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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Flugzeugkonfiguration für Fracht-
oder Passagierflugzeuge.
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Die
Konfiguration moderner Fracht- und Passagierflugzeuge wird in hohem
Maße bestimmt
durch die Betriebskosten und die subjektive Wahrnehmung, bzw. die
Akzeptanz durch den Passagier.
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Alle
verbreiteten Konfigurationen weisen die folgenden gemeinsamen Merkmale
auf: Ein Haupttragwerk, welches im Bereich der Kabinensektion, in Schwerpunktnähe angeordnet
ist und einen positiven Pfeilungswinkel (nach hinten gepfeilt) aufweist.
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Ein
am Heck angeordnetes Höhenleitwerk, das überwiegend
Abtrieb erzeugt.
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Als
Antrieb dienen überwiegend
Turbofantriebwerke mit einem Nebenstromverhältnis von bis zu 8,7 (GE90;
B777-200), oder Turboproptriebwerke mit einer Blattzahl von bis
zu 6 Blättern
pro Propeller.
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Der
entscheidende Nachteil der oben beschriebenen Konfigurationen besteht
darin, dass sich keine signifikante Absenkung des spezifischen Treibstoffverbrauchs
mehr realisieren lässt.
Der Schlüssel für eine bedeutende
Senkung des spezifischen Treibstoffverbrauchs wäre die Anwendung von effizienteren
Triebwerken, die konfigurationsbedingte Verbesserung der Aerodynamik
und die Senkung des Strukturgewichts. Effizientere Triebwerke haben
physikalisch bedingt als gemeinsames Merkmal ein hohes Nebenstromverhältnis welches
zu großen
Triebwerksaußendurchmessern
führt.
Zusätzlich
kann ein Wärmetauscher
zum Einsatz kommen. Bei den heute gängigen Flugzeugkonfigurationen
bietet allein der Hochdecker die Möglichkeit Triebwerke mit großem Außendurchmesser
sinnvoll zu integrieren. Jedoch führt die optische Dominanz,
eines im Verhältnis
zum Gesamtflugzeug sehr großen,
gut sichtbaren Fan bzw. Propfan, zu einem subjektiv bedrohlichen
Eindruck beim Passagier. Dieser Effekt hat maßgeblich zur Verdrängung der
Turbopropellertriebwerke beigetragen, obwohl sie im Kurzstreckeneinsatz ökonomischer
sind als die heute gebräuchlichen
Turbofantriebwerke.
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Außerdem entsteht
durch die kabinennahe Anbringung der Triebwerke eine erhebliche
Lärmbelästigung
die den Passagierkomfort signifikant beeinträchtigt.
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Des
Weiteren sind die verbreiteten Konfigurationen i.A. aufgrund der
auf effiziente Weise aufzubringenden Momente (Produkt aus Leitwerkshebelarmen
und Leitwerksflächen)
und der geforderten Zugänglichkeit
limitiert in ihrem Verhältnis
der Kabinenbreite zur Kabinenlänge.
D. h. deren Kabinen sind lang und schmal. Diese Größe ist sowohl
entscheidend für
den Passagierkomfort als auch für
eine effiziente Nutzung des Kabinenvolumens (So benötigt z.B.
eine Kabine mit 19 Sitzen in Zweierreihen deutlich mehr teures Volumen
als eine Kabine mit 19 Sitzen in Dreierreihen oder gar in Viererreihen).
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Die
Hochdecker-Konfiguration ist bestens bekannt und erlaubt keine signifikante
Verbesserung der Aerodynamik mehr. Zudem führt die Hochdeckerkonfiguration
zu einer großen
Fahrwerksverkleidung auf der Rumpfunterseite, was zu erhöhten Kosten; Gewicht
und Widerstand führt.
Ausgenommen sind hierbei Konfigurationen bei denen das Hauptfahrwerk
in der Triebwerksgondel aufbewahrt wird. Dies ist jedoch ausschließlich bei
Turbopropantrieben möglich
und mit dem Nachteil eines erheblich größeren Fahrwerksgewichtes aufgrund
der entsprechend notwendigen längeren
Hauptfahrwerksbeine verbunden. Gewichtseinsparungen sind bei der
Hochdeckerkonfiguration (so wie bei allen anderen bereits ausgeführten und
optimierten Konfigurationen auch) nur durch den Einsatz neuer Werkstoffe
möglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Flugzeugkonfiguration, insbesondere für Passagierflugzeuge zu
schaffen, die die erwähnten
Nachteile der bekannten Konfigurationen vermeidet und die Anwendung neuartiger
Hochbypasstriebwerke, unter Berücksichtigung
ihrer Besonderheiten erlaubt, eine konfigurationsbedingte signifikante
Verbesserung der Aerodynamik ermöglicht,
und zudem Strukturgewichtseinsparungspotential bietet. Des Weiteren
soll die Erfindung die Möglichkeit
bieten, eine effiziente Nutzung des Kabinenvolumens zu realisieren.
All diese Merkmale sollen dennoch ein Flugzeug ermöglichen,
das bezüglich
des Passagierkomforts und der Flugleistungen den modernen Passagierjets
ab 100 Sitzen ebenbürtig
oder überlegen
ist. Die Betriebskosten pro Sitz sollen die moderner Passagierflugzeuge
mit herkömmlichen
Konfigurationen der gleichen Größenordnung
und des gleichen Reichweitenbereiches signifikant unterschreiten.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe liegt erfindungsgemäß in der Anordnung von Haupttragwerk
und Triebwerken hinter der Kabinensektion, wobei sich dabei die
Triebwerke oberhalb vom Haupttragwerk befinden. Diese Anordnung
bringt keine geometrische Begrenzung des Triebwerksaußendurchmessers
mit sich. Die Kabi ne befindet sich außerhalb des, durch die Lärmemission
hauptsächlich
beeinträchtigten
Bereiches und das Haupttragwerk schirmt gegen Lärmbeeinträchtigung am Boden ab. Die relativ
weite Entfernung des großen
Fan bzw. Propfan von der Kabine führt zu einer maßgeblichen
Verminderung des subjektiv bedrohlichen Eindrucks auf den Passagier
(die Triebwerke sind aus dem Flugzeug nicht zu sehen). Zusätzlich zu
dieser konfigurationsbedingten Lärmabschirmung
lässt sich
sagen, dass die geforderten Hochbypasstriebwerke ohnehin deutlich
weniger Lärm
emittieren, als Triebwerke mit geringerem Nebenstromverhältnis. Ist
ein Wärmetauscher
vorhanden, so wirkt dessen Masse aufgrund der Anordnung weit hinter
dem Auftriebsmittelpunkt des Haupttragwerks dem Moment der Kabinensektion
(und damit der Nutzlast) entgegen.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
des Haupttragwerkes hinter der Kabinensektion, erlaubt einen weichen,
allmählichen Übergang
vom Querschnitt der Kabinensektion hinein in das Flügelprofil. Die
tatsächlich überströmte Flügelfläche, die
zur Auftriebserzeugung beiträgt,
wird dadurch, gemessen an herkömmlichen
Konfigurationen, vergrößert und somit
der Auftrieb bei gleicher Flügelreferenzfläche erhöht. Dies
bedeutet im Umkehrschluss, dass bei gleich bleibender Auftriebsforderung
die Flügelreferenzfläche und
damit das Tragwerksgewicht reduziert werden kann. Außerdem entfällt bei
der Anordnung des Haupttragwerkes hinter der Kabinensektion auf
mittlerer Rumpfhöhe
die Notwendigkeit für
widerstandserhöhende
Flügel/Rumpf-
und Hauptfahrwerksverkleidungen. Der bei herkömmlichen Flugzeugkonfigurationen
durch die Flügel-Rumpf-Anordnung
und die Notwendigkeit von Flügel/Rumpf-
und Hauptfahrwerksverkleidungen auftretende Interferenzwiderstand
entfällt
zu großen
Teilen.
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Die
erfindungsgemäße Konfiguration
ist darüber
hinaus aufgrund der Anordnung der Triebwerke und der Abschirmung
durch das Haupttragwerk weitaus weniger kritisch hinsichtlich der
Gefahr des Ansaugens von Fremdkörpern
durch die Triebwerke und der damit einhergehenden Schäden (foreign
object damage), hinsichtlich der Gefahr des Eintrages von Spritzwasser
durch das Fahrwerk in die Triebwerke (water ingestion) und hinsichtlich
Notlandungen mit eingezogenem Fahrwerk (gear up landing) als herkömmliche
Konfigurationen, bei denen die Triebwerke unter dem Flügel oder
auch am Rumpfheck angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Anordnung
von Haupttragwerk und Triebwerken bringt eine Verschiebung des Auftriebsmittelpunktes
und des Flugzeugschwerpunktes mit sich, der Rechnung getragen werden
muss. Dies geschieht hauptsächlich durch
die Anordnung eines Hilfstragwerks vor der Kabinensektion. Der Flugzeugschwerpunkt
befindet sich somit zwischen den resultierenden Kräften zweier
Auftriebsflächen.
Im Gegensatz zu einer Schwerpunktslage vor der resultierenden Kraft
einer Auftriebsfläche
(Haupttragwerk) und der resultierenden Kraft einer, hinter der Auftriebsfläche angeordneten Abtriebsfläche (Höhenleitwerk
am Heck), wie bei den meisten bestehenden Konfigurationen anzutreffen, muss
bei der erfindungsgemäßen Konfiguration
keine Abtriebskomponente durch zusätzlichen Auftrieb vom Haupttragwerk
kompensiert werden. Dadurch kann das Haupttragwerk kleiner ausgeführt werden, was
zu Widerstands- und Gewichteinsparungen führt.
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Der
negative Pfeilungswinkel des Haupttragwerkes der erfindungsgemäßen Konfiguration
führt, im
Gegensatz zu einem positiven Pfeilungswinkel, zu einer Verschiebung
der resultierenden Auftriebskraft des Haupttragwerkes in Flugrichtung,
wodurch der Abstand zwischen der resultierenden Auftriebskraft des
Haupttragwerkes und dem Flugzeugschwerpunkt verringert wird. Der
negative Pfeilungswinkel des Haupttragwerkes der erfindungsgemäßen Konfiguration
bringt einen zusätzlichen
Vorteil mit sich. Unter Bedingungen bei denen ein hoher Anstellwinkel
auftritt, setzt im Gegensatz zu einem Tragwerk mit positivem Pfeilungswinkel,
beim negativ gepfeilten Tragwerk ein Strömungsabriss zuerst am Innenflügel ein.
Die Querruder sind somit nicht beeinträchtigt und die Steuerbarkeit
des Flugzeugs ist unter solchen Bedingungen weiter gegeben.
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Das
vergleichsweise große
Verhältnis
von Rumpfhöhe/-breite
und Rumpflänge
der erfindungsgemäßen Konfiguration
und die damit entsprechend mögliche
Komprimierung der Nutzlast in Flugzeuglängsrichtung, vermindert den
Abstand zwischen der resultierenden Auftriebskraft des Haupttragwerkes
und dem Flugzeugschwerpunkt. Wie schon durch den negativen Pfeilungswinkel
des Haupttragwerkes, wird das, durch das Hilfstragwerk auszugleichende
Moment gemindert. D.h. die erfindungsgemäße Konfiguration erlaubt, bzw.
macht einen Rumpf mit großem
Durchmesser-/Längenverhältnis sogar
notwendig. Dieser Sachverhalt gestattet bei einer 19-sitzigen Anwendung
die Auslegung einer sehr komfortablen und geräumigen Passagierkabine und
eine Sitzanordnung in Viererreihen. So ist im Gegensatz zu herkömmlichen
19-Sitzerkonfigurationen eine Passagierkabine mit voller Stehhöhe im Kabinengang,
größerer Schulter-
und Kopffreiheit im Sitzen, einem großzügigen Raumgefühl und geräumigeren
Gepäckablagen über den
Passagiersitzen möglich.
Eine solchermaßen
ausgelegte Passagierkabine kann unter Verwendung eines aus Kresisegmenten
aufgebauten Rumpfquerschnittes realisiert werden, welcher hinsichtlich
der Aufnahme der aus der Druckdifferenz resultierenden Kräfte sowie
der Biege- und Torsionsmomente die optimale Lösung darstellt und somit ein
minimales Strukturgewicht aufweist.
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Abschließend lässt sich
sagen, dass die erfindungsgemäße Konfiguration,
durch konsequente Berücksichtigung
der Besonderheiten neuer Triebwerksgenerationen, einer verbesserten
Aerodynamik und Strukturgewichtsverringerung verglichen mit modernen
Passagierjets eine signifikante Herabsetzung des spezifischen Treibstoffverbrauchs
und damit auch der Betriebskosten, bei gleichzeitiger Verbesserung
des Passagierkomforts ermöglicht,
wobei dennoch Flugleistungen erreicht werden, die heute gängigen Passagierjets
ebenbürtig
sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 1 bis 5 dargestellt
und im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1:
Seitenansicht
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2:
Draufsicht
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3:
Vorderansicht
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4:
Perspektivische Ansicht
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5:
Kabinenlayout für
19 Passagiere.
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Die
wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Konfiguration sind das
hinter der Kabinensektion, auf mittlerer Rumpfebene angeordnete,
vorwärts
gepfeilte Haupttragwerk (1), die zwei, hinter und oberhalb
vom Haupttragwerk befindlichen Hochbypass-Bläsertriebwerke (2)
(Turbofan), das vor der Kabinensektion positionierte Hilfstragwerk
mit positivem Pfeilungswinkel (3) (Canard) und ein Kabinenlayout
für 19
Passagiere (5), bei dem die Sitze überwiegend
in Viererreihen angeordnet sind. Weiterhin weist das Ausführungsbeispiel
einen weichen Übergang
(4) (Blended Wing) von der Kabinensektion in das Haupttragwerk
auf, sowie ein V-Leitwerk, dessen zwei Flächen (5) jeweils oben
an den Triebwerksgondeln befestigt sind.