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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Tragflügel mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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Der
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 trifft auf Tragflügel von
bekannten Verkehrsflugzeugen und eine große Vielzahl anderer Flugzeuge
zu, bei denen der Spoiler durch eine Bremsklappe gebildet wird.
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Beim
Landeanflug eines Flugzeugs wird dessen Geschwindigkeit auf einen
möglichst
geringen Wert reduziert, um die erforderliche Länge der Landebahn zu beschränken. Des
Weiteren ist es zur Verringerung des Fluglärms am Boden erstrebenswert, den
lärmbelästigten
Bereich durch einen steilen Landeanflug zu minimieren. Hierfür ist ein
hoher Auftriebsbeiwert erforderlich, um einen langsamen Anflug realisieren
zu können.
Zur Erzielung eines steil und langsam geflogenen Anflugpfads sind
neben den hierfür
notwendigen Hochauftriebssystemen wirkungsvolle Bremsvorrichtungen
erforderlich. Bekannte Hochauftriebssysteme umfassen Flügelvorderklappen,
so genannte Slats, und Flügelhinterklappen,
so genannte Flaps, wobei letztere auch als Hochauftriebsklappen
bezeichnet werden. Im Landeanflug werden sowohl die Flaps als auch
die Slats gegenüber
der Vorderkante bzw. Hinterkante des jeweiligen Tragflügels ausgefahren
und stellen einen im Vergleich zum Reiseflug stark erhöhten Auftriebsbeiwert
bereit, durch den eine starke Absenkung der Fluggeschwindigkeit
während
des Landeanflugs ermöglicht
wird. Als Bremsvorrichtungen dienen die bereits erwähnten und
hier auch als Spoiler bezeichneten Bremsklappen, die wie die Flaps
an der Hinterkante der Tragflügel
angeordnet sind. Übliche Bremsklappen
werden dabei so betätigt,
dass sie mit ihren Hinterkanten um eine im Bereich ihrer Vorderkanten
verlaufende Schwenkachse hochgeschwenkt und damit gegen den Überströmung der
Saugseite der Tragflügel
angestellt werden. Aufgrund ihrer Lage direkt auf dem Tragflügel beeinflussen
ausgefahrene Bremsklappen maßgeblich
die Flügelumströmung und
verringern in Folge die auftriebsvergrößernde Wirkung der Hochauftriebsklappen.
Zudem wird der Fluglärm
durch den so verringerten Auftrieb und die dadurch bedingte höhere Landegeschwindigkeit deutlich
vergrößert, da
der Flugzeuglärm
mit der Fluggeschwindigkeit exponentiell zunimmt. Weiterhin wird
durch die erhöhte
vertikale Geschwindigkeit des Flugzeugs das Aufsetzen deutlich härter, und
durch diese Belastung werden höhere
Ansprüche
an die Entwurfsphase des Flugzeugs gestellt.
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Alternativ
zu Bremsklappen an der Saugseite von Tragflügeln ist es bekannt, Bremsklappen
am Rumpf eines Flugzeugs anzuordnen, die in die das Flugzeug umgebene
Luftströmung
hinein ausgelenkt werden können.
Nachteilig bei dieser Art von Bremsklappen sind das begrenzte zur
Verfügung
stehende Einbauvolumen sowie die eingeschränkte Fähigkeit strukturelle Fluglasten
im Rumpfbereich aufzunehmen. Die praktische Anwendung solcher Bremsklappen
am Rumpf hat zudem gezeigt, dass die auf diese Weise mögliche Erhöhung des
Gleitpfadwinkels für eine
gewünschte
so genannte Steilabstiegprozedur nicht ausreichend ist. Zusätzlich muss
mit einem erhöhten
Gesamtgewicht des Flugzeugs und einer geänderten Außenform des Rumpfs gerechnet
werden. Aus diesen Gründen
nimmt durch Bremsklappen am Rumpf auch der Luftwiderstand während des
Reiseflugs in unerwünschter
Weise zu.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Tragflügel mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, dessen Spoiler beim Bremsen ausschließlich den
Luftwiderstand des jeweiligen Flugzeugs erhöht, aber nicht dessen Auftrieb
reduziert. Zusätzlich
soll kein zusätzlicher
Reiseflugwiderstand erzeugt werden.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch einen Tragflügel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
des neuen Tragflügels
sind in den abhängigen
Patentansprüchen
2 bis 9 beschrieben. Der Patentanspruch 10 betrifft ein Flugzeug
mit einem Paar von spiegelsymmetrisch an einem Rumpf angeordneten
neuen Tragflügeln.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Tragflügel
ist eine Vorderkante des Spoilers im Flug über die Saugseite des Tragflügels ausfahrbar,
und der ausgefahrene Spoiler ist im Flug mit seiner der Saugseite
zugewandten Unterseite gegen die Überströmung der Saugseite anstellbar.
Gegenüber
einer herkömmlichen
Landeklappe wird der Spoiler des neuen Tragflügels zum Bremsen in einer entgegengesetzten
Richtung angestellt. Dadurch wird zwar eine Erhöhung des Widerstands des Tragflügels, d.
h. die gewünschte
Bremswirkung erzielt, die Überströmung der
Saugseite des Tragflügels
wird aber nicht in einer den Auftrieb des Tragflügels beeinträchtigenden
Weise gestört.
Vielmehr wird sogar die Anströmung
einer auf den Spoiler folgenden Hochauftriebsklappe im Sinne eines
erhöhten Auftriebs
positiv beeinflusst.
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Um
nach dem Aufsetzen des Flugzeugs Auftrieb schnell und gezielt vernichten
zu können,
kann der Spoiler des neuen Tragflügels zusätzlich mit seiner Oberseite
gegen die Überströmung der
Saugseite anstellbar sein. Hierzu kann er, aber muss er nicht mit
seiner Vorderkante wieder an die Saugseite des Tragflügels eingefahren
werden. Um den Reiseflugwiderstand aufgrund des Spoilers bei dem
neuen Tragflügel
nicht zu erhöhen,
ist der Spoiler in eine Stellung einfahrbar, in der er mit seiner
Oberseite die Saugseite des Tragflügels fortsetzt. Dies impliziert, dass
seine Vorderkante nicht mehr über
die Saugseite des Tragflügels übersteht.
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Mit
dem Überstehen
der Vorderkante des Spoilers über
die Saugseite des Tragflügels
ist nicht zwingend gemeint, dass sich die Vorderkante des Spoilers
in der Vertikalen über
der Saugseite des Tragflügels
befindet. Sie liegt aber oberhalb des Verlaufs der Saugseite des
Tragflügels,
wobei dieser Betrachtung auch eine gedachte Fortsetzung dieses Verlaufs
bis unter die Vorderkante zugrunde gelegt werden kann, wenn der
Spoiler erst an oder hinter der Hinterkante des Tragflügels beginnt.
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Besonders
bevorzugt ist eine solche Lage des Spoilers, in der er einen Bereich
zwischen der Flügelhinterkante
des Tragflügels
und einer über
diese ausgefahrene Hochauftriebsklappe überspannt. Besonders bevorzugt
ist es, wenn der Spoiler in Richtung seiner Überströmung eine Überlappung mit der ausgefahrenen
Hochauftriebsklappe aufweist. Ein dabei auftretender Spalt zwischen
der Hinterkante des Spoilers und der Saugseite der Hochauftriebsklappe
kann im Flug einen passiven Aufblaseffekt der Grenzschicht auf der
Hochauftriebsklappe bewirken werden. Auf diese Weise wird die resultierende
aerodynamische Kraft an der Hochauftriebsklappe im krassen Gegensatz
zu einer normalen Bremsklappe erhöht. Diese Erhöhung hat
sowohl einen erhöhten Auftrieb
an der Hochauftriebsklappe als auch einen erhöhten Widerstand zur Folge.
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Vorzugsweise
wird der Spalt zwischen der Unterseite des Spoilers und der Saugseite
der ausgefahrenen Hochauftriebsklappe beim Ändern eines Anstellwinkels
des Spoilers konstant gehalten, um den genannten Ausblaseffekt unabhängig von
der Gesamtbremswirkung des Spoilers möglichst beizubehalten. Hierzu
kann der Spoiler um eine längs
seiner Hinterkante verlaufende Schwenkachse verschwenkbar sein.
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Besonders
bevorzugt sind mehrere Spoiler an dem neuen Tragflügel vorgesehen.
Dabei sind diese idealer Weise einzeln anstellbar. Wenn mehrere
Spoiler vorgesehen sind, müssen
aber nicht alle diese Spoiler mit ihrer Vorderkante über die
Saugseite des Tragflügels
ausfahrbar sein. Vielmehr kann nur einer oder können mehrere solcher erfindungsgemäßen Spoiler
neben üblichen
Bremsklappen vorgesehen sein. Insbesondere im rumpfnahen Bereich
des Tragflügels,
d. h. weiter von seiner Flügelspitze
entfernt, können
solche herkömmlichen
Bremsklappen sinnvoll sein, um nach dem Aufsetzen des Flugzeugs Auftrieb
zu vernichten, weil im Innenbereich die Auftriebskraft größer ist.
Entsprechend ist der Außenbereich
des Tragflügels
für den
Einsatz der erfindungsgemäßen Spoiler
bevorzugt, wenn nicht jeder Spoiler alternativ in herkömmlicher
Weise gegen die Überströmung der
Saugseite des Tragflügels
angestellt werden kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Tragflügel in einer Hochauftriebskonfiguration.
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2 zeigt
den Tragflügel
gemäß 1 mit in
herkömmlicher
Weise angestelltem Spoiler.
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3 zeigt
den Tragflügel
gemäß 1, wobei
der Spoiler mit seiner Vorderkante ausgefahren und mit seiner Unterseite
gegen die Überströmung der
Saugseite des Tragflügels
angestellt ist.
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4 zeigt
die Hinterkante des Tragflügels gemäß 1 in
der Konfiguration gemäß 3 mit dem
Spoiler und einer Hochauftriebsklappe in vergrößerter Darstellung.
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5 zeigt
Auftriebs- und Widerstandskurven, die für die Konfiguration des Tragflügels gemäß 2 und 3 berechnet
wurden; und
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6 zeigt
Nickmomentkurven, die ebenfalls für die Konfiguration des Tragflügels gemäß 2 und 3 berechnet
wurden.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der
in 1 in einem Querschnitt dargestellte Tragflügel 1 weist
eine Vorderkante 2 eine Hinterkante 3, eine Saugseite 4,
eine Druckseite 5, eine Flügelvorderklappe 6 an
der Vorderkante 2 und eine Flügelhinterklappe 7 an
der Hinterkante 3 auf. Weiterhin ist in dem Übergangsbereich
zwischen der Hinterkante 3 und der Flügelhinterklappe 7,
die auch als Hochauftriebsklappe 7 bezeichnet wird, ein
Spoiler 8 vorgesehen. In der in 1 dargestellten
Hochauftriebskonfiguration des Tragflügels 1 sind die Flügelvorderklappe 6 über die
Vorderkante 2 und die Flügelhinterklasse 7 über die
Flügelhinterkante 3 ausgefahren,
wobei die Hochauftriebsklappe 7 einen von dem Spoiler 8 überspannten
Abstand zu der Flügelhinterkante 3 aufweist.
Der Spoiler 8 befindet sich dabei in einer Stellung, in
der er die Saugseite des Tragflügels
mit seiner Oberseite 9 zu der Saugseite 10 der Hochauftriebsklappe 7 hin
fortsetzt. Die Hochauftriebskonfiguration des Tragflügels 1 gemäß 1 mit
ausgefahrener Flügelvorderklappe 6 und
Flügelhinterklappe 7 stellt
ein im Vergleich zum Reiseflug mit eingefahrenen Klappen stark erhöhten Auftriebsbeiwert
bereit, durch den eine starke Absenkung der Fluggeschwindigkeit
während
des Landeanflugs ermöglicht
wird.
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Wenn
der Gleitpfadwinkel des Flugzeugs weiter erhöht werden soll, kann zusätzlich zur
Schubreduktion und zum erhöhten
Gesamtluftwiderstand aufgrund der ausgefallenen Flügelvorderklappe 6 und
der ausgefahrenen Flügelhinterklappe 7 der Spoiler 8 verwendet
werden. Dazu kann der Spoiler 8 mit seiner Oberseite 9,
wie in 2 dargestellt ist, gegen eine Überströmung 11 der Saugseite 4 des Tragflügels 1 angestellt
werden. Diese für
eine herkömmliche
Bremsklappe übliche
Anstellung des Spoilers 8 erhöht zwar den Gesamtluftwiderstand, senkt
aber den mit der ausgefahrenen Hochauftriebsklappe 7 erzielten
zusätzlichen
Auftrieb deutlich ab.
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Deshalb
ist der Spoiler 8 bei dem neuen Tragflügel 1 so ausgebildet,
dass er auch in die in 3 gezeigt Stellung überführt werden
kann, in der er mit seiner Vorderkante 12 über die
Saugseite 4 des Tragflügels 1 ausgefahren
ist und mit seiner Unterseite 13 gegen die Überströmung 11 angestellt
ist.
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4 zeigt
die Flügelhinterkante 3,
den Spoiler 8 und die Hochauftriebsklappe 7 gemäß 3 in
vergrößerter Darstellung.
Hieraus sind eine Überlappung 14 des
Spoilers 8 und der Hochauftriebsklappe 7 sowie
ein Spalt 15 zwischen dem Spoiler 8 und der Hochauftriebsklappe 7 zu
erkennen. Die Überlappung 14 verläuft im Wesentlichen waagerecht,
während
der Spalt 15 senkrecht dazu orientiert ist. Eine hier nicht
dargestellte Führung
für den
Spoiler 8 ist so ausgebildet, dass beim Verändern eines
Anstellwinkels 16 des Spoilers die Überlappung 14 und
der Spalt 15 nicht erheblich verändert werden. Durch Variation
des Anstellwinkels 16 kann die aktuelle Bremswirkung des
Spoilers 8 variiert werden. Die Form der Vorderkante 12 des
Spoilers 8, die auch als Spoilernase bezeichnet wird, die
Unterseite 13 des Spoilers sowie die Wölbung 17 an der Hinterkante 3 des
Tragflügels 1 können im
Hinblick auf aerodynamische, akustische, strukturelle und/oder herstellungsrelevante
Aspekte optimiert werden. Eine Krümmung des Spoilers 8 kann
auch durch Aktuatoren und/oder elastische Materialien erhöht werden,
um den Auftriebsverlust an der Vorderseite des Tragflügels zu
mindern.
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Vorzugsweise
werden bei dem neuen Tragflügel
mehrere Spoiler 8 eingesetzt, die neben der Erhöhung des
gesamten Luftwiderstands auch zur Steuerung des Flugzeugs eingesetzt
werden können,
indem sie getrennt voneinander angesteuert werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt mit dem Spoiler 8 eine Bremsklappe
zur Verfügung,
die im Vergleich zu herkömmlichen
Bremsklappen mit der Anstellung gemäß 2 eine bessere
Bremswirkung bereitstellen, dabei jedoch den Gesamtauftrieb des Flugzeugs
weniger stören.
Das macht die Erfindung zu einer besseren Luftbremse als herkömmliche Bremsklappen.
Die 5 und 6 beweisen die besseren aerodynamischen
Leistungen der erfindungsgemäßen Spoileranstellung
gemäß 3 gegenüber der
herkömmlichen
Spoiler- bzw. Bremsklappenanstellung gemäß 2. Die gezeigten
Kurven sind mit einer stationären
nummerischen CFD-Methode
berechnet worden. 5 zeigt Auftriebs- und Widerstandskurven
für den
in 5°-Schritten inkrementierten
Ausschlag des Spoilers 8 in den in 2 und 3 angegebenen
Richtungen. 6 zeigt die entsprechenden Nickmomentkurven.
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- 1
- Tragflügel
- 2
- Vorderkante
- 3
- Hinterkante
- 4
- Saugseite
- 5
- Druckseite
- 6
- Vorderkantenklappe
- 7
- Hochauftriebsklappe
- 8
- Spoiler
- 9
- Oberseite
- 10
- Saugseite
- 11
- Überströmung
- 12
- Vorderkante
- 13
- Unterseite
- 14
- Überlappung
- 15
- Spalt
- 16
- Anstellwinkel
- 17
- Wölbung