DE10001700B4

DE10001700B4 - Aerodynamisches Bauteil mit veränderlicher Geometrie

Info

Publication number: DE10001700B4
Application number: DE2000101700
Authority: DE
Inventors: Lucio Flavio Dr. Campanile; Markus Kleineberg; Delf Dr. Sachau; Peter Wolff
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: DE10001700A1

Abstract

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), gekennzeichnet durch
mindestens ein im Bereich der ersten Oberfläche (2) oder der zweiten Oberfläche (3) angeordnetes, die vordere Struktur (5) mit der hinteren Struktur (6) verbindendes passives Biegeelement (10) aus Faserverbundwerkstoff mit Fasern (15), das mit der vorderen Struktur (5) und der hinteren Struktur (6) die geschlossene erste Oberfläche (2) oder zweite Oberfläche (3) bildet, und
mindestens ein parallel zu dem passiven Biegeelement (10) geschaltetes aktives Element (11), das mit den Fasern (15) des Faserverbundwerkstoffs des passiven Biegelements (10) verbunden ist und derart an dem passiven Biegeelement (10) angreift.

Description

Die Erfindung betrifft ein aerodynamisches Bauteil mit veränderlicher 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. fluiddynamischen 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 Aerodynamischen 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 eingeschränkt. Es ist meist nur eine diskrete und in der Regel stark begrenzte Anzahl von geometrischen Parametern des aerodynamischen Bauteils einstellbar. Diese einstellbaren Parameter stehen in Abhängigkeit zu der Art und der Anzahl der Gelenke oder anderen Verbindungselemente zwischen den starren Strukturen. 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 einstellbaren 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 aerodynamischen Bauteils.

Ein aerodynamisches Bauteil mit veränderlicher Geometrie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der US 3,698,668 bekannt. Der Tragflügel weist eine geschlossene obere Oberfläche und eine offene, geteilte untere Oberfläche auf. Innerhalb des Tragflügels ist eine mechanische Verstelleinrichtung vorgesehen, die mittels eines mechanischen Antriebs, mechanischer Verbindungselemente und Lager derart antreibbar ist, dass die untere Oberfläche durch eine Verschiebebewegung im Bereich der offenen Oberflächen verkürzbar ist, wodurch sich die Durchbiegung der geschlossenen oberen Oberfläche verändert.

Ein weiterer Tragflügel ist aus der DE-OS 28 04 254 bekannt. Der Tragflügel besitzt eine in einem mechanischen Lager gehaltene bewegliche Klappe und eine auf einer Seite des Flügels von der Tragfläche bis zur Klappe spaltlos durchgehend ausgebildete Außenhaut, die in einem Übergangsabschnitt als dünne, biegbare Membran gestaltet ist.

Eine ähnliche Konstruktion ist ebenfalls aus der US 5,839,698 bekannt. Auch hier ist sind mechanische Lager und Verbindungselemente vorgesehen.

Ein weiterer Tragflügel mit einer geschlossenen oberen Oberfläche, einer offenen unteren Oberfläche sowie mechanischen aktiven Biegeelementen ist aus der US 4,706,913 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aerodynamisches Bauteil mit veränderlicher Geometrie bereitzustellen, das bei leichter Bauweise eine Veränderung der Geometrie des aerodynamischen 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 aerodynamische Bauteil besitzt gemäß Patentanspruch 1 mindestens ein im Bereich der ersten Oberfläche oder der zweiten Oberfläche angeordnetes, die vordere Struktur mit der hinteren Struktur verbindendes Biegeelement aus Faserverbundwerkstoff mit Fasern, das mit der vorderen Struktur und der hinteren Struktur die geschlossene erste Oberfläche oder zweite Oberfläche bildet, und mindestens ein parallel zu dem passiven Biegeelement geschaltetes aktives Element, das mit den Fasern des Faserverbundwerkstoffs des passiven Biegeelements verbunden ist und derart an dem passiven Biegeelement angreift.

Das neue aerodynamische Bauteil weist zwischen der vorderen und der hinteren Struktur mindestens zwei Elemente mit unterschiedlichen 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 aerodynamischen 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 Ansteuerung des aktiven Elements. Das passive Biegeelement wird nicht steif oder starr unter Beibehaltung seiner Eigengeometrie relativ 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 aerodynamischen Bauteil möglich, dessen Geometrie beliebig einzustellen. Die Einstellung einer verhältnismäßig großen Anzahl geometrischer Parameter und verteilter Wölbungsanpassungen ist möglich. 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.

Gemäß Patentanspruch 1 besteht das passive Element aus Faserverbundwerkstoff. Insbesondere dann, wenn das aktive Element einen Draht aufweist, kann dieser mit einer Faser des Faserverbundwerkstoffs zerstörungslos verbunden werden. Dies bedeutet, dass die Verbindung ohne Schwächung des passiven Elements durch beispielsweise Bohrungen hergestellt wird.

Das aktive Element kann mindestens einen piezokeramischen Aktuator oder mindestens einen Aktuator aus einer Formgedächtnislegierung aufweisen. Diese Arten von Aktuatoren haben den Vorteil, dass sie unter externem, kontrollierbarem Einfluss, beispielsweise 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 Einzelelementen aufweisen, bei denen es sich vorzugsweise um Drähte handelt. Die Einzelelemente können getrennt angesteuert werden, um eine spannweitig differenzierte Verformung quer zur Anströmrichtung zu erzielen. Wenn die Einzelelemente alle parallel zueinander in Anströmrichtung, d. h. senkrecht zur Spannweitenrichtung, angeordnet werden, ist das aktive Element torsionsweich. Dies bedeutet, dass die Torsionssteifigkeit des aerodynamischen 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 Relativbewegung zwischen dem aktiven Element und den Strukturen verhindert. 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 Faserverbundwerkstoffs 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 Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines aerodynamischen Bauteils mit veränderlicher Geometrie senkrecht zur Anströmrichtung.
2 zeigt eine schematische Ansicht des aerodynamischen Bauteils senkrecht zur Anströmrichtung von unten.
3 zeigt eine schematische Detailansicht eines passiven Biegeelements.
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 Oberfläche 3 auf, wobei in dem dargestellten Fall die erste Oberfläche 2 im Bereich der Unterdruckseite des aerodynamischen Bauteils 1 und die zweite Oberfläche 3 im Bereich der Überdruckseite 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 Ausbildung der geschlossenen ersten Oberfläche 2 verbindet. Unterhalb 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 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 aerodynamischen 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 aerodynamischen 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 Einfluß auf die Gesamtgeometrie bzw. die bestimmungsgemäße Funktionsweise des aerodynamischen Bauteils 1. Selbst bei einem Ausfall sämtlicher aktiven Elemente 11 weist das aerodynamische Bauteil 1 weiterhin lasttragende Eigenschaften auf.
In 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 Spannweitenrichtung quer zur Anströmrichtung 4 erreicht werden, welche in einer Torsion des aerodynamischen Bauteils 1 resultiert. In dieser Weise kann aktiv eine Torsion des aerodynamischen Bauteils 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 reduziert.
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 Verbindungselemente 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 unterhalb 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 Faserverbundwerkstoff verbunden sein. Die unterschiedlichen Drähte 14 können eine Biegung des passiven Biegeelements 10 in unterschiedliche Richtungen bewirken. Der Draht 14 kann beispielsweise 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

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), gekennzeichnet durch mindestens ein im Bereich der ersten Oberfläche (2) oder der zweiten Oberfläche (3) angeordnetes, die vordere Struktur (5) mit der hinteren Struktur (6) verbindendes passives Biegeelement (10) aus Faserverbundwerkstoff mit Fasern (15), das mit der vorderen Struktur (5) und der hinteren Struktur (6) die geschlossene erste Oberfläche (2) oder zweite Oberfläche (3) bildet, und mindestens ein parallel zu dem passiven Biegeelement (10) geschaltetes aktives Element (11), das mit den Fasern (15) des Faserverbundwerkstoffs des passiven Biegelements (10) verbunden ist und derart an dem passiven Biegeelement (10) angreift.
Aerodynamisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Biegeelement (10) elastisch ausgebildet ist.
Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (11) mindestens einen piezokeramischen Aktuator (13) aufweist.
Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (11) mindestens einen Aktuator (13) aus einer Formgedächtnislegierung aufweist.
Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (11) eine Vielzahl von separaten Einzelelementen (12) aufweist.
Aerodynamisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (12) Drähte (14) aufweisen.
Aerodynamisches Bauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (12) unter einem Winkel zur Anströmrichtung (4) angeordnet sind.
Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente (12) unter zwei unterschiedlichen Winkeln zur Anströmrichtung (14) angeordnet sind.
Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Element (11) quer zur Anströmrichtung (4) durchgängig ausgebildet ist.
Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Struktur (5) starr ist.
Aerodynamisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Struktur (6) eine geschlossene Zelle (7) mit einem flexiblen oberen Zellenelement (8) und einem flexiblen unteren Zellenelement (9) ist.