DE10028450A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des aerodynamischen Widerstandes von Flugzeugen durch Absaugung von Grenzschichströmungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verminderung des aerodynamischen Widerstandes eines Flugzeuges (1) durch Absaugung der Grenzschichtströmung an der Außenhaut des Flugzeuges (1). Gemäß der Erfindung werden die z. B. mittels Kompressoren abgesaugten Luftmassen einem bordeigenen Brennstoffzellensystem (5) zur Energieerzeugung zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verminderung des aerodynamischen Widerstandes eines Flugzeuges durch Absaugung der Grenzschichtströmung an der Außenhaut des Flugzeugs.

Der Energieverbrauch von Flugzeugen, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffs bei Flugzeugen mit Verbrennungsmotoren oder des Höhenverlusts bei Segelfliegern, ist maßgeblich abgängig von dem aerodynamischen Widerstand, welcher besonders an den Trag­ flächen, am Rumpf sowie an den Seiten- und Höhenleitwerken des Flugzeuges auftritt. Der aerodynamische Widerstand an diesen Flächen ist stark von der an Ihnen liegenden Grenzschicht ab­ hängig.

An den umströmenden Teilen eines Flugzeugs bilden sich die Strömungsverhältnisse üblicherweise derart aus, dass nach einer kurzen Strecke die laminare Grenzschicht in eine turbulente Grenzschicht umschlägt. Hierbei kann es dann stromabwärts zu einem Abreißen der Strömung kommen.

Der aerodynamische Widerstand einer turbulenten oder abgerisse­ nen Strömung ist deutlich höher als der einer laminaren Strö­ mung. Somit wird derzeit durch bauliche und verfahrenstechnische Maßnahmen die Grenzschichtströmung im wesentlichen laminar gehalten. Es ist bekannt, dass dies durch geeignete Ausformung der Anströmflächen (z. B. Tragflächen) oder - wie in DE 196 17 952 A1 beschrieben - durch aktive Absaugung der Grenzschicht in das Innere des Flugzeuges durch kleine Bohrungen in der Außen­ haut des Flugzeuges mittels an Bord befindlicher Kompressoren erreicht werden kann.

Der aerodynamische Widerstand des Flugzeugs verringert sich bei Absaugung der Grenzschichtströmung um bis zu 30%. Bei Segel­ fliegern erhöht sich dabei die Gleitzahl um bis zu 30%.

Nachteilig erweist sich bei der Absaugung der Grenzschichtströ­ mung, dass die verwendeten Kompressoren eine Antriebsleistung benötigen, die den Gesamtwirkungsgrad des Flugzeugs verringern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrich­ tung zur Absaugung der Grenzschichtströmung zu schaffen, mit dem der Gesamtwirkungsgrad des Flugzeugs verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruchs 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 3 gelöst. Eine vor­ teilhafte Ausführung ist Gegenstand eines Unteranspruchs.

Erfindungsgemäß werden in dem Flugzeug die abgesaugten Luftma­ ssen einem bordeigenen Brennstoffzellensystem zur Energiever­ sorgung zugeführt.

Die Energieerzeugung in einem Brennstoffzellensystem erfolgt in den Brennstoffzellen, deren prinzipieller Aufbau aus der Lite­ ratur bekannt ist. Eine Brennstoffzelle umfasst im wesentlichen zwei Elektroden (Anode und Kathode), zwischen welchen eine io­ nenleitende Schicht z. B. Polymerelektrolytmembran (PEM) angeordnet ist. Die Brennstoffzelle wird dabei anodenseitig mit Brennstoff, z. B. Methanol, Wasserstoff oder im vorliegenden Fall auch Flugbenzin, und kathodenseitig mit dem Oxidanten Sau­ erstoff, z. B. Luft versorgt.

Als Resultat einer elektrochemischen Reaktion (kalte Verbren­ nung) wird in der Brennstoffzelle unter Bildung von Wasser und Kohlendioxid elektrische Energie erzeugt.

Die Grenzschichtströmung wird vorteilhaft mittels Kompressoren abgesaugt. Hierbei werden erfindungsgemäß die Ausgänge der Kom­ pressoren mit der Luftversorgungseinheit des Brennstoffzellen­ systems verbunden. Durch die mittels der Kompressoren angesaug­ te Umgebungsluft wird der Luftbedarf der Brennstoffzelle aus­ reichend gedeckt, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb des Brennstoffzellensystems möglich ist.

Als Brennstoff für das Brennstoffzellensystem kann Methanol, Wasserstoff oder Flugbenzin verwendet werden.

Die Absaugung der Grenzschicht erfolgt vorteilhaft im Bereich der Flügel oder am Seitenleitwerk des Flugzeugs, da hier die Bildung einer Grenzschicht den größten Beitrag zum aerodynami­ schen Widerstand leistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vor­ richtung können in Segelflugzeugen als auch in Motorflugzeugen zum Einsatz kommen.

Im Falle eines Segelflugzeuges lassen sich mit der erzeugten Energie vorteilhaft Elektromotoren versorgen, welche z. B. einen Propeller antreiben, der dem Segelflugzeug eine größere Reich­ weite als auch einen geringeren Höhenverlust ermöglicht.

Im Falle eines Motorflugzeuges kann die Stromerzeugung insbe­ sondere zur Versorgung des Bordstromnetzes dienen. Mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren kann der Gesamtwirkungsgrad des Flug­ zeugs vergrößert werden.

Weiterhin können zusätzlich Batterien in das Flugzeug inte­ griert werden, um überschüssig erzeugte Energie zwischenzuspei­ chern. Mit dieser Energie kann z. B. beim Segelflieger im Falle eines Höhenverlusts ein Propeller mit einem Elektromotor ange­ trieben werden, um dem Flugzeug zusätzlich Auftrieb zu ver­ schaffen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1 ein Flugzeug in Draufsicht mit dem erfindungsgemäß in­ tegrierten Brennstoffzellensystem,

Fig. 2 das Flugzeug nach Fig. 1 in Seitenansicht.

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Segelflugzeug 1 in Draufsicht. Auf den Tragflächen 2 des Flugzeugs 1 sind in den Bereichen 3 kleine Bohrungen ausgeführt, durch die mittels eines Kompres­ sors (nicht dargestellt) Luft in das Innere des Flugzeugs 1 an­ gesaugt wird.

Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Absaugung von Luft an Teilen des Rumpfes sowie des Seiten- oder Höhenleitwerkes mög­ lich.

Fig. 2 zeigt in der Seitenansicht das Flugzeug 1 mit dem erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzellensystem 5. Die mittels Kompressoren (nicht dargestellt) angesaugte Luft wird der Luftversorgung 4 des Brennstoffzellensystems 5 zugeführt. Aus einem im Innern des Flugzeugs 1 angeordneten Tank 6 wird das Brennstoffzellen­ system 5 mit Brennstoff versorgt.

Das Brennstoffzellensystem 5 wandelt die angesaugte Luft unter Zugabe des Kraftstoffes in elektrische Energie um.

Am Rumpf des Flugzeugs 1 ist eine Luftschraube 7 angeordnet, welche mittels eines Elektromotors 8 betrieben wird. Die für den Antrieb der Luftschraube 7 benötigte Energie kann von dem Brennstoffzellensystem 5 geliefert werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Verminderung des aerodynamischen Widerstandes eines Flugzeuges (1) durch Absaugung der Grenzschichtströ­ mung an der Außenhaut des Flugzeugs (1), dadurch gekenn­ zeichnet, dass die abgesaugten Luftmassen einem bordeigenen Brennstoffzellensystem (5) zur Energieerzeugung zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugung der Grenzschichtströmung am Flügel (2) oder am Seitenleitwerk des Flugzeugs (1) erfolgt.

3. Vorrichtung zur Verminderung des aerodynamischen Widerstan­ des eines Flugzeuges (1) umfassend einen Kompressor zum Ab­ saugen der Grenzschichtströmung an der Außenhaut des Flug­ zeugs (1) gekennzeichnet durch ein Brennstoffzellensystem (5), dessen Luftversorgungseinheit (4) mit dem Ausgang des Kompressors verbunden ist.