein
Teil der aktiven Elemente 11 ist dabei in einer ersten Richtung
unter einem Winkel gegenüber der Anströmrichtung 4 angeordnet.
Die restlichen aktiven Elemente 11 sind in der anderen Richtung
unter dem Winkel gegenüber der Anströmrichtung 4 angeordnet. Bei
differenzierter Aktivierung beider Gruppen von aktiven Elementen
11 kann somit eine gewünschte Relativbewegung in Spannweiten
richtung quer zur Anströmrichtung 4 erreicht werden, welche in
einer Torsion des aerodynamischen Bauteils 1 resultiert. In
dieser Weise kann aktiv eine Torsion des aerodynamischen Bau
teils 1 bewirkt, oder auch eine unerwünschte, z. B. durch eine
Außenlast hervorgerufene Torsionsverformung des aerodynamischen
Bauteils 1 neutralisiert bzw. reduziert werden. Zusätzlich ist
von Vorteil, daß die beiden Gruppen von aktiven Elementen 11 mit
den unterschiedlichen Ausrichtungen zur Anströmrichtung 4
bewirken, daß eine Komponente der Eigensteifigkeit der Drähte 14
der aktiven Elemente 11 zur Aufnahme von Kräften vorhanden ist.
Dadurch werden unerwünschte Relativbewegungen der Strukturen 5,
6 entlang der Spannweite oder quer zur Anströmrichtung 4 redu
ziert.
Fig. 3 zeigt eine schematisierte Detailansicht eines passiven
Biegeelements 10, das aus einem Faserverbundwerkstoff mit Fasern
15 besteht. Bei dieser Ausführungsform greift das aktive Element
11 nicht direkt an der vorderen Struktur 5 und an der hinteren
Struktur 6 (nicht dargestellt) an, sondern an dem passiven
Biegeelement 10. Der Draht 14 des aktiven Elements 11 ist dabei
mit dem Faserverbundwerkstoff des passiven Biegeelements 10 im
Sinne eines "Nähverfahrens" zerstörungslos verbunden. Dies
bedeutet, daß keinerlei Bohrungen und Schrauben, Nieten oder
ähnliche das passive Biegeelement 10 schwächende Verbindungs
elemente vorgesehen sind. Der Draht 14 greift derart um die
Fasern 15, daß ein Teil des Drahts 14 in einer ersten Richtung
und oberhalb der Fasern 14 verläuft, während ein weiterer Teil
des Drahts 14 in einer zweiten, senkrechten Richtung und unter
halb der Fasern 15 verläuft. In dieser Weise wird der Draht 14
über den gewünschten Teil der Fläche des passiven Biegeelements
10 mit diesem so fest verbunden, daß bei Aktivierung des aktiven
Elements 11 die gewünschte Verformung des passiven Biegeelements
10 eintritt. Es können auch mehrere Drähte 14 mit dem Faserver
bundwerkstoff verbunden sein. Die unterschiedlichen Drähte 14
können eine Biegung des passiven Biegeelements 10 in unter
schiedliche Richtungen bewirken. Der Draht 14 kann beispiels
weise aus einer Formgedächtnislegierung bestehen.
1
Aerodynamisches Bauteil
2
Erste Oberfläche
3
Zweite Oberfläche
4
Anströmrichtung
5
Vordere Struktur
6
Hintere Struktur
7
Geschlossene Zelle
8
Oberes Zellenelement
9
Unteres Zellenelement
10
Passives Biegeelement
11
Aktives Element
12
Einzelelement
13
Aktuator
14
Draht
15
Faser
Claims (15)
1. Aerodynamisches Bauteil mit veränderlicher Geometrie,
insbesondere Tragflügel, Leitwerk, Landeklappe, Querruder,
Seitenruder oder Höhenruder, mit
einer ersten Oberfläche (2),
einer zweiten Oberfläche (3),
einer in Anströmrichtung (4) vorderen Struktur (5),
einer in Anströmrichtung (4) hinteren Struktur (6),
mindestens einem im Bereich der ersten Oberfläche (2) oder der zweiten Oberfläche (3) angeordneten, die vordere Struktur (5) mit der hinteren Struktur (6) verbindenden passiven Biege element (10), das mit der vorderen Struktur (5) und der hinteren Struktur (6) die geschlossene erste Oberfläche (2) oder zweite Oberfläche (3) bildet, und
mindestens einem parallel zu dem passiven Biegeelement (10) geschalteten aktiven Element (11).
einer ersten Oberfläche (2),
einer zweiten Oberfläche (3),
einer in Anströmrichtung (4) vorderen Struktur (5),
einer in Anströmrichtung (4) hinteren Struktur (6),
mindestens einem im Bereich der ersten Oberfläche (2) oder der zweiten Oberfläche (3) angeordneten, die vordere Struktur (5) mit der hinteren Struktur (6) verbindenden passiven Biege element (10), das mit der vorderen Struktur (5) und der hinteren Struktur (6) die geschlossene erste Oberfläche (2) oder zweite Oberfläche (3) bildet, und
mindestens einem parallel zu dem passiven Biegeelement (10) geschalteten aktiven Element (11).
2. Aerodynamisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das passive Biegeelement (10) elastisch ausge
bildet ist.
3. Aerodynamisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das passive Biegelement (10) aus Faser
verbundwerkstoff besteht.
4. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element (11) mindestens
einen piezokeramischen Aktuator (13) aufweist.
5. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element (11) mindestens
einen Aktuator (13) aus einer Formgedächtnislegierung aufweist.
6. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element (11) eine Viel
zahl von separaten Einzelelementen (22) aufweist.
7. Aerodynamisches Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einzelelemente (12) Drähte (14) aufweisen.
8. Aerodynamisches Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (12) unter einem Winkel
zur Anströmrichtung (4) angeordnet sind.
9. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente (12) unter zwei
unterschiedlichen Winkeln zur Anströmrichtung (14) angeordnet
sind.
10. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element (11) quer zur
Anströmrichtung (4) durchgängig ausgebildet ist.
11. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine aktive Element
(11) direkt an der vorderen Struktur (5) und der hinteren
Struktur (6) angreift.
12. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine aktive Element
(11) an dem passiven Biegeelement (10) angreift.
13. Aerodynamisches Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß das passive Biegelement (10) aus Faserverbund
werkstoff besteht, und daß das mindestens eine aktive Element
(11) mit Fasern (15) des Faserverbundwerkstoffs des passiven
Biegelements (10) verbunden ist.
14. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Struktur (5) starr ist.
15. Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Struktur (6) eine
geschlossene Zelle (7) mit einem flexiblen oberen Zellenelement
(8) und einem flexiblen unteren Zellenelement (9) ist.
Priority Applications (1)
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE10001700A1 true DE10001700A1 (de) | 2001-07-19 |
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