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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Tragflügel für ein Flugzeug mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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Die
aerodynamische Gestaltung der Flügelspitzen
von Tragflügeln
ist für
die Effizienz von Flugzeugen von großer Bedeutung. Hinsichtlich
des aerodynamischen Widerstands optimierte Lösungen haben jedoch bislang
einen negativen Einfluss auf die strukturell dimensionierenden Lasten
und damit auf die Masse des gesamten Tragflügels.
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STAND DER TECHNIK
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Bei
einem Tragflügel
für ein
Flugzeug mit einem an der Flügelspitze
des Tragflügels
angebrachten Winglet, das keine an der Hinterkante des Winglets
mit variablem Anstellwinkel angelenkte Wölbklappe aufweist, kann nicht
das volle aerodynamische Potenzial des Winglets ausgenutzt werden,
weil das Winglet dann einen negativen Einfluss auf die dimensionierenden
Lasten ausübt.
Diese Einschränkung
des Entwurfsraums gilt insbesondere für Winglets, die nachträglich an
einen bestehenden Tragflügel
angebracht werden.
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Zwar
sind grundsätzlich
Tragflügel
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt,
bei denen an der Hinterkante des Winglets eine Wölbklappe mit variablem Anstellwinkel
angelenkt ist, so dass durch Variation des Anstellwinkels der Einfluss
des Winglets auf die dimensionierenden Lasten reduziert werden kann. Dennoch
werden die Flügelspitzen
von Tragflügeln heute
mit Winglets ohne aktive Steuerflächen entworfen, da der systemische
Aufwand für
solche aktive Steuerflächen
den Gewinn durch Widerstandsreduktion kompensieren würde.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tragflügel für ein Flugzeug
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen,
mit dem ein Gewinn durch Widerstandsreduktion erzielbar ist, der
nicht durch einen systemischen Aufwand kompensiert wird.
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LÖSUNG
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Die
Erfindung wird durch einen Tragflügel mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1
gelöst.
Die abhängigen
Patentansprüche
2 bis 12 betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieses Tragflügels. Der
Patentanspruch 13 ist auf ein Flugzeug mit mindestens einem Paar
von erfindungsgemäßen Tragflügeln gerichtet.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
dem neuen Tragflügel
wird der Anstellwinkel der Wölbklappe
gegenüber
dem Winglet durch eine elastische Anordnung vorgegeben, so dass
sich der Anstellwinkel mit verändernder
aerodynamischer Last verändert.
Allgemeiner gesagt ist bei dem neuen Tragflügel in die Flügelspitze
eine Steuerfläche
integriert, deren Verbindung mit dem Flügel strukturell so ausgelegt
ist, dass die Steuerfläche
unter sehr hohen aerodynamischen Lasten eine lastmindernde Form
einnimmt. Die Lastminderung resultiert dabei aus der passiven strukturellen
Gestaltung und fordert keine aktive Ansteuerung der Steuerfläche. So
kann mit dem Winglet an dem erfindungsgemäßen Tragflügel der aerodynamische Widerstand reduziert
werden, ohne dass die strukturell dimensionierenden Lasten ansteigen
und in der Folge das Gewicht des Tragflügels erhöht werden muss. Es ist auch
kein systemischer Aufwand für
die Ansteuerung der Wölbklappe
des Winglets an dem erfindungsgemäßen Tragflügel zu betreiben, der den Vorteil
beim aerodynamischen Widerstand kompensieren würde. Zudem müssen, da
die elastische Anordnung rein passiv ausgeführt sein kann und vorzugsweise
auch rein passiv ausgeführt
ist, keine Vorsichtsmaßnahmen
zur Absicherung eines Ausfalls einer hier nicht vorhandenen aktiven
Ansteuerung der Wölbklappe getroffen
werden.
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Wenn
ein Winglet mit Wölbklappe
in deren neutralen Stellung konventionell, d. h. konform zu den
maximal zulässigen
Lasten, ausgelegt ist, so liegt eine Auftriebsverteilung vor, bei
der die Last weiter nach innen verteilt ist, als es zur Minimierung
des aerodynamischen Widerstands notwendig wäre. Bei dem erfindungsgemäßen Tragflügel kann
die elastische Anordnung der Wölbklappe
unterhalb einer kritischen aerodynamischen Last demgegenüber einen bezüglich ihrer
neutralen Stellung erhöhten
Anstellwinkel vorgeben, durch den die Last weiter nach außen verteilt
wird, wodurch der aerodynamische Widerstand gesenkt werden kann.
D. h., mit diesem von der elastischen Anordnung unterhalb der kritischen aerodynamischen
Last vorgegebenen erhöhten
Anstellwinkel der Wölbklappe
ist das Winglet für
eine maximale Effizienz im Reiseflug ausgelegt.
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Dennoch
werden bei dem neuen Tragflügel die
strukturell dimensionierenden Lasten nicht erhöht, indem die Wölbklappe
zumindest beim Überschreiben
der kritischen aerodynamischen Last ihre neutrale Stellung ausschlägt.
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Eine
noch höhere
Effizienz kann bei dem neuen Tragflügel dadurch erreicht werden,
dass das Winglet mit neutraler Wölbklappe
für maximale
Effizienz im Reiseflug ausgelegt wird und die Wölbklappe ausschließlich beim Überschreiten
einer kritischen aerodynamischen Last aus ihrer neutralen Stellung ausschlägt.
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Es
versteht sich, dass bei einer realen elastischen Anordnung, die
den Anstellwinkel der Wölbklappe
vorgibt, ein kontinuierlicher Ausschlag der Wölbklappe zumindest ab einer
Grenzlast, die durch eine Vorspannkraft vorgegeben werden kann,
erfolgt. Allerdings kann der Ausschlag der Wölbklappe umgekehrt auch durch
einen Anschlag begrenzt werden, so dass das Ausschlagen der Wölbklappe
zwischen dem erhöhten
Anstellwinkel und ihrer neutralen Stellung tatsächlich über einen vergleichsweise kleinen
Lastbereich erfolgen kann.
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Konkret
kann die elastische Anordnung mindestens ein Festkörpergelenk
zwischen dem Winglet und der Wölbklappe
aufweisen. Das Festkörpergelenk
kann direkt die elastischen Kräfte
der elastischen Anordnung bereitstellen. Die Wölbklappe kann aber auch konventionell über Gelenke
an dem restlichen Winglet gelagert sein, wobei dann die elastische
Abstützung
der Wölbklappe
durch zusätzliche Federelemente
vorzunehmen ist. Diese Federelemente können z. B. durch Verbindungselemente
zwischen dem Winglet und der Wölbklappe
aus Elastomerwerkstoff ausgebildet sein. Insbesondere bei derartigen
Verbindungselementen aus Elastomerwerkstoff, aber auch bei anderen
Federelemente ausbildenden Federelemente ausbildenden Verbindungselementen
zwischen dem Winglet und der Wölbklappe erweist
es sich als günstig,
wenn die elastische Anordnung mehrere Verbindungen zwischen dem
Winglet und der Wölbklappe
aufweist, die wechselseitig bei sich änderndem Anstellwinkel der
Wölbklappe auf
Druck beansprucht werden.
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Bei
der Ausbildung der Verbindungselemente auf Elastomerwerkstoff ergibt
sich automatisch eine gewisse Dämpfung
der elastischen Anordnung. Eine solche Dämpfung ist bei dem neuen Tragflügel von
grundsätzlichem
Interesse, weil die durch die elastische Anordnung erhöhte Strukturelastizität ungewollte
dynamische aeroelastische Effekte wie das Flattern begünstigt.
Zwar ist die Strukturelastizität durch
die elastische Abstützung
der Wölbklappe
nur lokal erhöht.
Zur sicheren Unterdrückung
der ungewollten dynamischen aeroelastischen Effekte erweist sich
aber eine Dämpfung
der elastischen Anordnung als vorteilhaft. Diese Dämpfung kann
neben einer inhärenten
Materialdämpfung
der Verbindungselemente durch einen zusätzlichen, zwischen der Wirkklappe
und dem Winglet wirkenden Dämpfer
und/oder einen Tilger an der Wölbklappe
bewirkt werden. Bei dem Tilger kann es sich neben einem herkömmlichen mechanischen
Tilger auch um einen mechatronischen Tilger mit einem elektrischen
Schwingkreis handeln. So können
die Verbindungen zwischen dem Winglet und der Wölbklappe multifunktionale Materialen
umfassen, die Teile eines derartigen elektrischen Schwingkreises
oder an einen solchen angeschlossen sind.
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Ein
erfindungsgemäßes Flugzeug
mit mindestens einem Paar von erfindungsgemäßen Tragflügeln weist einen reduzierten
aerodynamischen Widerstand auf, ohne dass sein Gewicht in einer
Weise erhöht
ist, die diesen Widerstandsvorteil kompensiert.
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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 von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren näher
erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Tragflügels eines selbst nicht weiter
dargestellten Flugzeugs mit Blickrichtung vom Rumpf des Flugzeugs
aus.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Winglets an der Flügelspitzes
des Tragflügels gemäß 1.
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3 zeigt
die Lagerung einer Wölbklappe an
der Hinterkante des Winglets gemäß 2 in
einer ersten Ausführungsform.
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4 zeigt
die Lagerung der Wölbklappe
an der Hinterkante des Winglets gemäß 2 in einer zweiten
Ausführungsform;
und
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5 skizziert
ein Verbindungselement mit einem mechatronischen Schwingungstilger
zwischen der Wölbklappe
und dem Winglet gemäß 2.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In 1 ist
ein Tragflügel 1 eines
hier nicht weiter dargestellten Flugzeugs in einer perspektivischen
Ansicht mit Blickrichtung vom Rumpf des Flugzeugs aus dargestellt.
An der Flügelspitze 2 des Flugzeugs
ist ein Winglet 3 vorgesehen. Dieses Winglet 3 ist
in 2 in derselben Perspektive wie in 1 vergrößert dargestellt.
Das Winglet 3 weist an seiner Hinterkante 4 eine
Wölbklappe 5 auf.
Der Anstellwinkel der Wölbklappe 5,
die hier in ihrer neutralen Stellung gezeigt ist, wird durch eine
elastische Anordnung vorgegeben, die in 3 näher skizziert ist.
In 2 sind nur Gelenke 6 angedeutet, über die die
Wölbklappe 5 verschwenkbar
an dem Winglet 3 gelagert ist.
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3 zeigt,
dass zwischen der Wölbklappe 5 und
dem Winglet 3 neben den Gelenken 6 zusätzliche
Verbindungselemente 7 vorgesehen sind, die die Wölbklappe 5 gegenüber dem
Winglet 3 elastisch abstützen und so je nach aerodynamischer
Last auf die Wölbklappe 5 den
Anstellwinkel der Wölbklappe 5 gegenüber dem
Winglet 3 vorgeben. In 3 sind dabei
wechselseitig auf Druck beanspruchte Verbindungselemente 7 wiedergegeben,
die beispielsweise aus einem Elastomerwerkstoff ausgebildet sein
können.
Auf diese Weise weist die elastische Anordnung zwischen der Wölbklappe 5 und
dem Winglet 3 eine von dem konkreten Elastomerwerkstoff
abhängige Dämpfung auf.
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In
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 4 skizziert
ist, ist neben einem Verbindungselement 7 ein Dämpfer 8 zwischen
der Wölbklappe 5 und
dem Winglet 3 vorgesehen. Dieser Dämpfer stellt eine für Schwenkbewegungen
der Wölbklappe 5 gegenüber dem
Winglet 3 bereit, so dass das Verbindungselement diese
beiden Teile rein elastisch koppeln kann. Eine Elastizität zwischen
der Wölbklappe 5 und
dem Winglet 3 kann auch durch Ausbildung der Gelenke 6 als
Festkörperelemente bereitgestellt
werden.
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In 5 ist
ein Verbindungselement 7 skizziert, das ein multifunktionales
Material 9 umfasst, welches in einen elektrischen Schwingkreis 10 integriert
oder an diesen angeschlossen ist, um einen mechatronischen Tilger
für Schwingungen
der Wölbklappe 5 gegenüber dem
Winglet 3 auszubilden. Dabei ist auch die Wirkrichtung
der Luftkräfte 11 auf
das Verbindungselement 7 eingezeichnet. Sollen z. B. piezoelektrische
Wandler als multifunktionelles Material 9 eingesetzt werden,
wäre es
aufgrund der geringen Zugfestigkeit dieses Materials 9 vorteilhaft,
beidseitig der Gelenke 6 Verbindungselemente 7 wie
in 5 skizziert vorzusehen, die konstruktiv so integriert
sind, dass sie nur Drucklasten zu tragen haben.
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Die
Verbindungselemente 7 bestehen bei allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung aus einem Material, dessen Druck-/Zugsteifigkeit
unter den vorherrschenden aerodynamischen Lasten die Wölbklappe 5 in
die gewünschte
Position bringt. Die Verbindungselemente 7 müssen darüber hinaus, falls
kein zusätzlicher
Dämpfer 8 oder
Schwingungstilger vorgesehen ist, über genügend Dämpfung verfügen, um unerwünschte dynamische
aeroelastische Effekte wie Flattern oder Grenzzyklusschwingung zu verhindern.
Dabei ist die Dämpfung
der Verbindungselemente 7 ebenso wie diejenige eines zusätzlichen Dämpfers 8 oder
Schwingungstilgers auf die spezifischen Eigenschaften der Wölbklappe 5,
ihrer Lagerung sowie die auftretenden aerodynamischen Lasten abzustimmen.
Besonders günstig
ist es, wenn das Winglet 3 mit neutraler Klappe 5,
wie sie in den Figuren dargestellt ist, für maximale Effizienz im Reiseflug
des jeweiligen Flugzeugs ausgelegt ist, und die Wölbklappe
ausschließlich
beim Überschreiten kritischer
aerodynamischer Lasten ausschlägt.
Dabei erfolgt der Ausschlag der Wölbklappe gegen die elastischen
Verbindungselemente 7 automatisch in lastreduzierender
Richtung.
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- 1
- Tragflügel
- 2
- Flügelspitze
- 3
- Winglet
- 4
- Hinterkante
- 5
- Wölbklappe
- 6
- Gelenk
- 7
- Verbindungselement
- 8
- Dämpfer
- 9
- multifunktionales
Material
- 10
- elektrischer
Schwingkreis
- 11
- aerodynamische
Last