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Die
Erfindung betrifft ein Tragwerk, insbesondere einen Holmkasten,
zur Bildung von aerodynamischen Wirkflächen von Luftfahrzeugen, insbesondere
von Tragflächen,
Höhenleitwerken
oder Seitenleitwerken von Flugzeugen, mit einer Oberschale und mit
einer Unterschale.
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Im
Flugzeugbau bilden Holmkästen
das eigentliche Tragwerk zur Aufnahme aller wesentlichen im Bereich
von aerodynamischen Wirkflächen,
insbesondere von Tragflächen,
Seitenleitwerken, Höhenleitwerken
oder dergleichen, auftretenden mechanischen Kräften bzw. Belastungen.
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Derartige
Holmkästen,
beispielsweise zur Bildung einer Tragfläche, werden unter anderem durch
eine Unterschale und eine Oberschale gebildet. Die Oberschale und
die Unterschale bilden die eigentliche aerodynamische Wirkfläche, die
beispielsweise einen Tragflächenabschnitt,
eine Höhenleitwerkabschnitt,
einen Seitenleitwerkabschnitt oder dergleichen eines Flugzeugs darstellt.
Zwischen der Unterschale und der Oberschale sind weiterhin eine Vielzahl
von Rippen vorzugsweise gleichmäßig zueinander
beabstandet und im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Flugzeugs angeordnet.
Die Rippen dienen unter anderem zur Verbindung von Ober- und Unterschale
sowie zur weiteren Versteifung des Holmkastens. Die Rippen sind
jeweils mit ihren unteren und oberen Rippenfüßen mit den entsprechenden
Innenflä chen
der Unterschale und der Oberschale zumindest abschnittsweise verbunden.
Im Wesentlichen quer zur Längsachse
des Flugzeugs bzw. in etwa parallel zu einer Vorder- bzw. Hinterkante
der Tragfläche,
verläuft
zwischen der Ober- und der Unterschale üblicherweise noch mindestens
ein Holm. Weist eine Tragfläche
beispielsweise einen vorderen und einen hinteren Holm auf, so sind
die vorderen Endbereiche der Rippen zumindest abschnittsweise mit
dem vorderen Holm verbunden und die hinteren Endbereiche der Rippen
sind zumindest abschnittsweise mit dem hinteren Holm verbunden.
Daneben sind die Holme zumindest abschnittsweise mit der Ober- und
der Unterschale verbunden. Zur weiteren Stabilisierung der Oberflächen der
Ober- und der Unterschale weisen diese im Allgemeinen noch so genannte
Stringer auf. Die Stringer sind als Profile ausgebildet, die vorzugsweise
gleichmäßig zueinander beabstandet,
im Wesentlichen quer zu einer Längsachse
des Flugzeugs bzw. parallel zu einer Vorder- oder Hinterkante einer
Tragfläche,
im Bereich der Innenfläche
der Ober- und der Unterschale angeordnet und mit dieser verbunden
sind. Die Stringer können beispielsweise
mit Winkelprofilen oder dergleichen gebildet sein.
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Infolge
der nahezu allseitigen Verbindung von Ober- und Unterschale sowie
den Rippen und den Holmen untereinander, ist ein auf diese Weise aufgebauter
Holmkasten zur Bildung einer Tragfläche, eines Höhenleitwerkes,
eines Seitenleitwerkes oder dergleichen bei vergleichsweise geringem
Gewicht mechanisch hoch belastbar.
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Am
Holmkasten einer Tragfläche
werden unter anderem das Fahrwerk, die Triebwerksgondeln, Start-
und Landeklappen, Vorflügel,
Spoiler sowie so genannte Flaps befestigt. Weiterhin kann ein entsprechend
abgedichteter Holmkasten gleichzeitig als Treibstofftank für ein Flugzeug
dienen. Ist der Holmkasten nicht vollständig abgedichtet, können beispielsweise
dichtschließende
Folienauskleidungen, so genannte Liner in den Holmkasten zur Aufnahme von
Treibstoff oder dergleichen eingelegt werden. Dem Holmkasten kommt
jedoch unbeschadet seiner Nebenfunktionen die Hauptaufgabe zu, sämtliche
auf die Tragfläche
einwirkenden Kräfte über die
Tragflächenwurzel
in die Rumpfzelle des Flugzeugs einzuleiten. Umgekehrt werden von
der Rumpfzelle ausgehende Kräfte über die
Tragflächenwurzel
in die Holmkästen
und damit beispielsweise in die Tragflächen eingeleitet.
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Auch
weitere aerodynamische Wirkflächen eines
Luftfahrzeuges, beispielsweise Höhenleitwerke,
Seitenleitwerke, Entenflügel
und andere Steuer- oder Leitflächen,
weisen Holmkästen
zur Bildung der tragenden Struktur auf.
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Bei
den vorbekannten Holmkästen
werden sämtliche
auftretende Kräfte
durch die jeweiligen Komponenten des Holmkastens, insbesondere Oberschale,
Unterschale, Holme, Rippen und Stringer, übertragen. Hierbei übertragen
im Falle einer Tragfläche
beispielsweise die Ober- und die Unterschale des Holmkastens im
Wesentlichen die sich aus der Querkraftbiegung der Tragfläche ergebenden
Normalspannungen. Demgegenüber
werden die Rippen im Holmkasten hauptsächlich mit Querkräften belastet.
Die Holme dienen schließlich
hauptsächlich
zur Übertragung
von Schubspannungen, die aus einer Biegung der Tragfläche resultieren.
Diese Aufteilung der unterschiedlichen, innerhalb einer Tragfläche, eines
Höhenleitwerks
oder Seitenleitwerks auftretenden Kräfte auf jeweils unterschiedliche
konstruktive Elemente hat sich als sehr effektiv für die im
Flugzeugbau erforderlichen Leichtbaustrukturen erwiesen.
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Vorbekannte
Holmkästen
weisen daher durch die im Rahmen der konstruktiven Auslegung einmal
festgelegte Geometrie und Statik stets eine vorgegebene Biegung
und Torsion unter Last auf.
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Durch
die Verwendung von faserarmierten Kunststoffmaterialien lässt sich
zwar eingeschränkt – weil zumindest
passiv differenziert wirkend – eine richtungsabhängige Biege-
Torsionskopplung eines Holmkastens erreichen, eine dynamische Anpassbarkeit
des Holmkastens an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebs-
bzw. Belastungszuständen
ist auf diese Weise jedoch nicht möglich.
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Weiterhin
soll bei unterschiedlichen Belastungszuständen eines Flugzeugs beispielsweise
jeweils eine definierte Biege-Torsionskopplung des Holmkastens erreicht
werden, um insbesondere die aerodynamischen Eigenschaften des Flugzeugs
in einer Vielzahl von unterschiedlichen Betriebszuständen zu
verbessern und/oder die mechanische Belastung einzelner Flugzeugkomponenten
zu reduzieren. Durch eine Verminderung der mechanischen Belastung
einzelner Flugzeug komponenten können
diese statisch leichter dimensioniert werden, wodurch sich unter
anderem Gewichtseinsparungen ergeben. Diese gewünschte dynamische Anpassbarkeit
an unterschiedliche Betriebs- bzw. Lastzustände ist mit den vorbekannten, "starren" Holmkästen jedoch
nicht erreichbar. Durch eine gezielte Ansteuerung der innerhalb
des erfindungsgemäßen Holmkastens
befindlichen Stellelemente in Abhängigkeit von aktuellen, unterschiedlichen
Betriebszuständen
des hiermit ausgestatteten Flugzeugs, kann beispielsweise eine Tragfläche dynamisch
auf alle auftretenden Lastfälle reagieren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es ein Tragwerk, insbesondere einen Holmkasten,
zur Bildung von aerodynamischen Wirkflächen von Luftfahrzeugen, beispielsweise
von Tragflächen,
Höhenleitwerken
oder Seitenleitwerken von Flugzeugen zu schaffen, das an eine Vielzahl
von unterschiedlichen Betriebs- bzw. Belastungszuständen dynamisch
anpassbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Tragwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Dadurch,
dass im Bereich zwischen der Oberschale und der Unterschale mindestens
ein Stellelement zur Änderung
der Oberflächengeometrie
der aerodynamischen Wirkfläche
und/oder der mechanischen Eigenschaften des Tragwerks angeordnet
ist, kann beispielsweise die Biege- und Torsionskopplung eines mit
dem erfindungsgemäßen Tragwerk
gebildeten Holmkastens zur Schaffung einer aerodynamischen Wirkfläche auf
optimale Art und Weise dynamisch an unterschiedliche Betriebszustände bzw.
Lastzustände
eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, mittels einer
von einer Steuer- und Regeleinrichtung kontrollierten Längenänderung
des Stellelementes oder der Stellelemente angepasst werden. Darüber hinaus
kann eine Oberflächengeometrie
der aerodynamischen Wirkfläche
durch das Stellelement oder die Stellelemente dynamisch an unterschiedliche
Betriebszustände bzw.
Lastzustände
des Luftfahrzeugs adaptiert werden.
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Nach
Maßgabe
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tragwerks ist
mittels mindestens eines Stellelementes eine Oberflächengeometrie der
aerodynamischen Wirkfläche
in Abhängigkeit
von den im Tragwerk herrschenden Lastzuständen durch eine Steuer- und
Regeleinrichtung veränderbar.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht
eine dynamische Anpassung der Oberflächengeometrie der aerodynamischen
Wirkfläche,
beispielsweise einer Tragfläche
eines Flugzeugs, an unterschiedliche Betriebs- und Lastzustände, so
dass sich zum Beispiel der Luftwiderstandswert und damit der Treibstoffverbrauch
des Luftfahrzeuges verringern lässt.
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Nach
Maßgabe
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mittels
mindestens eines Stellelementes eine Biege-Torsionskopplung des
Tragwerks in Abhängigkeit
von den im Tragwerk herrschenden Lastzuständen durch die Steuer- und Regeleinrichtung
veränderbar.
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Hierdurch
lassen sich bei unterschiedlichen Betriebs- und Lastzuständen des
Luftfahrzeuges Lastabminderungen erreichen, wodurch unter anderem
Gewichtseinsparungen ermöglicht
werden.
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Nach
Maßgabe
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der
Oberschale und der Unterschale mindestens ein Holm angeordnet.
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Diese
Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht
einen konstruktiv einfacheren Aufbau des erfindungsgemäßen Holmkastens
im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der sowohl die Rippen als
auch die Holme durch Stellelemente ersetzt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Oberschale und der
Unterschale mindestens eine Rippe angeordnet ist.
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Diese
Ausgestaltung dient gleichfalls einer Vereinfachung des Aufbaus
des Holmkastens im Vergleich zu einer konstruktiven Lösung, bei
der sowohl die Holme als auch die Rippen durch Stellelemente ersetzt
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass der Holm oder die Holme im Bereich des Stellelementes
oder der Stellelemente schubweich ausgelegt sind. Hierdurch werden
unerwünschte
Spannungen bei einer Verstellung bzw. Längenänderung der Stellelemente vermieden.
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Nach
Maßgabe
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
die Rippe oder die Rippen im Bereich des Stellelementes oder der Stellelemente
querkraftweich ausgelegt sind.
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Hierdurch
werden ebenfalls unerwünschte Spannungen
bei einer Verstellung der Stellelemente vermieden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Holmkastens
sieht vor, dass eine Länge
mindestens eines Stellelementes mittels der Steuer- und Regeleinrichtung
variierbar ist.
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Mittels
dieser Ausgestaltung ist unter anderem eine dynamische Anpassung
der Biege-Torsionskopplung des erfindungsgemäßen Holmkastens in Abhängigkeit
von einer Vielzahl von unterschiedlichen Betriebs- bzw. Lastzuständen des
Flugzeugs möglich.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Tragwerks
ist zwischen zwei Rippen ein Stellelement angeordnet, wobei das
Stellelement im Wesentlichen parallel zu dem Holm angeordnet ist.
Diese Ausführungsform erlaubt
eine zumindest geringfügige
Adaption des Tragwerks an unterschiedliche Last- und Betriebszustände mit
einem relativ geringen konstruktiven Aufwand.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen mindestens
zwei Rippen mindestens zwei Stellelemente zur Bildung eines Zugschubfeldes über Kreuz
angeordnet sind, wobei das Stellelement oder die Stellelemente im
Wesentlichen parallel zu dem Holm oder den Holmen angeordnet sind.
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Die
Bildung eines Zugschubfeldes erlaubt die Erzeugung größerer Zug-
bzw. Schubkräfte
im Tragwerk bei relativ geringen Stellwegen der Stellelemente und
demzufolge auch eine flexiblere Adaption an unterschiedliche aerodynamische
Verhältnisse bzw.
Lastzustände.
Die gekreuzte Anordnung der Stellelemente zwischen den Rippen erlaubt
daher den zumindest bereichsweisen Ersatz eines Holms durch die
Stellelemente.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tragwerks
ist ein Stellelement im Wesentlichen parallel zu einer Rippe im
Bereich zwischen der Oberschale und der Unterschale angeordnet.
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Diese
Ausführungsform
erlaubt eine zumindest geringfügige
Adaption des Tragwerks an unterschiedliche Last- und Betriebszustände mit
einem vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand.
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Nach
Maßgabe
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tragwerks zur
Bildung eines Holmkastens sind das Stellelement oder die Stellelemente
stabförmig
ausgebildet.
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Stabförmig ausgebildete
Stellelemente lassen sich in vorteilhafter Weise im Holmkasten zwischen
benachbarten Rippen anordnen. Weiterhin ermöglichen stabförmig ausgebildete
Stellelemente eine konstruktiv günstige
Integration von Aktuatoren, wie zum Beispiel in der Form von piezoelektrischen Filamenten
oder Drähten
aus Formgedächtnislegierungen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
mindestens ein Stellelement mindestens einen Aktuator zur Änderung
der Länge
mindestens eines Stellelementes aufweist.
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Durch
diese Ausgestaltung ist es möglich, die
Länge der
Stellelemente mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung zu ändern. Hierbei
können
die Stellelemente sich entweder verkürzen oder verlängern, sodass
sowohl Zug- als auch Schubspannungen erzeugt werden können.
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Nach
Maßgabe
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Tragwerks ist mindestens
ein Aktuator mit mindestens einem piezoelektrischen Element, insbesondere
mit piezoelektrischen Stacks, mit piezoelektrischen Plättchen,
mit piezoelektrischen Filamenten und/oder mit mindestens einem Formgedächtniselement
gebildet, das durch von der Steuer- und Regeleinrichtung erzeugte
Steuersignale betätigbar
ist.
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Die
Verwendung von piezoelektrischen Elementen und/oder von Formgedächtniselementen
erlaubt einen hohen Wirkungsgrad im Hinblick auf die aufzuwendende
Stellenergie und die damit zu erzielenden Stellwege.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein
Stellelement mindestens einen Sensor aufweist, um Lastzustände in mindestens
einem Stellelement und/oder eine Längenänderung mindestens eines Stellelementes
zu erfassen. Hierdurch lassen sich die Stellelemente mittels der Steuer-
und Regeleinrichtung im Hinblick auf unterschiedliche Betriebs-
und Lastzustände
des Luftfahrzeugs differenzierter betätigen, weil von der Steuer- und
Regeleinrichtung die aktuellen Lastzustände und/oder Längenänderungen
der Stellelemente mit berücksichtigt
werden können.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen dargelegt.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Abschnittes eines mit dem erfindungsgemäßen Tragwerk
gebildeten Holmkastens für
eine Tragfläche
gemäß einer
ersten Ausführungsvariante,
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2 einen
Längsschnitt
durch einen mit dem erfindungsgemäßen Tragwerk gebildeten Holmkasten
für eine
Tragfläche
nach Maßgabe
einer zweiten Ausführungsvariante
und
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3 einen
Querschnitt durch einen Holmkasten nach einer dritten Ausführungsvariante.
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Die 1 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Abschnittes eines mit dem
erfindungsgemäßen Tragwerk
gebildeten Holmkastens für
eine Tragfläche
nach Maßgabe
einer ersten Ausführungsvariante,
bei der die Stellelemente nur abschnittsweise in die Tragstruktur
integriert sind.
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Ein
als Holmkasten 1 ausgestaltetes Tragwerk bildet einen wesentlichen
Bestandteil einer nicht näher
dargestellten Tragfläche
eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs. Der Holmkasten 1 stellt
hierbei lediglich einen kleinen Ausschnitt aus einem vollständigen,
beispielsweise zur Bildung einer Tragfläche eines Flugzeugs dienenden
Holmkastens dar.
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Der
Holmkasten 1 weist eine Oberschale 2 sowie eine
Unterschale 3 auf. Die Unterschale 3 ist mit den
Stringern 4, 5, 6 ausgesteift. Die Oberschale 2 weist
gleichfalls entsprechend ausgebildete, nicht näher dargestellte Stringer zur
Verstärkung
auf. Die Stringer dienen insbesondere dazu, Beulen in der Oberschale 2 und
in der Unterschale 3 zu vermeiden, die nur eine relativ
geringe Materialstärke
aufweisen.
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Die
Oberschale 2 und die Unterschale 3 bilden die
aerodynamische Wirkfläche
des Holmkastens 1, die beispielsweise einen Tragflächenabschnitt eines
Flugzeugs bildet. Der in 1 gezeigte Holmkasten 1 bildet
zumindest einen Abschnitt einer Tragfläche eines Flugzeugs, wobei
im vorderen Bereich weitere, nicht näher dargestellte Komponenten,
wie zum Beispiel Vorflügel,
angebracht sind. Entsprechend weist der Holmkasten 1 im hinteren
Bereich weitere, ebenfalls nicht näher dargestellte Komponenten,
wie zum Beispiel Landeklappen auf.
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Zwischen
der Oberschale 2 und der Unterschale 3 sind weiterhin
drei Rippen 7, 8, 9 zur Bildung und weiteren
Aussteifung des Holmkastens 1 angeordnet. Die Rippen 7, 8, 9 sind
zumindest bereichsweise mit der Oberschale 2 und der Unterschale 3 verbunden.
Der Holmkasten 1 weist weiterhin einen vorderen Holm 10 auf.
Der vordere Holm 10 ist mit den Rippen 7, 8, 9 sowie
mit der Oberschale 2 und der Unterschale 3 zumindest
bereichsweise verbunden. Entsprechend zum vorderen Holm 10 weist
der Holmkasten 1 einen hinteren Holm auf, der aus Gründen der
besseren zeichnerischen Übersicht
nicht dargestellt ist. Auch der hintere Holm ist mit Endbereichen
der Rippen 7, 8, 9, der Oberschale 2 sowie der
Unterschale 3 zumindest bereichsweise verbunden.
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Auf
Grund der wechselseitigen Verbindung der einzelnen Komponenten des
Holmkastens 1 in Gestalt des vorderen Holms 10,
des hinteren Holms, der Rippen 7, 8, 9,
der Oberschale 2 und der Unterschale 3 untereinander,
ergibt sich eine mechanisch hochbelastbare und dennoch leichtgewichtige
Konstruktion. Die Verbindung der einzelnen Komponenten untereinander
kann hierbei beispielsweise durch Vernieten, Verschweißen, Verschrauben,
Verkleben oder dergleichen erfolgen. Die einzelnen Komponenten des
Holmkastens 1 können
mit einem metallischen Material, wie zum Beispiel mit Aluminium,
mit Aluminiumlegierungen, mit Titan und/oder mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial,
beispielsweise kohlefaserverstärktem
Epoxydharz oder dergleichen, gebildet sein.
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Zwischen
den Rippen 7 und 8 sind die Stellelemente 11 und 12 über Kreuz
angeordnet. Entsprechend sind zwischen den Rippen 8 und 9 die
Stellelemente 13 und 14 angeordnet. Die gekreuzte
Anordnung der Stellelemente 11 bis 14 gewährleistet
bei relativ geringen Längenänderungen
bzw. Stellwegen der Stellelemente 11 bis 14 hohe
Stellkräfte.
Zudem lassen sich mit über
Kreuz angeordneten Stellelementen sowohl Zugkräfte als auch Druckkräfte gleichermaßen wirkungsvoll
aufbauen und einleiten. Ein derartiges Fachwerk aus gekreuzt angeordneten Stellelementen
zur Bildung eines Zugschubfeldes ist damit in der Lage, flächenhafte
Komponenten wie zum Beispiel Rippen, Scheiben oder auch Holme statisch
zu ersetzen bzw. zumindest zu ergänzen.
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Bei
den Stellelementen 11 bis 14 handelt es sich beispielsweise
um stabförmige
Aktuatoren mit jeweils integrierten piezoelektrischen Elementen,
die sowohl Zug- als auch Schubspannungen erzeugen bzw. aufnehmen
können.
Die Aktuatoren können
beispielsweise als kohlefaserverstärkte Epoxydstäbe ausgebildet
sein, in die die piezoelektrischen Elemente direkt eingebettet sind.
Die piezoelektrischen Elemente können
beispielsweise als Filamente, Stränge, piezoelektrische Stacks,
Plättchen
oder dergleichen ausgebildet sein. Für die Erzeugung größerer Zugschubspannungen
können
auch Formgedächtnislegierungen
in die Epoxydstäbe
integriert werden. Die vorzugsweise über Kreuz positionierten Stellelemente 11 bis 14 bilden
in ihrer Gesamtanordnung das Zugschubfeld, das zumindest bereichsweise
die Funktion des vorderen Holms 10 bzw. des hinteren Holms übernimmt
bzw. dessen statische Funktionen zumindest ergänzt.
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Die
piezoelektrischen Elemente bzw. die Formgedächtnislegierungen innerhalb
eines Stellelementes lassen sich jeweils einzeln oder in Gruppen ansteuern.
Die Stellelemente 11 bis 14 lassen sich gleichfalls
individuell oder gruppenweise mittels einer nicht näher dargestellten
Steuer- und Regeleinrichtung ansteuern. Zu diesem Zweck werden von
der Steuer- und Regeleinrichtung entsprechende elektrische Steuersignale
generiert, die über
nicht dargestellte Anschlussleitungen den Stellelementen 11 bis 14 zugeleitet
werden. Durch die elektrischen Steuersignale lässt sich eine Länge der
Stellelemente 11 bis 14 gezielt ändern, das
heißt
entweder verlängern oder
verkürzen.
Durch eine gezielt gesteuerte Längenänderung
der einzelnen Stellelemente 11 bis 14 entstehen
in den Stellelementen Zug- oder Schubspannungen, die in den Holmkasten 1 übergeleitet
werden.
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Die
Stellelemente 11 bis 14, der vordere Holm 10,
der hintere Holm, die Rippen 7, 8, 9,
die Oberschale 2, die Unterschale 3, die Stringer 4, 5, 6 sowie
weitere Komponenten können
darüber
hinaus mit nicht näher
dargestellten Sensoren zur Erfassung von Belastungszuständen, insbesondere
von mechanischen Spannungen und/oder Längenänderungen in den einzelnen
Komponenten, ausgestattet sein. Mittels der Sensoren lassen sich
mechanische Belastungszustände
und/oder Längenänderungen
in nahezu allen Komponenten des gesamten Tragwerks erfassen. Die
Sensoren sind über
Anschlussleitungen mit der Steuer- und Regeleinrichtung verbunden.
Die von den Sensoren ermittelten Messsignale werden an die Steuer- und Regeleinrichtung weitergeleitet,
die hieraus Steuersignale für
die Stellelemente 11 bis 14 ermittelt, um diese
anzusteuern. Durch die Sensoren ist eine genauere dynamische Adaption
des mit dem erfindungsgemäßen Holmkasten 1 gebildeten
Tragwerks an unterschiedliche Last- und Betriebszustände, beispielsweise
einer hiermit gebildeten Tragfläche
eines Flugzeugs, möglich.
Sowohl die Steuer- als auch die Messsignale können im Multiplexbetrieb über dieselben
Anschlussleitungen übertragen
werden.
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Durch
diese von der Steuer- und Regeleinrichtung kontrollierten Längenänderungen
der Stellelemente 11 bis 14 werden mechanische
Spannungen innerhalb des den Holmkasten 1 bildenden Tragwerks
erzeugt, die beispielsweise zur Einstellung einer definierten Biege-Torsionskopplung
bei unterschiedlichen Betriebs- bzw. Lastzuständen einer Tragfläche eines
Flugzeugs benutzt werden können. So
kann der Holmkasten beispielsweise beim Auftreten von Böen zunächst statisch "elastischer" gemacht und nach
einer Abschwächung
der Böe
durch eine gezielte Ansteuerung der Stellelemente wieder statisch "härter" eingestellt werden, sodass mechanische
Lastspitzen minimiert bzw. ganz vermieden werden. Hierdurch ergeben
sich Last abminderungen, die zu einer konstruktiv leichteren Ausführung von
Komponenten mit einer entsprechenden Gewichtsreduzierung führen.
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Bei
einer geeigneten Ansteuerung der Stellelemente 11 bis 14 kann
eine mit dem erfindungsgemäßen Holmkasten 1 gebildete
Tragfläche
darüber hinaus
auch in einer aerodynamisch wirksamen Weise verstellt, beispielsweise
geringfügig
verdreht, angehoben oder sonst wie definiert verformt werden.
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Insbesondere
lässt sich
durch eine gezielte Betätigung
der Stellelemente 11 bis 14 beispielsweise eine
Oberflächengeometrie
einer Tragfläche
eines Flugzeugs zumindest bereichsweise verändern (so genanntes "morphing"). Hierdurch lassen
sich mittels der Steuer- und Regeleinrichtung beispielsweise die aerodynamischen
Eigenschaften einer Tragfläche unmittelbar
und dynamisch verändern.
So kann beispielsweise einer Tragfläche eines Flugzeugs während der
Start- und Landephase mittels des erfindungsgemäßen adaptiven Holmkastens eine
optimale Oberflächengeometrie
für niedrige
Anströmungsgeschwindigkeiten
gegeben werden, während
der Tragfläche
während
des Reiseflugs eine auf höhere Fluggeschwindigkeiten
hin optimierte Oberflächengeometrie
verliehen wird. Eine mit dem erfindungsgemäßen Holmkasten 1 aufgebaute
Tragfläche
weist somit selbst unter verschiedenen Betriebs- bzw. Lastzuständen stets
nahezu optimale Eigenschaften auf, wobei zugleich der Flugkomfort
steigt.
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Weiterhin
kann die aerodynamische Wirkung der Landeklappen, der Spoiler, der
Vorflügel,
der Querruder, der Höhenruder
sowie der Seitenruder durch eine entsprechende Modifikation der
Oberflächengeometrie
der entsprechenden aerodynamischen Wirkflächen zumindest unterstützt werden. Ferner
können
Flugmanöver
mittels des adaptiven Tragwerks bzw. des hiermit gebildeten Holmkastens aktiv
durch eine vorausschauende – weil
zum Beispiel Sensoren mit Fernwirkung frühzeitig Böen etc. anzeigen – Änderung
der Oberflächengeometrien von
aerodynamischen Wirkflächen
unterstützt
werden.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach Maßgabe
der 1 sind beide Enden der Stellelemente 11 bis 14 jeweils
mit oberen und unteren Rippenfüßen 15, 16 der
Rippen 7, 8, 9 verbunden, da in diesen
Bereichen Verbindungsstellen zwischen den Rippen 7, 8, 9 und der
Ober- bzw. der Unterschale 2, 3 bestehen, an denen
die Stellelemente 11 bis 14 in konstruktiv vorteilhafter
Weise angelenkt werden können.
Die kreuzweise Anordnung der Stellelemente 11 bis 14 ist
nicht zwingend erforderlich, so dass auch andere geometrische Anordnungen
der Stellelemente 11 bis 14 zwischen der Oberschale 2 und
der Unterschale 3 gewählt
werden können.
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Damit
im hinteren Holm durch die aktuatorische Betätigung der Stellelemente 11 bis 14 bzw. durch
deren Längenänderung
keine unerwünschten Spannungen
entstehen, müssen
diese zumindest im Bereich der Stellelemente 11 bis 14 "schubweich" ausgelegt werden.
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Der
Begriff "schubweich" bedeutet, dass der betreffende
Holm im Bereich der Stellelemente 11 bis 14 nicht
in der Lage ist, Schubspannungen 17 in einem nennenswerten
Umfang aufzunehmen bzw. weiterzuleiten. Ein "schubweich" ausgelegter Holm nimmt im Wesentlichen
nur noch die Innendrucklasten, zum Beispiel etwaige Treibstofflasten
sowie die Querkräfte 19,
die beispielsweise in einer Tragfläche entstehen, auf. Im Bereich
der Stellelemente 11 bis 14 werden die Schubspannungen 17 jedoch
im Wesentlichen von den Stellelementen 11 bis 14 aufgenommen.
Die Oberschale 2 und die Unterschale 3 nehmen
unbeschadet der "schubweichen" Auslegung der Holme
im Wesentlichen nur die auftretenden Normalspannungen 18 auf.
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Weiterhin
ist es möglich,
zumindest einzelne Rippen 7, 8, 9 mit
in der 1 der Übersicht
halber nicht dargestellten (Rippen-) Stellelementen zu versehen
bzw. gegebenenfalls auch vollständig
zu ersetzen. Diese (Rippen-) Stellelemente werden dann beispielsweise
im Wesentlichen parallel zu den Rippen 7, 8, 9 im
Bereich zwischen der Oberschale 2 und der Unterschale 3 ebenfalls
kreuzförmig
angeordnet, um ein Zugschubfeld zu bilden. Sollen die Rippen 7, 8, 9 hierbei
nicht vollständig
durch die (Rippen-) Stellelemente ersetzt werden, so müssen die Rippen 7, 8, 9 zumindest
im Bereich der Stellelemente "querkraftweich" ausgelegt werden.
Der Begriff "querkraftweich" bedeutet in Entsprechung
zu dem weiter oben eingeführten
Begriff der "Schubweichheit", dass beispielsweise
die Rippen 7, 8, 9 im Bereich der (Rippen-)
Stellelemente im Wesentlichen keine Querkräfte 19 mehr übertragen.
Zumindest in denjenigen Bereichen, in denen die Rippen "querkraftweich" ausgelegt sind, übernehmen
die (Rippen-) Stellelemente die Aufgabe der hauptsächlichen Übertragung
der Querkräfte 19.
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Sowohl
Holme als auch Rippen können
beispielsweise durch eine zumindest lokale Einbringung von Sicken
zumindest bereichsweise "schubweich" bzw. "querkraftweich" gemacht werden.
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Die
Darstellung der 1 stellt eine erste Ausführungsvariante
der Erfindung dar, bei der lediglich in einem begrenzten Abschnitt
des hier aus Gründen
der besseren Übersicht
nicht dargestellten hinteren Holms Stellelemente 11 bis 14 in
die Tragfläche integriert
sind. Die statischen Funktionen des hinteren Holms werden hierbei
durch die Stellelemente 11 bis 14 nur zum Teil übernommen,
weil die Stellelemente 11 bis 14 lediglich Schubkräfte weiterleiten. Entsprechend
können
zumindest abschnittsweise auch einzelne Rippen mit (Rippen-) Stellelementen versehen
werden. Hierdurch ergibt sich ein vergleichsweise einfacher konstruktiver
Aufbau des erfindungsgemäßen Tragwerks.
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Abweichend
von der Darstellung der 1 ist es auch möglich, eine
größere Anzahl
von Stellelementen zur Bildung von bereichsweisen Zugschubfeldern
sowohl im Bereich des vorderen Holms 10, als auch im Bereich
des hinteren Holms anzuordnen.
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Weiterhin
sieht eine Ausführungsvariante der
Erfindung vor, den vorderen Holm 10 und/oder den hinteren
Holm vollständig
durch mit einer Vielzahl von Stellelementen gebildete Zugschubfelder komplett
zu ersetzen, sodass es auf eine bereichsweise "schubweiche" Auslegung nicht mehr ankommt. Entsprechend
können
auch die Rippen des Holmkastens durch Stellelemente vollständig ersetzt werden.
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In
einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist
es möglich,
sowohl die Holme als auch die Rippen, beispielsweise einer Tragfläche, vollflächig durch
ein ganzes Feld längenveränderlicher
Stellelemente zur Bildung eines komplexen Zugschubfeldes zu ersetzen.
Ein derartiges Tragwerk bzw. ein derartiger Holmkasten weist überhaupt
keine Holme und keine Rippen mehr auf. Die Anordnung der Stellelemente
erfolgt dann zumindest bereichsweise matrixförmig im Bereich zwischen der Oberschale 2 und
der Unterschale 3, wobei jeweils mindestens zwei Stellelemente
wiederum über
Kreuz angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht mittels der Stellelemente
die Erzeugung großer
Stellkräfte
und damit eine weitergehende Veränderung
einer mit dieser Anordnung beispielsweise gebildeten Tragfläche und/oder
eine hochflexible, dynamische Anpassung an unterschiedliche Betriebs-
und Lastzustände
eines Flugzeugs. Beispielsweise ist es dann während der Start- und Landephase
eines Flugzeugs möglich,
den Tragflächen
eine Oberflächengeometrie
zu verleihen, die einen maximalen Auftrieb gewährleistet. Demgegenüber wäre es möglich, den Tragflächen während des
Reiseflugs eine Oberflächengeometrie
zu geben, die den Strömungswiderstand
minimiert.
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Eine
derartige Anordnung bedingt aber einen hohen konstruktiven und regelungstechnischen
Aufwand, da eine Vielzahl von Stellelementen beispielsweise in die
Tragflächen
integriert und mittels der Steuer- und Regeleinrichtung zumindest
teilweise getrennt voneinander angesteuert werden.
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Die 2 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen mit dem erfindungsgemäßen Tragwerk gebildeten Holmkasten
für eine
Tragfläche
nach Maßgabe einer
zweiten Ausführungsvariante.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsvariante
erstrecken sich die Stellelemente hier über eine volle Länge der
Tragfläche
eines Flugzeugs.
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Ein
Holmkasten 20 weist zur Bildung eines Tragwerkes für eine Tragfläche eines
Flugzeugs unter anderem eine Oberschale 21 und eine Unterschale 22 auf.
Der Holmkasten 20 ist im Bereich einer Tragflächenwurzel 23 mit
einer nicht näher
dargestellten Rumpfzelle eines Flugzeugs verbunden. Zwischen der
Oberschale 21 und der Unterschale 22 sind Rippen 24 bis 32 angeordnet.
Zwischen der Oberschale 21 und der Unterschale 22 sind
weiterhin zwischen zwei benachbarten Rippen 24, 25 bis 31,32 jeweils
zwei Stellelemente 33 bis 48 angeordnet. Hierbei
sind die Stellelemente 33 und 34 über Kreuz zwischen
den Rippen 24 und 25 angeordnet, um eine möglichst
hohe Kraftentfaltung bei geringen Stellwegen der Stellelemente 33 und 34 zu
ermöglichen. Zwischen
den Rippen 25 und 26 sind entsprechend die Stellelemente 35, 36 usw.
bis hin zu den Stellelementen 47 und 48 zwischen
den Rippen 31 und 32 angeordnet.
-
Zwischen
der Oberschale 21 und der Unterschale 22 befindet
sich wiederum ein hinterer, der besseren Übersicht halber nicht dargestellter
Holm, dessen mechanische Wirkung durch das Zugschubfeld, gebildet
aus den Stellelementen 33 bis 48, ergänzt und
gleichzeitig erweitert wird. Sämtliche
Stellelemente 33 bis 48 sind ent sprechend zu den
vorstehend beschriebenen Stellelementen 11 bis 14 ausgebildet
und insbesondere mittels der Steuer- und Regeleinrichtung durch
elektrische Steuersignale jeweils unabhängig voneinander aktuierbar,
das heißt in
Abhängigkeit
von einer angelegten elektrischen Steuerspannung längenveränderbar
ausgebildet. Weiterhin können
die Stellelemente 33 bis 48, die Oberschale 21,
die Unterschale 22, die Rippen 24 bis 32 sowie
die Holme nicht dargestellte Sensoren zur Erzeugung von Messsignalen
aufweisen, um der Steuer- und Regeleinrichtung Informationen über die in
diesen Komponenten aktuell bestehenden Lastzustände, insbesondere in der Form
von Längenänderungen
und/oder von mechanischen Spannungen, zuzuführen. Das durch die Stellelemente 33 bis 48 gebildete
Zugschubfeld dient wiederum zur dynamischen Anpassung des Holmkastens 20 an
unterschiedliche Betriebs- und Belastungszustände der Tragfläche des
Flugzeugs.
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Die
mechanische Funktion des hinteren Holms kann durch die Stellelemente 33 bis 48 entweder
nur ergänzt
bzw. erweitert oder aber auch vollständig durch diese ersetzt werden.
Bei einer bloßen Ergänzung bzw.
Erweiterung der statischen Funktionalität des hinteren Holms durch
die Stellelemente 33 bis 48 ist dieser "schubweich" ausgelegt, um unerwünschte mechanische
Spannungen durch eine Aktuierung bzw. Betätigung des Zugschubfeldes zu
vermeiden.
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Die 3 zeigt
einen Querschnitt durch einen mit einem Tragwerk gebildeten Holmkasten
nach Maßgabe
einer dritten Ausführungsvariante.
Im Unterschied zur zweiten Ausführungsvariante
sind zwischen zwei Rippen jeweils zwölf Stellelemente vorgesehen.
Hierbei sind jeweils zwei Stellelemente wiederum über Kreuz
angeordnet. Darüber
hinaus sind noch zwei kreuzweise angeordnete (Rippen-) Stellelemente
vorgesehen.
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Ein
Holmkasten 49 weist zur Bildung eines Tragwerkes für eine Tragfläche eines
Flugzeugs unter anderem eine Oberschale 50 und eine Unterschale 51 auf.
Die Oberschale 50 und die Unterschale 51 sind
durch die Rippe 52 miteinander verbunden. Auf den Innenseiten
der Ober- und der Unterschale 50, 51 sind eine
Vielzahl von Stringern, angedeutet durch kleine senkrechte Linien,
gleichmäßig zueinander beabstandet
angeordnet. Zwischen der Oberschale 50 und der Unterschale 51 sind
weiterhin insgesamt zwölf
Stellelemente 53 bis 64 angeordnet. Jeweils zwei
der Stellelemente 53 bis 64 sind wiederum über Kreuz
zwischen der Oberschale 50 und der Unterschale 51 angeordnet.
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Weiterhin
weist der Holmkasten 49 einen vorderen Holm 65 und
einen hinteren Holm 66 auf. Die mechanischen Funktionen
des vorderen und des hinteren Holms 65, 66 werden
zumindest zum Teil von den Stellelementen 53 bis 64 übernommen
bzw. ergänzen
diese. Um die unerwünschte
Entstehung von Schubspannungen im Falle einer Betätigung der Stellelemente 53 bis 64 innerhalb
des vorderen und des hinteren Holms 65, 66 zu
vermeiden, sind diese wiederum "schubweich" ausgelegt.
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Weiterhin
weist der Holmkasten 49 zwei Stellelemente 67, 68 auf,
die zumindest teilweise die mechanische Funktion der Rippe 52 ergänzen bzw.
erweitern. Um die Entstehung von unerwünschten Querkräften in
der Rippe 52 bei der Betätigung der Stellelemente 67, 68 zu
vermeiden, ist die Rippe 52"querkraftweich" ausgelegt. Der Aufbau
der Stellelemente 53 bis 64 und 67, 68 entspricht
hierbei dem konstruktiven Aufbau der weiter oben zu 1 beschriebenen
Stellelemente 11 bis 14.
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Abweichend
von der Anordnung in der Darstellung der 3 können bei
einer entsprechenden Auslegung der Stellelemente die statischen
Funktionen des vorderen Holms 65, des hinteren Holms 66 sowie
der Rippe 52 vollständig
durch die Stellelemente 53 bis 64 und 67, 68 übernommen
werden. Dieses Prinzip lässt
sich auf die gesamte Länge
einer Tragfläche,
eines Höhenleitwerkes
oder eines Seitenleitwerkes übertragen,
wenn eine ausreichende Anzahl von entsprechend angeordneten Stellelementen
vorgesehen wird.
-
Mittels
des erfindungsgemäßen Tragwerks und
der hieraus gebildeten Holmkästen
lassen sich aerodynamische Wirkflächen bilden, die sich dynamisch
an eine Vielzahl von unterschiedlichen Flugzuständen anpassen. Hierdurch ergeben
sich aerodynamische Verbesserungen durch eine mittels der Steuerelemente
den jeweiligen Betriebszuständen des
Flugzeugs angepasste Oberflächengeometrie der
aerodynamischen Wirkflächen
und/oder Gewichtseinsparungen infolge einer Verringerung von strukturmechanischen
Belastungen.
-
- 1
- Holmkasten
- 2
- Oberschale
- 3
- Unterschale
- 4
- Stringer
- 5
- Stringer
- 6
- Stringer
- 7
- Rippe
- 8
- Rippe
- 9
- Rippe
- 10
- Holm
- 11
- Stellelement
- 12
- Stellelement
- 13
- Stellelement
- 14
- Stellelement
- 15
- obere
Rippenfüße
- 16
- untere
Rippenfüße
- 17
- Schubspannungen
- 18
- Normalspannungen
- 19
- Querkräfte
- 20
- Holmkasten
- 21
- Oberschale
- 22
- Unterschale
- 23
- Tragflächenwurzel
- 24
- Rippe
- 25
- Rippe
- 26
- Rippe
- 27
- Rippe
- 28
- Rippe
- 29
- Rippe
- 30
- Rippe
- 31
- Rippe
- 32
- Rippe
- 33
- Stellelement
- 34
- Stellelement
- 35
- Stellelement
- 36
- Stellelement
- 37
- Stellelement
- 38
- Stellelement
- 39
- Stellelement
- 40
- Stellelement
- 41
- Stellelement
- 42
- Stellelement
- 43
- Stellelement
- 44
- Stellelement
- 45
- Stellelement
- 46
- Stellelement
- 47
- Stellelement
- 48
- Stellelement
- 49
- Holmkasten
- 50
- Oberschale
- 51
- Unterschale
- 52
- Rippe
- 53
- Stellelement
- 54
- Stellelement
- 55
- Stellelement
- 56
- Stellelement
- 57
- Stellelement
- 58
- Stellelement
- 59
- Stellelement
- 60
- Stellelement
- 61
- Stellelement
- 62
- Stellelement
- 63
- Stellelement
- 64
- Stellelement
- 65
- Holm
- 66
- Holm
- 67
- Stellelement
- 68
- Stellelement