DE102009022174B4

DE102009022174B4 - Vorrichtung zur Verringerung des Luftwiderstandes einer Anströmfläche eines Flugzeugs

Info

Publication number: DE102009022174B4
Application number: DE102009022174.3A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Syassen Freerk
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: US8864082B2; DE102009022174A1; US20100294892A1

Abstract

Vorrichtung (30) zur Verringerung des Luftwiderstands einer Anströmfläche eines Flugzeugs, wobei im Bereich der Anströmfläche zumindest bereichsweise mindestens ein luftdurchlässiges Flächengebilde angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das luftdurchlässige Flächengebilde
- wenigstens zwei Metallgewebe (32, 37, 38) mit definiert abgestuften Maschenweiten aufweist, und
- mit einer Absaugeinrichtung zusammenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung des Luftwiderstands einer Anströmfläche eines Flugzeugs.
Um den Treibstoffverbrauch von Verkehrsflugzeugen weiter zu optimieren, wird seitens der Hersteller versucht, den Luftwiderstand der maßgeblichen aerodynamischen Wirkflächen, wie zum Beispiel die Vorderkanten der Tragflächen, die Vorderkante des Höhenleitwerks oder die Vorderkante des Seitenleitwerks, zu verringern. Im Bereich der Vorderkanten existieren in einem oberflächennahen Bereich unerwünschte turbulente Strömungsanteile, die den Luftwiderstand und damit zusammenhängend den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs erhöhen.
Um den Luftwiderstand zu verringern ist es erforderlich, die turbulenten Strömungsanteile in einem oberflächennahen Bereich der aerodynamischen Wirkflächen eines Flugzeuges signifikant zu verringern. Hierzu können beispielsweise Technologien aus dem Bereich der Bionik zum Einsatz kommen. So ist es bekannt, Tragflächen von Flugzeugen mit Beschichtungen zu versehen, deren Oberflächenbeschaffenheit zum Beispiel der Hautstruktur von Haien nachempfunden ist. Von Nachteil hierbei ist, dass die Beschichtungen, die zum Beispiel als Kunststofffolien oder Lackierungen aufgebracht werden können, im Flugbetrieb starken erosiven Prozessen unterliegen, die einen erheblichen Verschleiß und hiermit verbunden einen hohen Wartungsaufwand erfordern, dessen Kosten die erzielbaren Kraftstoffeinsparungen zumindest teilweise wieder zunichtemachen können.
Eine weitere Alternative ist es, die Vorderkanten der relevanten aerodynamischen Wirkflächen in Sandwichbauweise auszuführen, um eine Vielzahl von Kammern auszubilden. Der Bereich der Vorderkanten weist bei dieser Alternative eine Mikroperforierung auf, durch die die anströmende Luft in die dahinterliegenden Kammern gelangt und von dort aus mittels einer Pumpe zur Reduzierung des Luftwiderstands zentral abgesaugt werden kann. Dadurch dass die Kammern jeweils Bohrungen mit einem von Kammer zu Kammer variierenden Durchmesser aufweisen, werden in den Kammern unterschiedliche Drücke eingestellt. Hierdurch wird bewirkt, dass die Kammern trotz der Zentralabsaugung jeweils von unterschiedlichen hohen Luftvolumenströmen durchsetzt werden. Von Nachteil ist bei dieser Ausführungsvariante jedoch vor allem die fertigungstechnisch extrem anspruchsvolle Herstellung der Sandwichbauweise der Vorderkanten der aerodynamischen Wirkflächen. Der Bereich in dem die oberflächennahe Absaugung der anströmenden Luft erfolgt, ist nicht auf den Bereich der Vorderkanten der betreffenden aerodynamischen Wirkfläche beschränkt.
DE 936 618 B beschreibt eine Grenzschichtabsaugung an Außenflächen von Körpern wie Tragflächen, die sich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium bewegen. Die Grenzschichtabsaugung wird realisiert, ohne den Körper strukturell zu schwächen. Dies wird durch Hautbereiche erreicht, in denen poröse Leisten zum Absaugen der Grenzschicht angeordnet sind, welche durch jeweils ein innenliegendes perforiertes Blech stabilisiert ist. Die porösen Leisten weisen eine Hohlkammerstruktur auf.
US 4 232 093 A offenbart eine Struktur, die als Hochtemperaturluftfolie verwendbar ist. Die Struktur weist ein erstes und ein zweites wellenartiges metallisches Element auf, wobei die Richtung des ersten Elements quer zu der Richtung des zweiten Elements liegt. Die beiden wellenartigen Elemente können als Ausdehnungsverbindungen wirken, die eine kontrollierte thermische Ausdehnung der Struktur ermöglichen. Die Struktur weist ferner verschiedene Öffnungen bzw. Hohlkammerstrukturen auf, um die Wärmeübertragung zu vermeiden.
US 5 263 667 A zeigt eine Tragfläche mit laminarer Strömungssteuerung im Bereich einer Flügelvorderkante, die einen ersten und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der erste Bereich während des Fluges einem äußeren Luftdruck ausgesetzt wird, der größer ist als der äußere Luftdruck im zweiten Bereich. Die Tragfläche weist eine äußere perforierte Haut auf, wobei jede Perforierung eine wirksame Querschnittsfläche aufweist, um ein durchschnittliches Verhältnis der effektiven Perforierungsfläche zur Hautfläche für jeden Bereich der Haut zu definieren. Ein Ansaugsystem ist vorgesehen, das mit der Unterseite der Haut verbunden ist und Luft durch die Perforierungen saugt. Zusätzlich ist eine Vielzahl von Rillen vorhanden, die zusammen mit den Sammeleinrichtungen und den Leitungen gemeinsam einen Innenraum bilden, so dass eine Hohlkammerstruktur erzeugt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Reduzierung des Luftwiderstands von aerodynamischen Wirkflächen zu schaffen, die praktisch wartungsfrei ist und die einen nur geringen Herstellungsaufwand erfordert und insbesondere keine Sandwichbauweise zur Schaffung von Hohlkammern bedarf.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass im Bereich der Anströmfläche zumindest bereichsweise mindestens ein luftdurchlässiges Flächengebilde angeordnet ist, das mit einer Absaugeinrichtung zusammenwirkt, ist es möglich, einen Teil der anströmenden Luft mittels der Absaugeinrichtung abzusaugen und hierdurch den turbulenten Strömungsanteil der Luft in einem oberflächennahen Bereich der Anströmfläche zu vermindern, den Luftwiderstand und damit den Treibstoffverbrauch des Flugzeugs zu senken. Durch den Einsatz des Flächengebildes erübrigt sich die bisher fertigungstechnisch kaum zu beherrschende und kostenintensive Sandwichbauweise zur Schaffung der Hohlkammern.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung sind im Bereich der Anströmfläche mindestens zwei luftdurchlässige Flächengebilde mit jeweils unterschiedlichen Strömungswiderständen angeordnet.
Hierdurch kann zum Beispiel im Bereich einer Vorderkante eines Seitenleitwerks im Vergleich zu den beidseitig daran anschließenden Seitenflächen eine höhere Absaugleistung bewirkt werden, um den im Bereich der Vorderkante des Seitenleitwerks am stärksten ausgeprägten turbulenten Strömungsanteil wirkungsvoller reduzieren zu können. Durch die unterschiedlichen Strömungswiderstände stellen sich in den Bereichen hinter den beiden Flächengebilden jeweils lokal unterschiedliche Volumenströme V der durch sie hindurchtretenden Luft ein, obwohl die Vorrichtung in der Regel über nur eine zentrale Absaugeinrichtung verfügt, mit der nur ein Unterdruckwert zur Zeit in einem Bereich zwischen -0,01 bar bis -0,7 bar einstellbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Metallgewebe des mindestens einen luftdurchlässigen Flächengebildes mit einer Edelstahllegierung und/oder mit einer Titanlegierung gebildet sind.
Hierdurch können industriell verfügbare Standard-Metallgewebe zur Schaffung des Flächengebildes genutzt werden. Darüber hinaus ist durch die Flexibilität der Metallgewebe eine einfache Integration in die Anströmfläche möglich, die im Allgemeinen über eine mindestens in einer Raumdimension gekrümmte Oberflächengeometrie verfügt. Als Material für die Metallgewebe kommen insbesondere Edelstahllegierungen und/oder Titanlegierungen in Betracht, die zu Drähten verarbeitet und miteinander verwoben die Metallgewebe darstellen. Durch eine Variation der Drahtdurchmesser und/oder der Maschenweite der Metallgewebe lässt sich der resultierende Strömungswiderstand der Metallgewebe in weiten Grenzen exakt einstellen. Darüber hinaus bieten die genannten Werkstoffe eine gute Korrosionsresistenz, die einen lebensdauerlangen wartungsfreien Einsatz erlaubt. Ferner wird durch die Verwendung der Metallgewebe die Widerstandsfähigkeit gegenüber Einschlägen von Fremdkörpern (so genanntes „Impact“-Verhalten) verbessert. Bei der Verwendung von Titanlegierungen ergeben sich im Vergleich zu Edelstahllegierungen Gewichtsvorteile.
Die Metallgewebe können zweilagig aufgebaut sein. Eine erste Regulierungslage dient in einer solchen Konstellation zur Einstellung eines lokal definierten Volumenstroms der hindurchtretenden Luft, während eine darunter, bevorzugt vollflächig auf die Regulierungsschicht aufgebrachte und mit einem gröberen Metallgewebe aufgebaute Trägerschicht im Wesentlichen allein zu deren mechanischer Stabilisierung dient.
Alternativ, jedoch nicht erfindungsgemäß, können die luftdurchlässigen, sieb- bzw. gewebeartigen Flächengebilde mit thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffmaterialien, gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Faserarmierung, gebildet sein. Hieraus ergeben sich im Vergleich zur Verwendung metallischer Werkstoffe Gewichtsvorteile.
Ferner können die luftdurchlässigen Flächengebilde durch eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen Kügelchen hergestellt werden, die jeweils in einer räumlichen Anordnung miteinander verbunden sind, die im Idealfall der dichtesten Kugelpackung entspricht. Die Kügelchen können mit metallischen Materialien und/oder (nicht erfindungsgemäß) mit Kunststoffmaterialien gebildet sein. Die Verbindung der Kügelchen kann beispielsweise durch Schweißen, Löten, Verkleben, Sintern („verbacken“) oder dergleichen erfolgen.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Flächengebilde zumindest bereichsweise mit einer eine Vielzahl von Bohrungen aufweisenden Perforationsschicht bedeckt ist, wobei die Perforationsschicht mit einer Titan- und/oder mit einer Edelstahllegierung gebildet ist.
Durch die Perforationsschicht ist sichergestellt, dass ein festgelegter, konstanter Anteil der anströmenden Luft gleichmäßig über das Flächengebilde hinweg verteilt auftrifft. Durch die Verwendung von mindestens zwei luftdurchlässigen Metallgeweben mit jeweils unterschiedlicher Maschenweite, die zu bereichsweise unterschiedlichen Strömungswiderständen führen, können die im Bereich der Flächengebilde lokal unterschiedlichen Volumenströme bzw. lokalen Drücke der durchtretenden Luft eingestellt werden. Faserverstärkte Kunststoffmaterialien sind zur Herstellung der Perforationsschicht oder des gewebten Flächengebildes nur bedingt geeignet, da aufgrund unvermeidbarer erosiver Prozesse die Harzmatrix im Flugbetrieb kontinuierlich abgetragen wird und die Verstärkungsfasern freigelegt werden, was zu einer Beeinträchtigung der Integrität und der mechanischen Belastbarkeit der Faserverbundbauteile führt.
Die Perforationsschicht kann entfallen, wenn das Metallgewebe - in Anströmrichtung - über eine den aerodynamischen Anforderungen genügende, hinreichend glatte Oberflächengeometrie verfügt. Dasselbe gilt für den Fall, dass das luftdurchlässige Flächengebilde in der alternativen, jedoch nicht erfindungsgemäßen, Ausführungsform mit einer Vielzahl von miteinander verbackenen mikroskopisch kleinen Kügelchen gebildet ist.
Die Perforationsschicht verfügt in der Regel über mehrere Millionen Bohrungen pro Quadratmeter mit einem Durchmesser von jeweils 30 µm bis 80 µm bei einem Abstand von bis zu 500 µm, die in einem gleichmäßigen Raster angeordnet sein können. In Abhängigkeit von den lokalen Strömungsverhältnissen können darüber hinaus lokal unterschiedliche Bohrungsdichten vorgesehen sein. Die erforderliche große Anzahl der Bohrungen kann zum Beispiel durch bekannte Elektronenstrahl- oder Laserbohrverfahren erzeugt werden.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass das mindestens eine Flächengebilde und/oder die Perforationsschicht mittels einer Unterkonstruktion in einem Bereich der Anströmfläche befestigt sind.
Die Unterkonstruktion dient allein zur mechanischen Abstützung der Metallgewebe und/oder der Perforationsschicht, aber nicht mehr zur Schaffung einer Vielzahl von Kammern, in denen jeweils unterschiedliche Drücke herrschen bzw. durch die unterschiedlich große Luftvolumenströme V hindurchtreten.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass sich das mindestens eine Flächengebilde und/oder die Perforationsschicht im Wesentlichen stetig in die Oberflächengeometrie der Anströmfläche einfügen.
Infolge dieser Ausgestaltung werden die aerodynamischen Eigenschaften, insbesondere in einem Übergangsbereich zwischen der Vorrichtung und den übrigen Zonen der Anströmfläche, nicht verändert.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung eine Pumpe ist, um in einem Bereich hinter dem Flächengebilde einen Unterdruck po zu erzeugen.
Die Absaugeinrichtung ist bevorzugt eine elektromotorisch angetriebene (Vakuum-)Pumpe. Diese zentrale Pumpe erlaubt eine Einstellung eines angenähert einheitlichen Unterdrucks po in einem Bereich von etwa -0,01 bar bis zu -0,7 bar hinter den Metallgeweben der Vorrichtung. Der bevorzugt vorgesehene Einsatz eines elektromotorischen Antriebs für die Vakuumpumpe erleichtert vor allem die Ansteuerung und die Regelung der Pumpe. Alternativ kann auch ein hydraulischer Antrieb vorgesehen sein. Die Pumpe kann auch weit außerhalb des Bereichs der Anströmfläche, zum Beispiel innerhalb des Heckbereichs der Flugzeugrumpfzelle unterhalb des Seitenleitwerks positioniert sein. In diesem Fall ist jedoch die Verlegung einer Schlauchleitung zwischen der Pumpe und dem Bereich unmittelbar hinter den Metallgeweben notwendig.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Unterdruck po mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung einstellbar ist.
Hierdurch kann die Pumpe innerhalb der Absaugeinrichtung in Abhängigkeit vom jeweiligen Flugzustand des Flugzeugs, beispielsweise in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit, der Flughöhe und/oder weiteren Parametern, variabel angesteuert werden, um die gewünschte Reduzierung des Luftwiderstandes der Anströmfläche durch eine Abschwächung von oberflächennahen turbulenten Strömungen in allen denkbaren Flugsituationen zu bewirken.
In der Zeichnung zeigt:

1-3 eine prinzipielle Darstellung der Funktionsweise einer Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstands eines Seitenleitwerks eines Flugzeugs nach dem Stand der Technik,
4 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes aus einem Seitenleitwerk eines Flugzeugs, das mit der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung versehen ist, und
5 den Ausschnitt V aus der 4 in vergrößerter Darstellung.

Die 1 bis 3, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, veranschaulichen die prinzipielle Wirkungsweise einer aus dem Stand der Technik bekannten Einrichtung zur Verminderung des Luftwiderstands von Anströmflächen.
In der 1 ist eine Seitenansicht auf ein Seitenleitwerk 1 eines nicht gezeichneten Flugzeugs dargestellt. In einem Bereich 2, zum Beispiel einer Vorderkante bzw. einem Nasenbereich, des Seitenleitwerks 1 befindet sich eine nach Maßgabe des Standes der Technik ausgeführte Einrichtung 3 zur Reduzierung des Luftwiderstandes. Die Einrichtung 3 kann sich unbeschadet der Darstellung über die gesamte Länge des Bereichs 2 des Seitenleitwerks 1 erstrecken. Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung durch das Seitenleitwerk 1 entlang der Schnittlinie II-II in der 1. Der Bereich 2 ist im Bereich der Einrichtung 3 in bekannter Sandwichbauweise, das heißt doppelschalig ausgeführt. In einem Vorraum 4, der durch einen Spant 5 von einem Hinterraum 6 getrennt ist, befindet sich eine Pumpe 7 als Absaugeinrichtung. Die Pumpe 7 wird von einem Elektromotor 8, der an zwei elektrischen Leitungen 9, 10 angeschlossen ist, betrieben. Die Pumpe 7 verfügt über eine Saugleitung 11 und eine Druckleitung 12. Mittels der Pumpe 7 lässt sich ein definierter Anteil der Luftströmung 13, die durch den doppelschaligen Bereich 2 in den Vorraum 4 gelangt, über die Saugleitung 11 abführen und in den Hinterraum 6 fördern, was durch den kleinen weißen Pfeil dargestellt ist. Die auf das Seitenleitwerk 1 auftreffende, anfänglich noch laminare Luftströmung 14 ist durch eine Vielzahl von weißen Pfeilen veranschaulicht. Infolge der Absaugung kann insbesondere die oberflächennahe turbulente Luftströmung 15 im Einflussbereich der Einrichtung 3 verringert werden, so dass der Luftwiderstand des Seitenleitwerks 1 abnimmt. In der 3 ist eine stark vergrößerte Darstellung des kreisförmigen Ausschnitts III in der 2 gezeigt. Der doppelschalige Aufbau des Bereichs 2 des Seitenleitwerks 1 umfasst eine Perforationsschicht 16, die angenähert parallel beabstandet zu einer Innenwand 17 verläuft. Zwischen der nach außen gerichteten Perforationsschicht 16 und der Innenwand 17 bestehen eine Vielzahl von Kammern 18 bis 20. Die zunächst noch laminare Luftströmung 14 verläuft in 3 angenähert parallel zur Perforationsschicht 16. Die Perforationsschicht 16 weist eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen, durchgehenden Bohrungen auf, von denen eine Bohrung repräsentativ für alle übrigen die Bezugsziffer 21 trägt. Die Bohrungen weisen jeweils einen Durchmesser von ca. 50 µm auf und sind gleichmäßig, das heißt rasterförmig, in einem Abstand von bis zu 500 µm zueinander über die Perforationsschicht 16 hinweg verteilt eingebracht. Vorzugsweise verfügt die Perforationsschicht 16 über eine Bohrungsdichte von mehr als 4.000.000 Bohrungen pro Quadratmeter. Die Kammern 18 bis 20 sind jeweils durch einen Steg 22, 23 voneinander getrennt. In den Kammern 18 bis 20 ist jeweils eine Düse 24 bis 26 eingebracht. Innerhalb der Kammern 18 bis 20 herrscht jeweils ein anderer Druck p₁ bis p₃ , so dass in den entsprechenden Bereichen der Perforationsschicht 16 eine unterschiedlich starke Absaugwirkung und damit eine örtlich unterschiedliche Reduktion der turbulenten Strömungen erreicht wird. Beispielsweise ist die turbulente Luftströmung 15 unmittelbar im Bereich der Vorderkante des Seitenleitwerks am stärksten, sodass in diesem Bereich die stärkste Absaugung erfolgen muss, während in den sich daran beidseitig anschließenden, weniger stark gekrümmten Bereichen der beiden Seitenflächen des Seitenleitwerks 1 die turbulenten Strömungen in geringem Maße auftreten, so dass in diesen Zonen eine geringere Absaugleistung ausreichend ist.
Die Drücke p₁ bis p₃ können sich in einem Bereich zwischen -0,7 bar und -0,01 bar bewegen, wobei sich bei kleineren (d.h. negativen) Drücken die Absaugwirkung verstärkt. Mit den unterschiedlichen Drücken p₁ bis p₃ korrespondieren drei Volumenströme V̇₁, V̇₂ sowie V̇₃, deren Größe gemessen in cm³/s mit abnehmendem Druck ansteigt. Die drei Volumenströme V̇₁, V̇₂ sowie V̇₃ stellen ein Maß für die Luftmenge dar, die jeweils die drei Kammern 18 bis 20 pro Zeiteinheit durchsetzt. Die unterschiedlichen Drücke p₁ bis p₃ bzw. die damit zusammenhängenden Volumenströme V̇₁ bis V̇₃ werden durch die drei Düsen 24 bis 26 reguliert, die hierzu jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Sowohl die Perforationsschicht 16 als auch die Innenwand 17 einschließlich der Stege 22, 23 sind mit metallischen Materialien, beispielsweise mit Edelstahllegierungen oder mit Titanlegierungen gebildet, die jeweils miteinander durch Schweißen oder Löten mit hoher Genauigkeit verbunden sind. Im Fall der Verwendung von Titanlegierungen können die Kammern 18 bis 20 auch durch superplastische Umformprozesse hergestellt werden. Fertigungstechnisch gestaltet sich die Herstellung der Einrichtung 3 im Bereich 2 des Seitenleitwerks 1 jedoch so aufwändig und anspruchsvoll, insbesondere im Hinblick auf die erforderliche Fügetechnik und die wegen der Aerodynamik mit extrem hoher Genauigkeit einzuhaltende Oberflächengeometerie der Einrichtung 3, dass ein breiter praktischer Einsatz- zumindest im Bereich der zivilen Luftfahrt - bislang noch nicht erfolgte.
Die 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt eines Seitenleitwerks, das exemplarisch mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung zur Verminderung des Luftwiderstands ausgerüstet ist.
Ein Seitenleitwerk 28 ist in einem Bereich 29, zum Beispiel in einem Nasenbereich des Seitenleitwerks 28, mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung 30 zur Verringerung des Luftwiderstands ausgestattet. Der in 4 dargestellte Ausschnitt setzt sich sowohl nach links und nach rechts als auch nach unten hin, wie jeweils durch die schwarzen Punkte klargestellt, fort. Die Absaugeinrichtung in Gestalt einer (Vakuum)-Pumpe ist der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht dargestellt (vgl. hierzu 5). Die eigentliche Vorrichtung 30 umfasst unter anderem eine außenseitig im Bereich 29 angeordnete Perforationsschicht 31 und ein innenseitig hieran anliegendes Metallgewebe 32 als luftdurchlässiges Flächengebilde. Bevorzugt liegt das Metallgewebe 32 vollflächig an der Perforationsschicht 31 an. Das Metallgewebe 32 ist mit einer Vielzahl von miteinander zu einem Gewebe verwobenen metallischen Drähten gebildet. Durch die Variation des Drahtdurchmessers und/oder die Web- bzw. Flechtart lässt sich eine Maschenweite des Metallgewebes derart einstellen, dass dieses einen exakt definierten Luftvolumenstrom passieren lässt. Hierdurch entsteht über dem Metallgewebe 32 ein Druckabfall, das heißt der (Luft)Druck im Bereich einer zunächst noch laminaren Luftströmung 33, die auf die Perforationsschicht 31 auftrifft, ist höher als der (Luft)Druck unmittelbar hinter dem Metallgewebe 32. Sowohl die Perforationsschicht 31 als auch das Metallgewebe 32 sind bevorzugt mit einer Titanlegierung und/oder mit einer Edelstahllegierung gebildet. Im Allgemeinen ist die Perforationsschicht 31 mit einer Titanlegierung gebildet, während das Metallgewebe 32 vor allem aus fertigungstechnischen Gründen mit einer Edelstahllegierung gebildet ist. In die Perforationsschicht 31 ist eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen Bohrungen mit einem Durchmesser von bis zu 50 µm eingebracht, die gleichmäßig in einem Raster mit einer Maschenweite von bis zu 500 µm zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei das Raster eine Bohrungsdichte von vorzugsweise mehr als 4.000.000 Bohrungen pro Quadratmeter erreicht. Die Bohrungen werden mit bekannten Elektronenstrahl- oder Laserstrahlbohrverfahren in die Perforationsschicht 31 eingebracht. Die Oberflächengeometrie der Perforationsschicht 31 sowie des Metallgewebes 32 fügt sich im Idealfall vollkommen in eine Oberflächengeometrie des Seitenleitwerks 28 ein, um optimale aerodynamische Eigenschaften sicherzustellen. Die Perforationsschicht 31 und das Metallgewebe 32 sind von einer innenseitig im Seitenleitwerk 28 befindlichen Unterkonstruktion 34 abgestützt. Infolge des Metallgewebes 32 kann auf die in Seitenleitwerken übliche Standard-Unterkonstruktion, zum Beispiel mit Rippen und Spanten, zurückgegriffen werden, die im Vergleich zu der bisher erforderlichen doppelschaligen bzw. Sandwichbauweise des Bereichs 29 des Seitenleitwerks 28 fertigungstechnisch einfach zu beherrschen ist. Die Unterkonstruktion kann gleichfalls mit einer Titanlegierung gebildet sein. Aufgrund der Flexibilität des Metallgewebes 32 kann dieses beispielsweise auf einfache Weise über die Unterkonstruktion 34 hinweg gespannt werden. Zur Abbildung der vorgegebenen, in der Regel zumindest eindimensional gekrümmten Oberflächengeometrie des Bereichs 29 reicht eine geringe Anzahl von Stützpunkten an der Unterkonstruktion 34 aus. Im Bereich von Querkanten 35, 36 des Metallgewebes 32 kann dieses dann beispielsweise mittels nicht dargestellter, bündig mit den Seitenflächen des Seitenleitwerks 28 abschließenden Klemmleisten mit der Unterkonstruktion 34 zur Lagesicherung verschraubt werden. Mittels der Klemmleisten kann zugleich auch die im Regelfall oberhalb der Gewebeschicht 32 noch erforderliche Perforationsschicht 31 in ihrer Lage am Seitenleitwerk 28 fixiert werden. Durch diese Befestigungskonstruktion ist zudem eine einfache und schnelle Austauschbarkeit sowohl des Metallgewebes 32 als auch der Perforationsschicht 31 im Wartungs- bzw. Reparaturfall gegeben.
Die in 4 nicht dargestellte (Vakuum)-Pumpe kann im Bereich der Vorrichtung 30 angeordnet sein. Alternativ ist es gleichfalls möglich, die (Vakuum)-Pumpe unterhalb des Seitenleitwerks 28, beispielsweise im Heckbereich der Rumpfzelle des Flugzeugs zu positionieren.
Die 5 zeigt den Ausschnitt V aus der 4 in einer vergrößerten Darstellung.
Die Vorrichtung 30 ist in einem Bereich 29 integriert, bei dem es sich beispielsweise um einen Nasenbereich des Seitenleitwerks 28 handeln kann. Die Vorrichtung 30 umfasst unter anderem die Perforationsschicht 31, hinter der sich das Metallgewebe 32 sowie jeweils beidseitig hierzu anschließend zwei weitere Metallgewebe 37, 38 als ebenfalls luftdurchlässige Flächengebilde anschließen. Die Vorrichtung 30 kann über die in 5 exemplarisch gezeigte Positionierung in einem Nasenbereich bzw. an einer Vorderkante des Seitenleitwerks 28 in Abhängigkeit von den jeweiligen aerodynamischen Erfordernissen in und/oder an beliebigen Oberflächenbereichen des Seitenleitwerks und auch anderer aerodynamischer Wirkflächen, wie zum Beispiel Tragflächen, Höhenleitwerken, Landeklappen oder dergleichen, vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 30 auch in den gegenüberliegenden Seitenflächen des Seitenleitwerks 28 eingebaut sein, die im Vergleich zum Nasen- bzw. Vorderkantenbereich des Seitenleitwerks 28 einen erheblich geringeren Krümmungsgrad aufweisen.
Die außenliegende und von der Luftströmung 33 zuerst angeströmte Perforationsschicht 31 sowie die Metallgewebe 32, 37, 38 sind auf der Unterkonstruktion 34 befestigt. Die Perforationsschicht 31 verfügt über eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen zylindrischen Bohrungen, von denen eine Bohrung 39 repräsentativ für alle übrigen mit einer Bezugsziffer versehen ist. Die Bohrungen können auf der der Luftanströmung 33 zugewandten Seite der Perforationsschicht 31 mit Ansenkung versehen sein. Das mittlere Metallgewebe 32 verfügt über eine größere Maschenbreite als die beiden äußeren Metallgewebe 37, 38, die im gezeigten Ausführungsbeispiel dieselbe Maschenweite aufweisen. Hierdurch wird das Metallgewebe 32 vom Volumenstrom V̇₂ durchsetzt, der größer ist als die hier gleichen Volumenströme V̇₁, V̇₃, die die Metallgewebe 37, 38 passieren. Als Resultat ergibt sich im Vergleich zu den beiden äußeren Metallgeweben 37, 38 im Bereich des Metallgewebes 32 eine höhere Absaugleistung. Im Ergebnis tritt eine räumlich unterschiedlich starke Luftströmung 40 durch die Metallgewebe 32, 37, 38 hindurch. Da der Volumenstrom V̇₂ im Bereich des mittleren Metallgewebes 32 aufgrund dessen größerer Maschenweite im Vergleich zu den beiden äußeren Volumenströmen V̇₁, V̇₃ am höchsten ist, stellt sich in diesem Bereich auch die größte (Luft-)Absaugleistung ein, die wiederum mit der stärksten Reduktion der zu reduzierenden oberflächennahen turbulenten Strömung 40 einhergeht. Im Bereich der beiden äußeren Metallgewebe 37, 38 ergibt sich hingegen aufgrund der dort geringeren Maschenweite eine verringerte Absaugleistung, so dass die Reduktion der oberflächennahen turbulenten Strömung 40 in diesem Bereich entsprechend schwächer ausfällt, was jedoch beabsichtigt ist, da die turbulente Strömung 40 in dieser Zone im Verhältnis zum mittleren Bereich eine deutlich geringere Stärke aufweist. Diese Abschwächung resultiert aus den größeren Krümmungsradien der Oberflächengeometrie des Bereichs 29 in dieser Zone. Aufgrund der definiert abgestuften Maschenweiten der Metallgewebe 32, 37 und 38, die zu unterschiedlichen Strömungswiderständen und damit zu unterschiedlichen Volumenströmen V̇₁, V̇₂ und V̇₃ führen, kann die erforderliche Absaugleistung örtlich kontrolliert eingestellt und optimiert werden, woraus schließlich ein geringeres Gewicht der Absaugeinrichtung und ein hiermit verbundener verringerter Energieeinsatz resultieren. Damit ermöglicht die Vorrichtung 30 eine äußerst energieeffiziente Verminderung des Luftwiderstands des Bereichs 29 des Seitenleitwerks 28. Allein durch den Einsatz der Vorrichtung 30 an einem Seitenleitwerk 28 lässt sich der Treibstoffverbrauch eines Flugzeugs um bis zu 10% senken.
Die eigentliche Absaugung der Luft erfolgt aus einem Zwischenraum 41 hinter den Metallgeweben 32, 37, 38 mittels einer (Vakuum)-Pumpe 42, die bevorzugt elektrisch angetrieben ist. Die Pumpe 42 verfügt über eine rohrförmige Saugleitung 43, durch die die Luft aus dem Zwischenraum 41 angesaugt wird, sowie eine Druckleitung 44 mittels der die angesaugte Luft in einen Hinterraum 45, wie durch den weißen, vertikal nach unten gerichteten Pfeil angedeutet, gefördert wird, wobei der Hinterraum 45 durch eine Trennwand 46 druckdicht vom Zwischenraum 41 getrennt ist. Infolge der Pumpe 42 stellt sich im Zwischenraum 41 ein angenähert gleichmäßiger Druck p₀ ein. Dieser von der Pumpe 42 erzeugte und aufrechterhaltene (Unter-)Druck po liegt in einem Bereich zwischen -0,01 bar und - 0,7 bar. Obwohl in dem Zwischenraum 41 ein angenähert gleicher Druck po herrscht, ergeben sich durch die erfindungsgemäß unterschiedlich gewählten Maschenweiten bzw. die sich hieraus ergebenden verschiedenen Strömungswiderstände der Metallgewebe 32, 37, 38 unterschiedliche Volumenströme V̇₁ bis V̇₃, die zu der gewünschten, örtlich differenzierten Absaugleistung oberhalb des Bereichs 29 führen.
Die Pumpe 42 verfügt ferner über zwei elektrische Leitungen 47, 48, die zur Energieversorgung sowie zur Kontrolle der Absaugleistung durch eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung dienen. Die Förderleistung der Pumpe 42 wird in der Regel von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Abhängigkeit von Flugparametern im jeweiligen Betriebszustand des Flugzeuges variiert. Als Flugparameter kommen zum Beispiel die Flughöhe, die Fluggeschwindigkeit, die Lufttemperatur, die Luftfeuchte sowie der Luftdruck in der Flughöhe in Betracht.
Bezugszeichenliste

1: Seitenleitwerk
2: Bereich (Seitenleitwerk)
3: Einrichtung
4: Vorraum
5: Spant
6: Hinterraum
7: Pumpe
8: Elektromotor
9: elektrische Leitung
10: elektrische Leitung
11: Saugleitung
12: Druckleitung
13: Luft (Vorraum), Luftströmung
14: Luftströmung (laminar)
15: Luftströmung (turbulent)
16: Perforationsschicht
17: Innenwand
18: Kammer
19: Kammer
20: Kammer
21: Bohrung (Perforationsschicht)
22: Steg
23: Steg
24: Düse
25: Düse
26: Düse
28: Seitenleitwerk
29: Bereich (Seitenleitwerk)
30: Vorrichtung
31: Perforationsschicht
32: Metallgewebe (luftdurchlässiges Flächengebilde)
33: Luftströmung
34: Unterkonstruktion
35: Querkante
36: Querkante
37: Metallgewebe
38: Metallgewebe
39: Bohrung (Perforationsschicht)
40: turbulente Luftströmung
41: Zwischenraum
42: Pumpe
43: Saugleitung
44: Druckleitung
45: Hinterraum
46: Trennwand
47: elektrische Leitung
48: elektrische Leitung
p0: Druck, Unterdruck
p1: Druck (Kammer 18)
p2: Druck (Kammer 19)
p3: Druck (Kammer 20)
V̇₁: Volumenstrom (Düse 24)
V̇₂: Volumenstrom (Düse 25)
V̇₃: Volumenstrom (Düse 26)

Claims

Vorrichtung (30) zur Verringerung des Luftwiderstands einer Anströmfläche eines Flugzeugs, wobei im Bereich der Anströmfläche zumindest bereichsweise mindestens ein luftdurchlässiges Flächengebilde angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das luftdurchlässige Flächengebilde - wenigstens zwei Metallgewebe (32, 37, 38) mit definiert abgestuften Maschenweiten aufweist, und - mit einer Absaugeinrichtung zusammenwirkt.
Vorrichtung (30) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Anströmfläche mindestens zwei luftdurchlässige Flächengebilde mit jeweils unterschiedlichen Strömungswiderständen angeordnet sind.
Vorrichtung (30) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallgewebe (32, 37, 38) des mindestens einen luftdurchlässigen Flächengebildes mit einer Edelstahllegierung und/oder mit einer Titanlegierung gebildet sind.
Vorrichtung (30) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Flächengebilde zumindest bereichsweise mit einer eine Vielzahl von Bohrungen (21, 39) aufweisenden Perforationsschicht (16, 31) bedeckt ist, wobei die Perforationsschicht (16, 31) mit einer Titanlegierung und/oder mit einer Edelstahllegierung gebildet ist.
Vorrichtung (30) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Flächengebilde und/oder die Perforationsschicht (31) mittels einer Unterkonstruktion (34) im Bereich der Anströmfläche befestigt sind.
Vorrichtung (30) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine Flächengebilde und/oder die Perforationsschicht (16, 31) im Wesentlichen stetig in eine Oberflächengeometrie der Anströmfläche einfügen.
Vorrichtung (30) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugeinrichtung eine Pumpe (42) ist, um in einem Bereich hinter dem mindestens einen Flächengebilde einen Unterdruck po zu erzeugen.
Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck po mittels einer Steuer- und/ oder Regeleinrichtung einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmfläche in einem Bereich (29) eines Seitenleitwerks (28), einer Tragfläche, einer Rumpfzelle und/oder eines Höhenleitwerks angeordnet ist.