DE102006032003A1

DE102006032003A1 - Trimmbares Höhenleitwerk

Info

Publication number: DE102006032003A1
Application number: DE102006032003A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Koneczny
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: EP2038171B1; DE102006032003B4; US20090289144A1; JP5257996B2; RU2448019C2; US7963485B2; RU2009103772A; JP2009542520A; CN101495367B; CA2656794A1; CN101495367A; WO2008006831A1; EP2038171A1; BRPI0712881A2; ATE523424T1

Abstract

Ein trimbares Höhenleitwerk, das am Rumpf (109 eines Flugzeugs vorgesehen ist und ein vorgegebenes aerodynamisches Profil aufweist und an dem ein verstellbares Höhenruder (21) angeordnet ist. Das Höhenleitwerk (20) weist eine sich in Spannweitenrichtung erstreckende Trägerstruktur (22) auf, die mit dem Rumpf des Flugzeugs fest verbunden ist, und verstellbare Bereiche (23, 24), die mit der Tägerstruktur (22) beweglich verbunden und zur Trimmung des Höhenleitwerks (20) unter Veränderung des aerodynamischen Profils unabhängig von dem Höhenruder (21) verstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein trimmbares Höhenleitwerk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Höhenleitwerke dienen bekanntlich zur Stabilisierung der Fluglage eines Flugzeugs und zur Steuerung desselben um seine Querachse, letzteres mithilfe eines am Höhenleitwerk vorgesehenen Querruders. Weiterhin wird durch Trimmung des Querruders der Anstellwinkel des Flugzeugs entsprechend gewünschter Fluglage für Start, Steigflug, Reiseflug, Landeanflug und Landung, sowie beispielsweise im Notfall für einen schnellen Abstieg eingestellt. Bei derzeitigen Entwürfen für kommerzielle Verkehrs- und Transportflugzeuge ist das Höhenleitwerk am hinteren Ende des Flugzeugrumpfs angeordnet.
Für die oben erläuterte Einstellung des Anstellwinkels ist das Höhenleitwerk in der Weise trimmbar, dass es wahlweise Auftrieb oder Abtrieb erzeugt oder neutral ist. Herkömmliche Höhenleitwerke sind dazu um eine parallel zur Flugzeugquerachse verlaufende Achse verstellbar, so dass sie über einen vorgegebenen Winkelbereich von beispielsweise +3° bis –15° trimmbar sind. Dabei bedeuten Winkel mit einem positiven Vorzeichen, wie +3°, eine Trimmung des Höhenleitwerks in Flugzeuglängsrichtung (X) gesehen nach oben, die mit einer Erhöhung des Auftriebs des Höhenleitwerks und daher mit einer Rotation des Flugzeugs um seine Querachse im Sinne einer Verminderung des Anstellwinkels verbunden ist, während Winkel mit einem negativen Vorzeichen, wie –15°, eine Trimmung des Höhenleitwerks nach unten bedeuten, so dass das Höhenleitwerk Abtrieb erzeugt, woraus eine Vergrößerung des Anstellwinkels des Flugzeugs resultiert. Bei herkömmlichen Höhenleitwerken wird somit die erzeugte aerodynamische Kraft, also Auftrieb oder Abtrieb, nach Betrag und Richtung durch Veränderung des Anstellwinkels des Höhenleitwerks variiert. Bei herkömmlichen Höhenleitwerken erfolgt die Trimmung typischerweise mittels eines Spindelantriebs, welcher am rückwärtigen Ende des Leitwerks angreift, das an seinem vorderen Ende um die Querachse des Flugzeugs drehbar gelenkig gelagert ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes trimmbares Höhenleitwerk zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein trimmbares Höhenleitwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen trimmbaren Höhenleitwerks sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein trimmbares Höhenleitwerk geschaffen, das am Rumpf eines Flugzeugs vorgesehen ist und ein vorgegebenes aerodynamisches Profil aufweist und an dem ein verstellbares Höhenruder angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Höhenleitwerk eine sich in Spannweitenrichtung erstreckende Trägerstruktur aufweist, die mit dem Rumpf des Flugzeugs fest verbunden ist, und verstellbare Bereiche, die mit der Trägerstruktur beweglich verbunden und zur Trimmung des Höhenleitwerks unter Veränderung des aerodynamischen Profils unabhängig von dem Höhenruder verstellbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Höhenleitwerks sind die verstellbaren Bereiche in Flugzeuglängsrichtung vor der Trägerstruktur angeordnet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Höhenleitwerks sind die verstellbaren Bereiche in Flugzeuglängsrichtung vor und hinter der Trägerstruktur angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Trägerstruktur in Form eines Flügelkastens ausgebildet, der an seiner Oberseite und an seiner Unterseite Teile des aerodynamischen Profils des Höhenleitwerks bildende Beplankungen aufweist.
Dabei können die verstellbaren Bereiche in Form von Klappen ausgebildet sein, die mit der Trägerstruktur gelenkig verbunden sind.
Die verstellbaren Bereiche können eine starre Beplankung aufweisen.
Andererseits können die verstellbaren Bereiche eine Beplankung aufweisen, die in die Beplankung der Trägerstruktur übergeht und die zumindest am Übergang zur Beplankung der Trägerstruktur flexibel ausgebildet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Höhenleitwerks sind die verstellbaren Bereiche als Bereiche mit einem flexibel veränderbaren Profil ausgebildet, die eine flexible Beplankung aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die verstellbaren Bereiche durch einen gemeinsamen Aktuator verstellbar.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die verstellbaren Bereiche durch getrennte Aktuatoren verstellbar.
Die Aktuatoren können mehrere zwischen die Trägerstruktur und die verstellbaren Bereiche gekoppelte Antriebsstationen umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Aktuatoren Torsionswellen, welche zwischen die Antriebsstationen und eine im Rumpf des Flugzeugs vorgesehene Zentralantriebseinheit gekoppelt sind.
Andererseits können die Antriebsstationen mit im Höhenruder vorgesehenen einzelnen Antriebseinheiten gekoppelt sein.
Das Höhenruder kann am rückwärtigen Ende des hinter der Trägerstruktur angeordneten verstellbaren Bereichs des Höhenleitwerks vorgesehen sein.
Das Höhenruder kann andererseits am rückwärtigen Ende der Trägerstruktur des Höhenleitwerks vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Trägerstruktur in Spannweitenrichtung bis zum äußeren Ende des Höhenleitwerks.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind an den äußeren Enden des Höhenleitwerks Seitenleitwerke vorgesehen, die mittels der Trägerstruktur fest mit dem Rumpf verbunden sind.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen trimmbaren Höhenleitwerks anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines zukünftigen modernen Kurzstreckenflugzeugs, mit einem Höhenleitwerk, welches gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist;
2a) und b) eine schematisierte Darstellung eines Teils des erfindungsgemäßen Höhenleitwerks, welches in zwei unterschiedlich getrimmten Konfigurationen gezeigt ist, zur Erläuterung seiner wesentlichen Bestandteile, zur Erklärung der Funktionsweise sind hier die trimmbaren Bereiche bis auf die gleiche Ebene in die Rumpfmitte gezogen dargestellt wie die untrimmbare Trägerstruktur;
3a) und b) eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf den in 2 gezeigten Teil es erfindungsgemäßen Höhenleitwerks zur Erläuterung von Aktuatoreinrichtungen für seine Verstellung; und
4a) und b) jeweils vergrößerte Querschnittsansichten durch das trimmbare Höhenleitwerk gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches wiederum in zwei unterschiedlich getrimmten Konfigurationen gezeigt ist.
In 1 ist ein Verkehrsflugzeug zukunftweisender Konstruktion gezeigt, welches im Sinne eines lärmreduzierten Konzepts mit an der Oberseite des Höhenleitwerks 20 angeordneten Triebwerken entworfen ist. Das Flugzeug hat einen Rumpf 10 mit in üblicher Konfiguration angeordneten Tragflügeln 50, ein Höhenleitwerk 20 und Seitenleitwerke 40. Die Seitenleitwerke 40 sind an den äußeren Enden des Höhenleitwerks 20 angeordnet.
In den 2a) und b) ist der backbordseitige Teil des Höhenleitwerks 20 von 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei unterschiedlich getrimmten Konfigurationen. Das Höhenleitwerk 20 hat ein aerodynamisches Profil, welches im Sinne einer Trimmung so veränderbar ist, dass es aerodynamische Kräfte erzeugt, die nach Betrag und Größe unterschiedlich sind, so dass das Höhenleitwerk 20 wahlweise Auftrieb oder Abtrieb erzeugt oder neutral ist. In den 2a) bzw. b) ist das Höhenleitwerk 20 in zwei Konfigurationen seines aerodynamischen Profils dargestellt, die einem Trimmwinkel eines herkömmlichen Höhenleitwerks von –10° bzw. +10° entsprechen.
Das Höhenleitwerk 20 verfügt über eine sich in Spannweitenrichtung erstreckende Trägerstruktur 22, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Flügelkastens ausgebildet ist und die mit dem Rumpf 10 des Flugzeugs fest verbunden ist. Dieser Flügelkasten hat an seiner Oberseite und an seiner Unterseite jeweilige Beplankungen 26, 27, die einen Teil des aerodynamischen Profils des Höhenleitwerks 20 bilden.
In Flugzeugslängsrichtung X vor und hinter der Trägerstruktur 22 sind Bereiche 23, 24 angeordnet, welche einen Teil des aerodynamischen Profils bilden und die im Sinne der vorher genannten Veränderung dieses aerodynamischen Profils verstellbar sind. Diese verstellbaren Bereiche 23, 24 sind mit der Trägerstruktur 22 beweglich verbunden und unabhängig von einem Höhenruder 21 verstellbar, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel am rückwärtigen Ende des hinter der Trägerstruktur 22 angeordneten verstellbaren Bereichs 24 vorgesehen ist. Zur Erklärung der Funktionsweise sind hier die trimmbaren Bereiche 23, 24 bis auf die gleiche Ebene in die Rumpfmitte gezogen dargestellt wie die untrimmbare Trägerstruktur, tatsächlich enden sie an der Außenhaut des Rumpfs 10. Das Höhenruder könnte auch anders angeordnet sein, beispielsweise direkt an die Trägerstruktur 22 angehängt sein.
Die verstellbaren Bereiche 23, 24 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Form von Klappen ausgebildet, die jeweils eine starre Beplankung 25, 28 aufweisen und mit der Trägerstruktur 22 in einer an sich bekannten Weise gelenkig verbunden sind.
In den 4a) und b) ist das Höhenleitwerk 20 nochmals vergrößert in einer Querschnittsansicht durch das Höhenleitwerk 20 gezeigt, wobei das Höhenleitwerk 20 hier in zwei Konfigurationen seines aerodynamischen Profils dargestellt ist, die einem Trimmwinkel eines herkömmlichen Höhenleitwerks von –5° bzw. +5° entsprechen.
Bei den in den 2a) und 4a) gezeigten Konfigurationen ist das Höhenleitwerk 20 so getrimmt, dass es Abtrieb erzeugt, also eine Rotation des Flugzeugs um seine Querachse im Sinne einer Vergrößerung des Anstellwinkels erzeugt. Dazu sind die beiden verstellbaren Bereiche 23, 24 jeweils nach oben verstellt, so dass das aerodynamische Profil des Höhenleitwerks 20 an der Unterseite stärker gekrümmt und an seiner Oberseite weniger gekrümmt, fast gerade ist. Hierdurch verändert sich bekanntermaßen die Druckdifferenz der an der Oberseite und der Unterseite des Höhenleitwerks 20 wirkenden aerodynamischen Kräfte im Sinne einer resultierenden Abtriebskraft, das heißt, die untere Seite ist Saugseite.
Demgegenüber ist in den 2b) und 4b) eine Konfiguration des Höhenleitwerks 20 gezeigt, bei welcher die verstellbaren Bereiche 23, 24 jeweils nach unten verstellt sind, so dass das aerodynamische Profil an der Oberseite mehr gekrümmt und an der Unterseite weniger gekrümmt ist, das heißt, die obere Seite ist Saugseite, resultierend in einer aerodynamischen Auftriebskraft des Höhenleitwerks 20 so, dass eine Rotation des Flugzeugs um seine Querachse im Sinne einer Verminderung des Anstellwinkels die Folge ist.
Anstelle der Ausbildung der verstellbaren Bereiche 23, 24 nach Art von Klappen mit starren Beplankungen 25, 26 können die Beplankungen 25, 28 der verstellbaren 23, 24 in die Beplankung 26, 27 der Trägerstruktur 22 übergehen oder an diese angeschlossen sein und zumindest am Übergang bzw. am Anschluß zur Beplankung 26, 27 der Trägerstruktur 22 flexibel ausgebildet sein.
Auch können die verstellbaren Bereiche 23, 24 als solche in Form von Bereichen mit einem flexibel veränderbaren Profil ausgebildet sein, die dementsprechend eine flexible Beplankung 25, 28 aufweisen, welche entweder in eine starre Beplankung einer als Flügelkasten ausgebildeten Trägerstruktur 22 übergeht oder an diese angeschlossen ist, oder die Beplankungen 25, 26, 27, 28 können durchgehend flexibel ausgebildet sein.
3a) und b) zeigt in der Seitenansicht bzw. in der Draufsicht Einzelheiten von Aktuatoreinrichtungen, welche für die Verstellung der verstellbaren Bereiche 23, 24 im Sinne einer Trimmung des Höhenleitwerks 20 vorgesehen sind. Die verstellbaren Bereiche 23, 24 können durch einen gemeinsamen Aktuator oder durch getrennte Aktuatoren betätigt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Aktuatoreinrichtungen mehrere Antriebsstationen 31, 32, 33, die zwischen die Trägerstruktur 22 und die verstellbaren Bereiche 23 bzw. 24 gekoppelt sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Aktuatoreinrichtungen Torsionswellen 34 bzw. 35, 36 welche zwischen die Antriebsstationen 31, 32, 33 und eine im Rumpf 10 vorgesehene zentrale Antriebseinrichtung gekoppelt sind.
Wie 3a) und b) zeigt, ist im Fall einer Aktuatoreinrichtung, mit der die verstellbaren Bereiche 23, 24 gemeinsam verstellbar sind, eine einzige zentrale Torsionswelle 34 vorgesehen, die mit einer im Rumpf 10 des Flugzeugs vorgesehenen Zentralantriebseinheit gekoppelt ist, um die verstellbaren Bereiche 23, 24 gemeinsam zu verstellen. Andererseits können auch zwei Torsionswellen 35, 36 vorgesehen sein, welche mit für die verstellbaren Bereiche 23, 24 jeweils getrennt vorgesehenen Aktuatoreinrichtungen einerseits und andererseits mit einer oder zwei jeweiligen im Rumpf 10 des Flugzeugs vorgesehenen zentralen Antriebseinheiten gekoppelt sind. Alternativ können die Antriebsstationen 31, 32, 33 der verstellbaren Bereiche 23, 24 auch mit einzelnen Antriebseinheiten gekoppelt und von diesen angetrieben sein, welche im Höhenruder selbst untergebracht sind.
Wie die 1 bis 4 zeigen, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an den äußeren Enden des Höhenleitwerks 20 jeweils Seitenleitwerke 40 vorgesehen, die mittels der Trägerstruktur fest mit dem Rumpf 10 verbunden sind. Dazu ist es vorgesehen, dass sich die Trägerstruktur 22 in Spannweitenrichtung bis zum äußeren Ende des Höhenleitwerks 20 an jeder Seite desselben erstreckt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Triebwerke 60 des Flugzeugs an der Oberseite des Höhenleitwerks 20 am rückwärtigen Ende des Rumpfs 10 angeordnet, welche aufgrund ihrer Lage durch Höhenleitwerk 20, Seitenleitwerke 40 und Rumpf 10 zu einem überwiegenden Teil akustisch zum Boden hin abgeschirmt sind. Diese Konfiguration ermöglicht eine wesentliche Verminderung der Lärmemission durch die Triebwerke 60.
Durch die Trägerstruktur 22, welche eine robuste Verbindung zwischen den Seitenleitwerken 40 und dem Rumpf 10 herstellt, ist eine zuverlässige Aufnahme aller im Bereich von Höhenleitwerk 20 und insbesondere an den Seitenleitwerken 40 auftretenden Kräften und Momenten möglich.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen trimmbaren Leitwerks besteht darin, dass durch den durch die Torsionswellen 34, 35, 36 gebildeten Rotationsantrieb der verstellbaren Bereiche 23, 24 geringere Bauhöhen der Rumpfstruktur ermöglicht werden gegenüber dem konventionellen Hubantrieb, bei dem die gesamte Hubhöhe im Rumpf aufgenommen werden muß.

10: Rumpf
20: Höhenleitwerk
21: Höhenruder
22: Trägerstruktur
23: vorderer verstellbarer Bereich
24: hinterer verstellbarer Bereich
25: Beplankung
26: Beplankung
27: Beplankung
28: Beplankung
31: Antriebsstation
32: Antriebsstation
33: Antriebsstation
34: Torsionswelle
35: Torsionswelle
36: Torsionswelle
40: Seitenleitwerk
50: Tragflügel
60: Triebwerke

Claims

Trimmbares Höhenleitwerk, das am Rumpf (10) eines Flugzeugs vorgesehen ist und ein vorgegebenes aerodynamisches Profil aufweist und an dem ein verstellbares Höhenruder (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Höhenleitwerk (20) eine sich in Spannweitenrichtung erstreckende Trägerstruktur (22) aufweist, die mit dem Rumpf des Flugzeugs fest verbunden ist, und verstellbare Bereiche (23, 24), die mit der Trägerstruktur (22) beweglich verbunden und zur Trimmung des Höhenleitwerks (20) unter Veränderung des aerodynamischen Profils unabhängig von dem Höhenruder (21) verstellbar sind.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Bereiche (23) in Flugzeuglängsrichtung (X) vor der Trägerstruktur (22) angeordnet sind.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Bereiche (23, 24) in Flugzeuglängsrichtung (X) vor und hinter der Trägerstruktur (22) angeordnet sind.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (22) in Form eines Flügelkastens ausgebildet ist, der an seiner Oberseite und an seiner Unterseite Teile des aerodynamischen Profils des Höhenleitwerks (20) bildende Beplankungen (26, 27) aufweist.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Bereiche (23, 24) in Form von Klappen ausgebildet sind, die mit der Trägerstruktur (22) gelenkig verbunden sind.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Bereiche (23, 24) eine starre Beplankung (25, 28) aufweisen.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Bereiche (23, 24) eine Beplankung (25, 28) aufweisen, die in die Beplankung (26, 27) der Trägerstruktur (22) übergeht und die zumindest am Übergang zur Beplankung (26, 27) der Trägerstruktur (22) flexibel ausgebildet ist.
Trimmbares Höhenleitwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Bereiche (23, 24) als Bereiche mit einem flexibel veränderbaren Profil ausgebildet sind, die eine flexible Beplankung (25, 28) aufweisen.
Trimmbares Höhenleitwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Bereiche (23, 24) durch einen gemeinsamen Aktuator verstellbar sind.
Trimmbares Höhenleitwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Bereiche (23, 24) durch getrennte Aktuatoren verstellbar sind.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren mehrere zwischen die Trägerstruktur (22) und die verstellbaren Bereiche (23, 24) gekoppelte Antriebsstationen (31, 32, 33) umfassen.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren Torsionswellen (34, 35, 36) umfassen, welche zwischen die Antriebsstationen (31, 32, 33) und eine im Rumpf (10) des Flugzeugs vorgesehene Zentralantriebseinheit gekoppelt sind.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstationen (31, 32, 33) mit im Höhenruder vorgesehenen einzelnen Antriebseinheiten gekoppelt sind.
Trimmbares Höhenleitwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Höhenruder (21) am rückwärtigen Ende des hinter der Trägerstruktur (22) angeordneten verstellbaren Bereichs (24) vorgesehen ist.
Trimmbares Höhenleitwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Höhenruder (21) am rückwärtigen Ende der Trägerstruktur (22) vorgesehen ist.
Trimmbares Höhenleitwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Trägerstruktur (22) in Spannweitenrichtung bis zum äußeren Ende des Höhenleitwerks (20) erstreckt.
Trimmbares Höhenleitwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an den äußeren Enden des Höhenleitwerks (20) Seitenleitwerke (40) vorgesehen sind, die mittels der Trägerstruktur (22) fest mit dem Rumpf (10) verbunden sind.