DE102010033639A1

DE102010033639A1 - Zusatzklappenvorrichtung und aerodynamischer Körper aufweisend eine solche Zusatzklappenvorrichtung

Info

Publication number: DE102010033639A1
Application number: DE102010033639A
Authority: DE
Inventors: Markus Fischer; Carsten Weber
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-09
Also published as: US20130206918A1; WO2012016717A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zusatzklappenvorrichtung für die Modifikation des Profils eines aerodynamischen Körpers, insbesondere der Hinterkante des aerodynamischen Körpers. Die Zusatzklappenvorrichtung weist dabei zumindest zwei Zusatzklappen auf, die mittels einer Verstellvorrichtung zueinander gekoppelt verstellt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zusatzklappenvorrichtung für die Modifikation des Profils eines aerodynamischen Körpers, insbesondere der Hinterkante des aerodynamischen Körpers.
Es ist bekannt, dass Zusatzklappenvorrichtungen für die Variation eines Profils eines aerodynamischen Körpers eingesetzt werden. Insbesondere ist bekannt, diese Zusatzklappenvorrichtungen, bezogen auf die Strömungsrichtung um den aerodynamischen Körper im hinteren Bereich des aerodynamischen Körpers anzuordnen, um in diesem Bereich die Umströmung des aerodynamischen Körpers zu verändern. Die bekannten Zusatzklappenvorrichtungen dienen beispielsweise als Ruder zum Steuern eines Flugzeugs oder zur andersgearteten Beeinflussung der Umströmung des aerodynamischen Körpers, beispielsweise um einen höheren Widerstand zu erzeugen, wie dies bei Bremsklappen oder z. B. bei Flettnerklappen für Trimmbedingungen der Fall ist. Auch ist bereits vorgeschlagen worden, die Umströmung der Hinterkante dahin gehend zu verbessern, dass Klappen auf der Oberseite oder auf der Unterseite eines aerodynamischen Körpers in die Strömung ragen und dort Verwirbelungen erzeugen.
Beispielsweise ist in der US 6,565,045 B1 ein System offenbart, welches eine einzige kleine Zusatzklappe auf der Unterseite eines aerodynamischen Körpers vorsieht. Diese kann voll in die Umströmung ausgeklappt und über eine Mechanik wieder eingeholt werden. Die Beeinflussung der Strömung erfolgt dabei ausschließlich auf einer Seite, nämlich der Unterseite, bzw. der Druckseite des aerodynamischen Körpers. Ein ähnliches System ist auch der US 2003/0102410 A1 zu entnehmen. Aus der US 6,641,089 B2 ist eine Zusatzklappe bekannt, die um 180° klappbar ist. Damit ist eine Beeinflussung der Strömung entweder auf der Oberseite, also der Saugseite des aerodynamischen Körpers, oder der Unterseite, also der Druckseite des aerodynamischen Körpers möglich. Die Beeinflussung erfolgt dabei durch vollständiges ausklappen um ungefähr 90° mit Bezug auf die jeweilige Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Körpers.
Nachteilhaft bei allen bekannten Vorrichtungen ist es, dass diese in aktivierter Situation zu einem höheren Widerstand des aerodynamischen Körpers und damit zu einem höheren Kraftstoffverbrauch während des Fluges eines Flugzeugs führen können. Darüber hinaus ist bei bekannten aerodynamischen Körpern nachteilig, dass die kinematische Abströmbedingung am, bezogen auf die Strömungsrichtung, hinteren Ende des aerodynamischen Körpers Verwirbelungen mit sich bringen, die die Wirksamkeit des aerodynamischen Körpers insbesondere in Bezug auf dessen erzeugte Auftriebskräfte reduzieren. Dies wirkt sich beispielsweise dadurch aus, dass bei aerodynamischen Körpern in Form von Seitenrudern, Höhenrudern oder Tiefenrudern nicht die vollständige Fläche des aerodynamischen Körpers ihre aerodynamische Wirkung für die Steuerung eines Flugzeugs entfalten kann. Bei starren aerodynamischen Körpern kann aufgrund höherer aerodynamischer Verlustleistung durch die bekannten Zusatzklappen nicht die volle Steigleistung erzielt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zusatzklappenvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die voranstehend erläuterten Probleme bekannter Zusatzklappenvorrichtungen löst. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zusatzklappenvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die Effektivität eines aerodynamischen Körpers verbessert und gleichzeitig den Strömungswiderstand des aerodynamischen Körpers auf ein Minimum reduziert.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Zusatzklappenvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch einen aerodynamischen Körper mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 2. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Flugzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Zusatzklappenvorrichtung für die Modifikation des Profils eines aerodynamischen Körpers weist dabei zumindest eine erste Zusatzklappe und wenigstens eine zweite Zusatzklappe auf. Die erste Zusatzklappe weist eine erste Strömungs-Außenkontur und ein erstes Lagerungsmittel zur Lagerung der ersten Zusatzklappe in einer ersten Lagervorrichtung des aerodynamischen Körpers auf, mit welcher die erste Zusatzklappe relativ zum aerodynamischen Körper verstellbar ist. Die zweite Zusatzklappe weist eine zweite Strömungs-Außenkontur und ein zweites Lagerungsmittel zur Lagerung der zweiten Zusatzklappe in einer zweiten Lagervorrichtung des aerodynamischen Körpers auf, mit welcher die zweite Zusatzklappe relativ zum aerodynamischen Körper verstellbar ist. Weiter ist eine Verstellvorrichtung vorgesehen, die zur Koppelung der Verstellung der ersten Zusatzklappe mit der Verstellung der zweiten Zusatzklappe derart ausgeführt ist, dass die Verstellung der beiden Zusatzklappen in Bezug auf die Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers zumindest insgesamt entgegengesetzt zueinander gerichtet ist. Mit anderen Worten ist die Verstellvorrichtung derart ausgeführt, dass durch die Koppelung der beiden Zusatzklappen miteinander die eine Zusatzklappe auf der einen Seite des aerodynamischen Körpers und die andere Zusatzklappe auf der anderen Seite des aerodynamischen Körpers, bezogen auf dessen Tiefenrichtung während der Verstellung wirksam wird. Betrachtet man den aerodynamischen Körper in Bezug auf sein strömungswirksames Profil, so bewirkt die Kopplung der beiden Zusatzklappen mittels der Verstellvorrichtung eine Beeinflussung der Strömung auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers, also sowohl auf einer Saugseite, wie auch auf einer Druckseite des aerodynamischen Körpers. Bei der Koppelung durch die Verstellvorrichtung handelt es sich dabei vorteilhafterweise um eine Zwangskoppelung, sodass vorteilhafterweise gleichzeitig beide Zusatzklappen verstellt werden. Die Verstellung kann dabei sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch, bezogen auf die Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers erfolgen. Unabhängig vom Zeitpunkt und der genauen Endposition der Verstellung ist jedoch entscheidend, dass insgesamt beide Zusatzklappen verstellt werden und damit auch insgesamt auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers eine Beeinflussung der Strömung stattfindet.
Vorteilhafterweise ist weiter eine Ansteuervorrichtung vorgesehen, welche mit der Verstellvorrichtung verbunden ist und diese zur Verstellung der beiden Zusatzklappen ansteuert. Die Koppelung der Verstellung der beiden Zusatzklappen kann dabei sowohl mechanisch, als auch über diese Ansteuervorrichtung, beispielsweise mithilfe elektrischer Signale durchgeführt sein. Eine mechanische Koppelung ist beispielsweise mithilfe von Hebelkinematiken oder andersartigen mechanischen Getrieben denkbar. Solche mechanischen Getriebe können zentral angetrieben werden und über mechanische Verteiler, die Verstellkräfte an beide Zusatzklappen verteilen. Jedoch ist es auch möglich, dass nur eine der Zusatzklappen angetrieben wird und über weitere mechanische Getriebe, beispielsweise Stellglieder oder mechanische Hebel, ausgehend von der Verstellung der ersten Zusatzklappe weitere Zusatzklappen verstellt werden.
Unter der Verstellung der jeweiligen Zusatzklappe ist dabei zu verstehen, dass sich insbesondere die Strömungs-Außenkontur relativ zum aerodynamischen Körper verstellt. Eine Verstellung kann dabei sowohl eine Bewegung, insbesondere eine Rotation oder auch eine flexible Verformung der Strömungs-Außenkontur darstellen. Mit anderen Worten verändert sich auf diese Weise das für die Strömung wirksame Profil des aerodynamischen Körpers. insbesondere sind die Zusatzklappen dabei im hinteren Bereich, bezogen auf die Strömungsrichtung entlang der Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers an diesem angebracht. Im hinteren Bereich, vorzugsweise am Ende des aerodynamischen Körpers, kann somit auf diese Weise das Profil desselben variiert werden. Das bedeutet, dass durch das Verstellen der Zusatzklappen die Hinterkante des aerodynamischen Körpers verbreitert wird, bzw. aufgeweitet wird. Dies verbessert die Abflussbedingungen der Strömung von dem aerodynamischen Körper, so dass eine geringere Wirbelbildung erfolgt und somit die Effektivität des aerodynamischen Körpers, bezogen auf seine Steuereigenschaften und/oder auf seine Auftriebseigenschaften verbessert wird.
Wird eine erfindungsgemäße Zusatzklappenvorrichtung bei einem aerodynamischen Körper eingesetzt, welcher selbst als Steuerruder, beispielsweise als Seitenruder, als Tiefenruder oder als Höhenruder eines Flugzeugs zum Einsatz kommen soll, so kann durch die erhöhte Effektivität eine geringere Fläche des aerodynamischen Körpers realisiert werden. Die geringere Fläche geht mit einem geringeren Luftwiderstand insbesondere während des Reiseflugbetriebs, aber auch mit einem geringeren Gewicht und damit verringerten Treibstoffkosten während des Betriebs eines Flugzeugs einher. Darüber hinaus ist durch die Verstellvorrichtung die Zusatzklappenvorrichtung während eines Reisefluges in Positionen bewegbar, welche möglichst wenig Widerstand, bzw. vorteilhafterweise keinen zusätzlichen Widerstand über den des aerodynamischen Körpers hinaus erzeugen. Die Zusatzklappenvorrichtungen dienen somit einer Verbesserung der Aerodynamik des entsprechenden aerodynamischen Körpers nur wenn dies notwendig ist.
Das jeweilige Lager mit der jeweiligen Zusatzklappe ist dabei an die jeweilige Lagervorrichtung des aerodynamischen Körpers angepasst. So ist es möglich, dass die Lagerungsmittel aller Zusatzklappen zueinander identisch sind. Jedoch ist es auch denkbar, dass unterschiedliche Lagerungsmittel zum Einsatz in unterschiedlichen Lagervorrichtungen im Zusammenspiel zwischen der Zusatzklappenvorrichtung und dem aerodynamischen Körper zum Einsatz kommen. Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen einer beweglichen Lagerung und einer Festlagerung. Insbesondere bei Zusatzklappen, deren Strömungs-Außenkontur mit der Zusatzklappe beispielsweise mittels Materialflexibilität der Zusatzklappe verstellbar ist, kann insbesondere eine feste Lagerung vorteilhaft sein. Diese kann z. B. als feste Einspannung in einer Lagervorrichtung des aerodynamischen Körpers erfolgen, so dass die Verstellung zumindest abschnittsweise durch die flexible Ausgestaltung der Zusatzklappe selbst erfolgt. Für materialtechnisch steifere Zusatzklappen kann es vorteilhaft sein, wenn die Lagervorrichtung im aerodynamischen Körper als Rotationslager ausgebildet ist, welches insbesondere eine Lagerachse definiert. Das Lagerungsmittel ist in einem solchen Fall beispielsweise ein Kugelgelenk oder ein Anbindungsabschnitt mit z. T. rundem Querschnitt, welcher in entsprechende Aufnahmen in einer Lagervorrichtung im aerodynamischen Körper eingesetzt werden kann. Jedoch sind auch andere Lagerformen, wie beispielsweise Scharniergelenke oder ähnliches im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Lagervorrichtung und die Verstellvorrichtung zumindest teilweise zusammenfallen. Zum Beispiel bei der Verwendung von Hebelkinematiken für die Verstellung der Zusatzklappen können die gelenkigen Anbindungen der einzelnen Hebel an die jeweilige Zusatzklappe gleichzeitig Teile der Lagervorrichtung bilden.
Durch das Vorsehen einer Zusatzklappenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Effektivität des aerodynamischen Bauteils zu vergrößern. Insbesondere bei aerodynamischen Körpern, welche als Rudervorrichtungen, beispielsweise als Seitenruder, als Höhenruder oder als Tiefenruder eines Flugzeugs, zum Einsatz kommen, kann durch die Erhöhung der Effektivität, also der aerodynamischen Wirksamkeit, die Größe des Bauteils um bis zu 6% verringert werden. Dies reduziert neben dem Gewicht des aerodynamischen Körpers auch dessen Widerstand gegen Strömung.
Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist dabei, dass die Verstellvorrichtung die beiden Zusatzklappen miteinander koppelt, so dass beide zumindest insgesamt entgegengesetzt zueinander verstellt werden. Das bedeutet also, dass beide Seiten eines aerodynamischen Körpers mit Bezug auf dessen Tiefenrichtung beeinflusst werden. Im Gegensatz zu bekannten Zusatzklappenvorrichtungen, welche nur auf einer einzigen Seite des entsprechenden aerodynamischen Körpers wirken, ermöglicht die vorliegende Erfindung in einfacher Weise eine Beeinflussung der Strömung auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers. Auf diese Weise ist es möglich, eine effiziente Beeinflussung der Strömung zu erzielen, ohne dass die entsprechende Zusatzklappe besonders weit in die Umströmung des aerodynamischen Körpers hineinragen muss. Insbesondere wird auf diese Weise eine Steigerung der Effizienz der Beeinflussung der Strömung erzielt, wobei jedoch gleichzeitig vermieden wird, dass der Strömungswiderstand des entsprechenden aerodynamischen Körpers zu stark erhöht wird. Eine erfindungsgemäße Zusatzklappenvorrichtung bietet somit einen effizienten Kompromiss zwischen wirksamer Strömungsbeeinflussung und möglichst minimaler Erhöhung des Strömungswiderstandes des aerodynamischen Körpers. Darüber hinaus kann auf diese Weise die Hinterkante eines aerodynamischen Körpers verbreitert werden, während durch die Verstellung auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers die Natur des Profils, insbesondere bei symmetrischer Verstellung der Zusatzklappen, erhalten bleibt.
Es ist besonders darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Qualität der Zusatzklappenvorrichtung nicht nur bei bewegbaren aerodynamischen Körpern, also bei solchen, die beispielsweise der Steuerung eines Flugzeugs dienen, zum Einsatz gebracht werden kann. Sondern es ist auch möglich, dass die Zusatzklappenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an einem aerodynamischen Körper anbringbar ist, welcher mit Relation auf ein Flugzeug unbewegbar ist. In einem solchen Fall kann in besonderen Flugzeugsituationen ohne große Erhöhung des Strömungswiderstandes beispielsweise die Stabilität der Umströmung und damit die Stabilität des gesamten Flugzeugs verbessert werden. In besonderen Fällen kann auf diese Weise sogar der Einsatz von Steuereingriffen in die Flugzeugsteuerung verhindert werden, da durch die erhöhte Stabilität des Flugzustandes solche nicht notwendig werden. Darüber hinaus kann der auf diese Weise der Auftrieb des aerodynamischen Körpers verbessert werden, was sich positiv auf die Steifleistung eines derart ausgestatteten Flugzeuges auswirkt.
Beim Einsatz der vorliegenden Erfindung für aerodynamische Körper, welche relativ zu einem Flugzeug bewegbar sind, also beispielsweise Steuervorrichtungen in Form von Seitenrudern, Tiefenrudern oder Höhenrudern, ist es vorteilhaft die vorliegende Erfindung zu verwenden, da insbesondere ein geringerer Ruderausschlag zu einem ausreichenden Steuerverhalten des Flugzeugs führt. Damit kann nicht nur Gewichtseinsparung und Reduktion des Strömungswiderstandes des aerodynamischen Körpers als solches erzielt werden, sondern darüber hinaus durch einen geringeren Ruderausschlag auch während der Steuerphase eines Flugzeugs, der entsprechende Strömungswiderstand auf ein Minimum reduziert werden. Damit wird der Einsatz der bereits verkleinerten aerodynamischen Körper ebenfalls effizienter.
Das Vorsehen erfindungsgemäßer Zusatzklappen an einem mit Bezug auf ein Flugzeug festen aerodynamischen Körper hat eine Verbesserung des Auftriebsverhaltens zur Folge. So ist beispielsweise während des Startvorgangs und in der anschließenden Steigphase eine verbesserte Steigleistung erzielbar. Es ist also möglich, dass durch die Verwendung erfindungsgemäßer Zusatzklappenvorrichtungen kleinere Flügel mit entsprechend geringerem Gewicht zum Einsatz kommen können. Durch die Verbesserung der Steigleistung können beispielsweise im Landeanflug bei kleineren Flügelgeometrien die notwendigen Auftriebskräfte erzielt werden, sodass beispielsweise kleinere Landeklappen möglich sind.
Die Verringerung der Größe von festen oder beweglichen aerodynamischen Körpern mit Bezug auf das Flugzeug hat neben einer Gewichtseinsparung direkt am aerodynamischen Körper zur Folge, dass auch damit verbundene Elemente kleiner und damit leichter ausgebildet werden können. Bei bewegbaren aerodynamischen Körpern können auf diese Weise die entsprechenden Lagervorrichtungen und Verstellkinematiken kleiner und leichter ausgebildet sein. Bei bewegbaren sowie bei festen aerodynamischen Körpern können die entsprechenden Lagervorrichtungen und die entsprechenden Verbindungselement wie Bolzen, Nieten oder Schrauben ebenfalls kleiner und damit leichter ausgeführt sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein aerodynamischer Körper zur Anbringung an einem Flugzeug mit einer ersten Bauteilkontur, die eine erste Strömungs-Außenkontur bildet und einer zweiten Bauteilkontur, die eine zweite Strömungs-Außenkontur bildet. Die Ausrichtung der beiden Strömungs-Außenkonturen mit Bezug auf die Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers ist zueinander entgegengesetzt. Die beiden Strömungs-Außenkoturen sind dabei im Einsatz des aerodynamischen Körpers, je nach dessen Position insbesondere als Druckseite und Saugseite wirksam.
Weiter ist zumindest eine Zusatzklappenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die derart an dem aerodynamischen Körper angeordnet ist, dass die erste Strömungs-Außenkontur der ersten Zusatzklappe zusammen mit der ersten Bauteilkontur die erste Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Körpers bildet. Weiter bildet die zweite Strömungs-Außenkontur der zweiten Zusatzklappe zusammen mit der zweiten Bauteilkontur die zweite Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Körpers. Auf diese Weise ist eine Korrelation der jeweiligen Zusatzklappe mit der jeweiligen Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Körpers erfolgt. Durch die Koppelung mittels einer Verstellvorrichtung der beiden Zusatzklappen können auf diese Weise durch die Verstellung der jeweiligen Zusatzklappen die Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Körpers auf beiden Seiten beeinflusst werden. Damit besteht die direkte Korrelation zwischen der Verstellung der Strömungs-Außenkontur der jeweiligen Zusatzklappe und der Beeinflussung der Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Körpers. Die voranstehend ausführlich erläuterten Vorteile in Bezug auf eine erfindungsgemäße Zusatzklappenvorrichtung kommen damit einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper in gleicher Weise zugute. Auch hier wird nochmals darauf hingewiesen, dass es sich bei dem aerodynamischen Körper sowohl um einen, mit Bezug auf ein Flugzeug festen, wie auch um einen bewegbaren aerodynamischen Körper handeln kann. Dieser kann beispielsweise eine Steuervorrichtung, wie z. B. ein Seitenruder, ein Höhenruder oder ein Tiefenruder sein. Jedoch ist es auch möglich, dass es sich um feststehende Tragflächen, wie beispielsweise den Hauptflügel, handelt.
Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper die Zusatzklappenvorrichtung derart an dem aerodynamischen Körper angeordnet ist, dass die beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen in Strömungsrichtung jeweils den hinteren Randabschnitt der ersten Strömungs-Außenkontur sowie der zweiten Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Bauteils bilden. Unter hinterem Randabschnitt ist damit der Abschnitt zu verstehen, der mit Bezug auf die Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers in Strömungsrichtung an dessen äußerstem Ende liegt. Üblicherweise ist dieser hintere Randabschnitt eines aerodynamischen Körpers derart ausgebildet, dass er in einer relativ scharfkantigen Kante zusammenläuft. In diesem Bereich, insbesondere am kantenförmigen Ende in Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers, also in Strömungsrichtung um den aerodynamischen Körper, ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Zusatzklappenvorrichtung besonders vorteilhaft, da dort dessen Effizienzsteigerung am stärksten zum Tragen kommt.
So kann auf diese Weise die Hinterkante des aerodynamischen Körpers verändert werden. Die Veränderung der Hinterkante erzielt direkt eine Veränderung der Abflussbedingung der Strömung von dem aerodynamischen Körper. Die Veränderung des Abflusses verändert damit auch die Umströmbedingungen des aerodynamischen Körpers, so dass dessen aerodynamische Wirksamkeit, beispielsweise dessen Steuereffektivität verbessert wird. Durch das Verwenden einer erfindungsgemäßen Zusatzklappenvorrichtung wird die jeweilige Zusatzklappe auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers verstellt. Damit erfolgt auch eine Beeinflussung der Strömung auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers, so dass ein einseitiges Ändern der Strömung und damit eine ungünstige Strömungsverteilung um den aerodynamischen Strömungskörper herum unterbleibt.
Vorteilhafterweise bilden die Zusatzklappen der erfindungsgemäßen Zusatzklappenvorrichtung dabei den aerodynamischen und/oder auch den strukturellen Abschluss des aerodynamischen Körpers an dessen Hinterkante. Dabei ist selbstverständlich zu berücksichtigen, dass aufgrund mechanischer und/oder konstruktiver Notwendigkeiten eine kleine Distanz zwischen der Hinterkante der jeweiligen Zusatzklappe mit Bezug auf die Strömungsrichtung und der Hinterkante des aerodynamischen Körpers mit Bezug auf die Strömungsrichtung existieren kann.
Es ist möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper die hinteren Randabschnitte weniger als 40% der gesamten jeweiligen Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Körpers ausmachen. Insbesondere in diesem Bereich ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Zusatzklappen besonders vorteilhaft, da dort mit bereits geringen Verstellausschlägen der jeweiligen Zusatzklappe eine Effizienzsteigerung bei der Umströmung des aerodynamischen Körpers erzielt werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Zusatzklappenvorrichtung bei einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper derart ausgebildet ist, dass zumindest eine der Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen 1 bis 2% der entsprechenden Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Bauteils bildet. Dies reduziert die Größe der Zusatzklappen auf ein Minimum. Damit wird auch das Gewicht der Zusatzklappenvorrichtung auf ein Minimum reduziert. Auch die Größe der Beeinflussungsfläche reduziert sich auf ein Minimum, sodass der Widerstand, welcher entgegen der Strömung um den aerodynamischen Körper herum erzeugt wird, ebenfalls auf ein Minimum reduziert wird. Eine solche erfindungsgemäße Anordnung der Zusatzklappenvorrichtung bringt somit eine minimale Gewichtssteigerung durch das Vorsehen der Zusatzvorrichtung mit sich, wobei gleichzeitig eine möglichst hohe Effizienz der Zusatzklappenvorrichtung mit Bezug auf die Beeinflussung der Umströmung des aerodynamischen Körpers erzielbar ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn zwischen den Tangenten an die jeweilige Strömungs-Außenkontur der beiden Zusatzklappen und der entsprechenden Bauteilkontur in den durch die Lagervorrichtungen gebildeten Lagerachsen ein erster Anstellwinkel und ein zweiter Anstellwinkel definiert werden und die beiden Anstellwinkel kleiner als 45° sind. Dies hat zur Folge, dass die maximalen Anstellwinkel, die durch die Verstellung der Strömungs-Außenkontur, also der beiden Zusatzklappen erzielt werden können, einerseits eine effektive Beeinflussung der Umströmung des aerodynamischen Körpers erzielt werden kann, andererseits jedoch eine unverhältnismäßig hohe Erhöhung des Strömungswiderstandes des aerodynamischen Körpers vermieden wird. Vorteilhafterweise sind die jeweiligen maximalen Anstellwinkel zueinander identisch, sodass auf diese Weise eine symmetrische Verstellung der jeweiligen Zusatzklappe in Bezug auf den aerodynamischen Körper erfolgt. Insbesondere ist es möglich, dass die maximalen Anstellwinkel in einem Bereich von 5 bis 10° liegen. Auch kleinere maximale Anstellwinkel von maximal 5° sind dabei denkbar.
Bei einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper kann es vorteilhaft sein, wenn die beiden auf die Strömungsrichtung bezogenen Hinterkanten der beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen mit einer gemeinsamen Abdeckvorrichtung verbunden sind, die derart ausgestaltet ist, dass eine durch die Verstellung der beiden Strömungs-Außenkonturen der Zusatzklappen entstehende Öffnung abgedeckt wird. Diese Öffnung befindet sich durch die erfindungsgemäße Anordnung der Zusatzklappen am aerodynamischen Körper an dessen Hinterkante. Mit anderen Worten öffnet sich durch die Verstellung der jeweiligen Zusatzklappe die Hinterkante des aerodynamischen Körpers und bildet eine Öffnung, die, je nach Ausgestaltung des aerodynamischen Körpers, bis ins Innere des aerodynamischen Körpers reicht. Um einerseits zu verhindern, dass Verschmutzungen in den aerodynamischen Körper, insbesondere in bewegbare Bauteile, beispielsweise zur Verstellung der Zusatzklappen, gelangen können, und um darüber hinaus die Umströmung noch weiter zu verbessern, ist eine erfindungsgemäße Abdeckvorrichtung vorgesehen. Diese kann beispielsweise aus flexiblem Material, insbesondere in Form einer flexiblen Haut oder Membran ausgebildet sein, welche im vollkommen eingeklappten Zustand der Zusatzklappen sich zwischen diese legt. Während der Verstellung der Zusatzklappen, also beim Ausfahren der Zusatzklappen, kann diese flexible Haut in eine Position bewegt werden, in welcher sie die entstehende Öffnung automatisch abdeckt. Dabei spannt sich diese Haut vorteilhafterweise über die gesamte Öffnung und ist ausschließlich an den beiden Hinterkanten der Zusatzklappen in Strömungsrichtung befestigt. Auch andere Ausgestaltungsformen der Abdeckvorrichtung, beispielsweise mittels Schiebern oder andersartigen mechanischen Elementen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper die Verstellung der ersten Strömungskontur der ersten Zusatzklappe um eine erste Lagerachse einer Rotationslagervorrichtung und die Verstellung der zweiten Strömungs-Außenkontur der zweiten Zusatzklappe um die zweite Lagerachse einer entsprechenden Rotationslagervorrichtung symmetrisch zu der Tangente an die Mittellinie des aerodynamischen Körpers im Schnittpunkt mit der Verbindungsgeraden der beiden Lagerachsen erfolgen. Mit anderen Worten erstreckt sich die Mittellinie des aerodynamischen Körpers entlang der Tiefenrichtung desselben. Je nach Art der Kontur des aerodynamischen Bauteils kann es sich bei der Mittellinie M bereits um die Tangente handeln, insbesondere, wenn es sich um ein symmetrisches Profil des aerodynamischen Körpers handelt. Bei asymmetrischen Profilen, beispielsweise bei fest stehenden aerodynamischen Körpern kann es sich bei der Mittellinie M auch um eine gekrümmte Linie handeln, sodass die Tangente an diese gekrümmte Mittellinie ausschlaggebend für die Symmetriebetrachtung dieser Ausführungsform ist.
Ein symmetrisches Verstellen der beiden Zusatzklappen hat zur Folge, dass auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers in identischer Weise die Beeinflussung der Umströmung stattfindet. Dabei sind vorteilhafterweise auch die Verstellvorrichtungen zur Koppelung der beiden Verstellungen und eventuell vorgesehene mechanische Getriebemittel zwischen den Zusatzklappen, zu deren mechanischer Verstellung symmetrisch ausgebildet, sodass die Komplexität der Zusatzklappenvorrichtung und damit des aerodynamischen Körpers im Rahmen der vorliegenden Erfindung reduziert wird.
Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn der Übergang der beiden Strömungs-Außenkonturen des aerodynamischen Bauteils zwischen der jeweiligen Bauteilkontur und der jeweiligen Strömungs-Außenkontur der beiden Zusatzklappen stetig und mit stetiger Steigerung verläuft. Die stetige Ausbildung eines solchen Überganges hat zur Folge, dass keine Kante entsteht, die in die Strömung entlang des aerodynamischen Körpers ragt und damit den Strömungswiderstand des aerodynamischen Körpers unverhältnismäßig erhöhen würde. Die Ausbildung des Überganges stetig und mit stetiger Steigerung ermöglicht es, dass dieser Übergang nicht nur ohne Kante, sondern darüber hinaus im Wesentlichen gleichmäßig im Verlauf erfolgt. Auf diese Weise werden insbesondere Krümmungswechsel im Bereich des Überganges vermieden und die Umströmung noch weiter verbessert. Dieses ist insbesondere damit zu erreichen, dass die Verstellung der jeweiligen Zusatzklappe zumindest im Bereich der Lagerung der Zusatzklappe am aerodynamischen Körper durch eine flexible Ausgestaltung des Materials der Lagervorrichtung und/oder der jeweiligen Zusatzklappe ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der Krümmungsverlauf des aerodynamischen Körpers im Bereich des Überganges aufgenommen werden und langsam aber stetig in einen neuen Krümmungsverlauf der verstellten Zusatzklappe überführt werden. Mit anderen Worten folgt das Profil der Zusatzklappe auch im verstellten Zustand der Natur des Profils der Strömungs-Außenkontur des aerodynamischen Körpers.
Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper die Zusatzklappenvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass der durch die Verstellung der beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen maximal erzielbare Abstand ist, zwischen den auf die Strömungsrichtung bezogenen Hinterkanten der beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen im Bereich zwischen 0,4 und 2% der Streckung des aerodynamischen Bauteils entlang der dessen Tiefenrichtung liegt. Mit anderen Worten, es ist auf diese Weise möglich, besonders geringe Änderungen der Dimensionierung der Hinterkante des aerodynamischen Körpers zu erzielen. Diese resultieren zum einen in einer ausreichenden Effektivität der Beeinflussung der Umströmung, insbesondere der Verbesserung des Abströmverhaltens an der Hinterkante des aerodynamischen Körpers, zum anderen in einem minimalen zusätzlichen Widerstand durch den Einsatz der verstellten, also der ausgefahrenen Zusatzklappen der Zusatzklappenvorrichtung. Mit anderen Worten ist somit einerseits durch besonders kleine und kompakte Zusatzklappen und damit eine besonders leichte und einfache Ausführung der Zusatzklappenvorrichtung eine ausreichend effiziente Beeinflussung der Strömung, insbesondere der Abströmung an der Hinterkante des aerodynamischen Körpers möglich.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper die Zusatzklappenvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass der durch die Verstellung der beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen maximal erzielbarer Abstand zwischen den auf die Strömungsrichtung bezogenen Hinterkanten der beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen im Bereich des 2 bis 10fachen des durch die Verstellung der beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen minimal erzielbaren Abstand zwischen den auf die Strömungsrichtung bezogenen Hinterkanten der beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen liegt. Dies ist vorteilhaft, da aus technischen, insbesondere fertigungstechnischen Gründen die Hinterkante eines aerodynamischen Körpers nie vollständig scharfkantig ist. Je nach Dimensionierung des aerodynamischen Körpers sind dabei Hinterkanten üblich, die eine minimale Ausprägung in Dickenrichtung des aerodynamischen Körpers aufweisen, die im Bereich um 7 mm liegt. Je nach Größe des aerodynamischen Körpers sind auch kleinere oder größere Dimensionierungen der Hinterkante des aerodynamischen Körpers möglich. So sind beispielsweise auch 5 oder 6 mm oder auch 8 oder 9 mm denkbar.
Durch eine erfindungsgemäße Zusatzklappenvorrichtung wird die Distanz, also die Abmessung der Hinterkante vergrößert. Dies kann vorteilhafterweise kontinuierlich bis zu einem Maximalwert erfolgen. Insbesondere wird dabei eine Vergrößerung der Hinterkante auf das 2 bis 10fache des minimalen, also des eingeklappten Zustandes der Zusatzklappen erzeugt. Vorteilhafterweise ist es bei einer Ausgangsdistanz von 7 mm bei eingefahrenen Zusatzklappen denkbar, dass die Zusatzklappen sich in eine Position verstellen lassen, wo an deren beiden Hinterkanten eine Distanz vorliegt, die im Bereich um 28 mm liegt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn es sich bei dem aerodynamischen Körper um ein relativ zu einer Befestigungsstruktur eines Flugzeuges bewegbaren aerodynamischen Körper handelt. Wie bereits einleitend erläutert, ist dies eine der Möglichkeiten der Verwendung eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers, bzw. einer erfindungsgemäßen Zusatzklappenvorrichtung. Ein solcher bewegbarer aerodynamischer Körper kann beispielsweise ein Seitenruder, ein Höhenruder oder ein Querruder sein, welches zur Steuerung des Flugzeugs Einsatz findet. Der Vorteil durch den Einsatz in erfindungsgemäßer Weise für einen derartigen bewegbaren aerodynamischen Körper ist die Reduktion von dessen Größe und damit die Reduktion von dessen Gewicht. Darüber hinaus wird die Effizienz in der aerodynamischen Wirkung des bewegbaren Bauteils vergrößert, so dass vorteilhafterweise geringere Ausschläge mit geringerem Strömungswiderstand die gleiche aerodynamische Wirkung, beispielsweise die gleiche Steuerwirkung erzielen.
Auch ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen aerodynamischen Körper die Verstellvorrichtung der Zusatzklappenvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass der Verstellungszustand der beiden Strömungs-Außenkonturen der beiden Zusatzklappen mit dem Bewegungszustand des aerodynamischen Körpers gekoppelt ist. Handelt es sich also bei dem aerodynamischen Körper um einen relativ zu einem Flugzeug bewegbaren aerodynamischen Körper, so kann durch die Kopplung, beispielsweise durch die mechanische Kopplung, der Verstellung des aerodynamischen Körpers auch die Verstellung der Zusatzklappen angesteuert werden. Auf diese Weise ist eine dezentrale Steuerung verwirklichbar, welche keine zusätzlichen Steuerbefehle für die Verstellung der Zusatzklappen benötigt. Damit ist ein besonders einfaches, wenig fehleranfällig und leicht herzustellendes System zur Verfügung gestellt. Die Kopplung kann beispielsweise mechanisch erfolgen, so dass eine Hebelkinematik zur Verstellung der Zusatzklappen mit einer Hebelkinematik zur Verstellung des aerodynamischen Körpers mechanisch gekoppelt ist, so dass durch die Aktuierung der Hebelkinematik des aerodynamischen Körpers auch eine Aktuierung der Hebelkinematik der Zusatzklappen erfolgt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Flugzeug aufweisend zumindest einen aerodynamischen Körper, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Die dabei verwendeten Begrifflichkeiten an „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen sich dabei auf eine Ausrichtung der Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen:
1a Im Querschnitt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers
1b Die Ausführungsform der 1a mit verstellten Zusatzklappen
2 Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers
3 Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers
4 Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers
5a Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers
5b Die Ausführungsform gemäß 5a mit verstellten Zusatzklappen
6a Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers
6b Die Ausführungsform von 6a mit verstellten Zusatzklappen
7 Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers
8 Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers.
Die 1a und 1b zeigen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers 100. Die 1a und 1b unterscheiden sich durch den jeweiligen Verstellzustand der beiden Zusatzklappen 20 und 40. 1a zeigt den Zustand, in welchem die beiden Zusatzklappen 20 und 40 vollkommen eingeklappt, also an die Strömungs-Außenkontur 122a und 142a des aerodynamischen Körpers 100 angepasst befinden. 1b zeigt den vollständig ausgeklappten Zustand der Zusatzklappen 20 und 40, also den Zustand, in welchem die beiden Zusatzklappen 20 und 40 die größte Wirkung auf die Aerodynamik um den aerodynamischen Körper 100 ausüben.
Die Zusatzklappenvorrichtung 10 bei einem aerodynamischen Körper 100 dieser Ausführungsform weist zwei Zusatzklappen 20 und 40 auf. Diese sind über eine Verstellvorrichtung 60 miteinander gekoppelt. Die Verstellvorrichtung 60 in den 1a und 1b ist schematisch dargestellt. Sie kann beispielsweise über Hebelkinematiken oder Teleskopmechaniken ausgebildet sein, so dass eine Verstellung der beiden Zusatzklappen 20 und 40 erfolgen kann, wie sie beispielsweise in einer Position in 1b dargestellt ist.
Jede der beiden Zusatzklappen 20 und 40 weist eine Strömungs-Außenkontur 22 und 44 auf, welche der Seite des aerodynamischen Körpers 100 zugewandt ist, welche von Luftströmungen umströmt wird. Gleichzeitig weist der aerodynamische Körper 100 ebenfalls eine erste Bauteilkontur 122 und eine zweite Bauteilkontur 142 auf, die jeweils eine Strömungs-Außenkontur 122a und 142a für den gesamten aerodynamischen Körper 100 aufweisen. Die Strömungs-Außenkontur 122a und 142a des aerodynamischen Körpers 100 wird also durch dessen jeweilige Bauteilkontur 122 bzw. 142 sowie durch die Strömungs-Außenkonturen 22 und 42 der beiden Zusatzklappen 20 und 40 gebildet.
Jede der Zusatzklappen 20 und 40 ist mithilfe von Lagermitteln 24a und 44a in Lagervorrichtungen 24 und 44 angeordnet. Bei der Ausführungsform der 1a und 1b handelt es sich bei den Lagervorrichtungen um Gelenklager, in welche gelenkig ein Lagermittel 22a und 42a in Form eines im Wesentlichen teilweise runden Querschnitts der Zusatzklappen 20 und 40 eingebracht ist. Diese definieren eine Lagerachse, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Zeichnungsebene der 1a und 1b erstreckt. Um diese Lagerachse kann in den Lagervorrichtungen 24 und 44 die jeweilige Zusatzklappe 20 und 40 rotiert werden, so dass sie sich zwischen verschiedenen Positionen verstellen lässt. Die Rotation kann dabei in den beiden Extremfällen zu einem vollständigen Einfahren, also Einklappen der Zusatzklappen 20 und 40 gemäß 1a führen, oder auch in ein im Wesentlichen vollständiges Ausklappen der Zusatzklappen 20 und 40, wie dies in 1b gezeigt ist.
Unabhängig von der tatsächlichen Verstellsituation der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 wird die Strömungs-Außenkontur 122a und 142a des aerodynamischen Körpers 100 immer durch die Kombination der Bauteilkontur 122 und 142 mit der Strömungs-Außenkontur 22 und 42 der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 gebildet. Durch diese strikte Definition ist das Profil des aerodynamischen Körpers 100 durch die Verstellung der Zusatzklappen 20 und 40 variierbar. Damit kann nicht nur das Profil variiert werden, sondern darüber hinaus auch die Aerodynamik des aerodynamischen Körpers 100 verändert werden.
Bei der Ausführungsform der 1a und 1b sind die Zusatzklappen 20 und 40 in dessen hinterem Randbereich RA angeordnet. Gerade in diesem Bereich ist die Beeinflussungseffizienz der Zusatzklappen 20 und 40 besonders hoch, da dort die Abströmung der Umströmung des aerodynamischen Körpers 100 beeinflusst werden kann. Mit anderen Worten kann die Zusatzklappenvorrichtung 10 durch das Verstellen der beiden Zusatzklappen 20 und 40 die Abströmung variieren. So befindet sich der aerodynamische Körper 100 in 1a in einem unbeeinflussten Zustand, während die 1b den Zustand in maximaler Beeinflussung durch die Zusatzklappen 20 und 40 darstellt.
Wie den 1a und 1b gut zu entnehmen ist, wird durch die Verstellung der beiden Zusatzklappen 20 und 40 die Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 verbreitert. Sie verbreitert sich zwischen einem Minimalwert, welcher in 1a dargestellt ist und ist einem Maximalwert, welcher in 1b dargestellt ist. Durch das Verbreitern der Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 wird das Abströmverhalten der Umströmung des aerodynamischen Körpers 100 verbessert, so dass dessen aerodynamische Wirksamkeit erhöht wird.
Der aerodynamische Körper 100 kann beispielsweise eine Steuervorrichtung, z. B. ein Seitenruder, ein Höhenruder oder ein Tiefenruder sein. In einem solchen Fall kann durch die Erhöhung der aerodynamischen Wirksamkeit des aerodynamischen Körpers 100 die Gesamtfläche und damit das Gesamtgewicht des aerodynamischen Körpers reduziert werden. Die Zusatzklappenvorrichtung 10 ist dabei vorteilhafterweise nur im hinteren Randabschnitt RA des aerodynamischen Körpers 100 angeordnet. Dieser hintere Randabschnitt RA ist vorteilhafterweise kleiner als 40%, insbesondere kleiner als 2%, bezogen auf die gesamte Erstreckung des aerodynamischen Körpers 100 in Tiefenrichtung.
Die erfindungsgemäße Zusatzklappenvorrichtung 10 wird vorteilhafterweise wie folgt verwendet: Bei einem aerodynamischen Körper 100, welcher keiner Beeinflussung bedarf, also beispielsweise bei einem aerodynamischen Körper 100 in Form eines Seitenruders, welcher nicht zur Steuerung benötigt wird, also im unausgeschlagenen Zustand vorliegt, befindet sich die Zusatzklappenvorrichtung 10 in vollkommen eingefahrenem Zustand, wie dieser beispielsweise in 1a dargestellt ist. In diesem Zustand ist die Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 nicht aufgeweitet und es findet damit auch keine Beeinflussung der Umströmung durch die Zusatzklappenvorrichtung 10 statt.
Wird das Seitenruder in Form des aerodynamischen Körpers 100 ausgelenkt um beispielsweise ein Steuersignal umzusetzen, so wird daran folgend oder gleichzeitig auch eine Verstellung der Zusatzklappen 20 und 40 durchgeführt. Die Verstellung hängt vorteilhafterweise von der Verstellgröße, also von der Auslenkung des aerodynamischen Körpers 100 in Form eines Ruders ab. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass je stärker das Ruder ausgelenkt wird, umso stärker auch die Verstellung der Zusatzklappen 20 und 40 durchgeführt wird. Die 1b zeigt einen solchen Zustand der verstellten Zusatzklappen 20 und 40, vorteilhafterweise in dessen maximalen Ausschlag. Die Ausführungsform der 1b zeigt eine symmetrische Auslenkung der beiden Zusatzklappen 20 und 40, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf eine solche symmetrische Auslenkung eingeschränkt ist. Vielmehr sind auch asymmetrische Auslenkungen denkbar.
Entscheidend für die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Zusatzvorrichtung 10 ist es, dass die beiden Zusatzklappen 20 und 40 sich einander entgegengesetzt in Bezug auf die Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers 100 verstellen lassen. Damit beeinflussen sie die Umströmung auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers 100, also auf dessen Druckseite, wie auch auf dessen Saugseite, und bilden damit eine verstellbare Strömungs-Außenkontur 122a und 142a auf beiden Seiten des aerodynamischen Körpers 100.
In 2 ist eine Variante der Ausführungsform der 1 dargestellt, nämlich in einer Form, in welcher die Verstellung der beiden Zusatzklappen 20 und 40 in asymmetrischer Weise erfolgt. Bei dieser Ausführungsform ist die untere Zusatzklappe 40 weniger weit verstellt, als dies bei der oberen Zusatzklappe 20 der Fall ist. Diese asymmetrische Auslenkung kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn asymmetrische Beeinflussung durch asymmetrisches Steuerverhalten der jeweiligen aerodynamischen Körper 100 erwünscht ist. Während Seitenruder üblicherweise in beide Richtungen ähnliche Steuerbefehle ausführen sollen um ein Flugzeug nach links oder nach rechts zu drehen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Höhenruder oder die Tiefenruder asymmetrische Zusatzklappenvorrichtungen 10 aufweisen, um asymmetrische Steuerbefehle für die jeweilige Auslenkung des aerodynamischen Körpers 100 aerodynamisch unterstützen zu können. Die Symmetrie der Verstellung der Zusatzklappen 20 und 40 ist dabei bezogen auf die Mittellinie M in Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers 100. Dies ist jedoch nur bei symmetrischen Strömungsprofilen des aerodynamischen Körpers 100 der Fall, in welchem die Tangente an die Mittellinie M im Schnittpunkt der Verbindung zwischen den beiden Lagervorrichtungen 44 und 42 mit dieser Mittellinie M zusammenfällt. Bei asymmetrischen Strömungsprofilen des aerodynamischen Körpers 100 ist die Tangente in diesem jeweiligen Schnittpunkt S ausschlaggebend, wie dies später noch erläutert wird.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers 100 dargestellt. Dieser unterscheidet sich dadurch, dass eine Variante der Zusatzklappenvorrichtung 10 zum Einsatz kommt. Nach dieser Variante sind die Zusatzklappen 20 und 40 mehrfach aufgeteilt. In diesem Fall sind drei einzelne Teile der jeweiligen Zusatzklappe 20 vorgesehen, welche miteinander gelenkig verbunden sind. Auf diese Weise kann die Verbreiterung der Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 besonders breit erfolgen, ohne dass die Strömungs-Außenkontur 22 und 42 der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 verlängert werden muss. Die gesamte Strömungs-Außenkontur 122a und 142a des aerodynamischen Körpers ist damit im Wesentlichen stetig und im Wesentlichen stetiger Steigung. Dies ermöglicht einerseits eine möglichst effiziente Aufweitung der Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 und ist gleichzeitig eine möglichst kompakte Ausführungsform der Zusatzklappenvorrichtung 10. Diese kann im äußersten Endbereich in Bezug auf die Strömungsrichtung in Bezug auf die Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers 100 angeordnet sein. Insbesondere ist dies in einem Bereich denkbar, der nur 2 bis 5% der gesamten Erstreckung des aerodynamischen Körpers 100 in dessen Tiefenrichtung ausmacht. Durch die mehrfach gelenkige Ausbildung der Zusatzklappen 20 und 40 kann trotz dieses sehr geringen geometrischen Abschnitts eine ausreichend weite Aufweitung der Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 erfolgen.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aerodynamischen Körpers 100 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform findet eine weitere Variante der Zusatzklappenvorrichtung 10 Einsatz. Diese Ausführungsform beruht auf einer flexiblen Materialausgestaltung der Zusatzklappen 20 und 40. Sie sind vorteilhafterweise mit einem ersten Lagermittel 24a und einem zweiten Lagermittel 44a ausgestattet, welches in einer festen Einspannung als Lagervorrichtung 24 bzw. Lagervorrichtung 44 am aerodynamischen Körper 100 befestigt ist. Auf diese Weise wird ein im Wesentlichen stetiger Übergang mit praktisch vollständig stetiger Steigung zwischen der Bauteilkontur 122 und 142 des aerodynamischen Körpers 100 und der Strömungs-Außenkontur 22 und 44 der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 ermöglicht. Damit reduziert sich der Strömungswiderstand in diesem Übergangsbereich auf ein Minimum, während gleichzeitig eine effektive Aufweitung der Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 möglich ist. Die Flexibilität kann beispielsweise durch teilweise flexible Materialien, bzw. teilweise flexible Strukturen der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 erfolgen. So sind Mehrkomponentenmaterialien, welche beispielsweise aus einer mit Harz ausgegossenen Matrix gefertigt sind für solche Bauteile denkbar. Auch lamellenartige Versteifungen, die eine Flexibilität nur in einer Krümmungsrichtung, nämlich in der gewünschten Krümmungsrichtung für die Verstellung der Zusatzklappen 20 und 40 ermöglichen, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
In 4 ist in der Ausstellung der Zusatzklappen 20 und 40 gut zu erkennen, dass sich zwischen den Tangenten in den jeweiligen Anlenkungspunkt der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 an die Bauteilkontur 122 und 142 sowie den Tangenten im jeweiligen Anlenkungspunkt an die jeweilige Zusatzklappe 20 und 40 ein Winkel 128 und 148 als maximaler Anstellwinkel ausbildet. Diese Anstellwinkel definieren die Anstellung im jeweiligen Anlenkungspunkt. Je nachdem ob es sich bei der Zusatzklappe 20 und 40 um eine konstant gekrümmte oder nicht gekrümmte oder variabel gekrümmte Zusatzklappe 20 oder 40 handelt, entspricht dieser Anstellwinkel 128 und 148 auch den restlichen Anstellwinkeln über den Verlauf der Zusatzklappe 20 oder 40. In Abhängigkeit der Materialwahl und der Ausgestaltung der Zusatzklappe 20 und 40 kann demnach in Abhängigkeit des jeweiligen Anstellwinkels 128 und 148 die Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 entsprechend aufgeweitet werden.
In den 5a und 5b ist eine Variation der Ausführungsform der 1a und 1b dargestellt. Hier ist eine weitere Ausführungsform der Verstellvorrichtung 60 gezeigt. Die Verstellvorrichtung 60 dieser Ausführungsform ist als Hebelkinematik ausgeführt. Diese Hebelkinematik ist symmetrisch ausgelegt, so dass über einen zentralen Hebel und ein Zwischengelenk zwei kurze Hebel mit den beiden Zusatzklappen 20 und 40 gelenkig verbunden sind. Durch eine Bewegung des zentralen Hebels der Verstellvorrichtung 60 entlang der Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers 100, können über dessen gelenkige Verbindung die beiden kurzen Hebel in deren Anstellung winkelig zum zentralen Hebel verändert werden. Durch die gelenkige Verbindung zu der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 wird diese ausgefahren oder eingefahren, also verstellt. In 5a befinden sich die beiden Zusatzklappen 20 und 40 in vollständig eingefahrener Position. Bewegt sich nun der zentrale Hebel der Verstellvorrichtung 60, in 5a nach rechts, so schiebt er die beiden kurzen Hebel über die zentrale gelenkige Verbindung nach außen. Über die weitere gelenkige Verbindung der kurzen Hebel mit der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 werden diese aufgestellt und die gesamte Kinematik bewegt sich in eine Position, wie sie in 5b dargestellt ist. Dieser Vorgang reversibel, so dass durch einen Zug an dem zentralen Hebel der Verstellvorrichtung 60 nach links, in 5a, die beiden Zusatzklappen 20 und 40 wieder zurückverstellt werden können, um in der Endposition in eine Position zu gelangen, wie sie in 5a dargestellt ist.
In den 6a und 6b ist eine weitere Variation der Zusatzklappenvorrichtung 10 dargestellt, wobei hier die Verstellvorrichtung 60 über eine Art Blasebalg gewährleistet ist. Die Verstellvorrichtung 60 weist hier zumindest zwei Luftkammern auf, welche zwischen einer Bauteilstruktur des aerodynamischen Körpers 100 einerseits und der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 andererseits eingeklemmt sind. Durch ein Belüften, also ein Aufblasen der jeweiligen Luftkammer, werden die Zusatzklappen 20 und 40 nach außen gedrückt und damit verstellt. Wird die Luft aus den jeweiligen Luftkammern wieder abgelassen, so bewegen sich die jeweiligen Zusatzklappen 20 und 40 wieder in die Ausgangsposition, wie in 6a dargestellt, zurück. Für den Fall, dass das Ablassen von Luft nicht alleine ausreicht, sei darauf verwiesen, dass die Strömung an der Außenseite der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40 diese aufgrund des gebildeten Strömungswiderstandes in die Position gemäß 6a zurückdrückt.
In 7 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zusatzklappenvorrichtung 10 dargestellt, wobei hier die Öffnung 82 an der Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 mit einer Abdeckvorrichtung 80 abgedeckt ist. Diese Abdeckvorrichtung 80 ist aus flexiblem Material im Wesentlichen hauptförmig ausgebildet, so dass sie sich zwischen den beiden Hinterkanten der jeweiligen Zusatzklappe 20 und 40, bezogen auf die Strömungsrichtung erstreckt. In 7 ist die ausgefahrene, verstellte Position der Zusatzklappen 20 und 40 dargestellt. Da in diesem Zustand die Hinterkante des aerodynamischen Körpers 100 maximal verbreitert ist, ist dementsprechend auch die Öffnung 82 in ihrer maximalen Größe vorhanden. Um zu verhindern, dass Verschmutzungen in diese Öffnung 82 eindringen können, ist die Abdeckvorrichtung 80 so ausgestaltet, dass sie sich über diese Öffnung 82 spannt und dies verhindert. Im eingefahrenen Zustand der beiden Zusatzklappen 20 und 40 kann durch die flexible Ausgestaltung der Abdeckvorrichtung 80 diese sich zwischen die beiden Zusatzklappen 20 und 40 legen, so dass eine negative Beeinflussung der Umströmung des aerodynamischen Körpers durch die Abdeckvorrichtung 80 unterbleibt.
Weiter ist in 7 eine weitere Ausführungsform der Verstellvorrichtung 60 dargestellt. Hier weist zumindest eine Zusatzklappe 20 wenigstens abschnittsweise ein Formgedächtnismaterial auf. In thermischem Kontakt zu diesem Material ist eine Widerstandsheizung vorgesehen, die bereits einen der Verstellvorrichtung bildet. Wird nun durch Stromfluß durch die Widerstandsheizung diese in Betrieb genommen, heizt sich auch das Formgedächtnismaterial auf und verformt sich entsprechend. Nach dem Abkühlen, welches aktiv oder passiv erfolgen kann, verformt sich das Formgedächtnismaterial wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Auf diese Weise dient die Widerstandsheizung als Verstellvorrichtung 60 für die Verstellung der entsprechenden Zusatzklappe 20. Selbstverständlich kann die gleiche Verstellvorrichtung auch für alle weiteren Zusatzklappen 40 vorgesehen sein.
Um die breite Einsatzmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Zusatzklappenvorrichtung 10, bzw. eines aerodynamischen Körpers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung darzustellen, ist in 8 eine Ausführungsform dargestellt, in welcher es sich beim aerodynamischen Körper 100 um ein in Relation zu einem Flugzeug feststehendes Bauteil handelt. Dies kann z. B. die Tragfläche eines Hauptflügels sein, welcher mit einer Zusatzklappenvorrichtung 10 ausgestattet ist. Dabei ist insbesondere das Profil für die Umströmung des aerodynamischen Körpers 100 nicht symmetrisch, so dass für die Definition der Anstellwinkel 128 und 148 der beiden Zusatzklappen 20 und 40 nicht die Mittellinie M, sondern die Tangente an die Mittellinie M im Schnittpunkt S der Verbindungen der beiden Lagervorrichtungen 24 und 44 dient. Bei der Ausführungsform eines aerodynamischen Körpers 100 als feststehendes Bauteil, wird einerseits die Steigleistung durch die Verwendung der Zusatzklappen 20 und 40 erhöht, andererseits kann durch den Einsatz, also durch das Verstellen der Zusatzklappen 20 und 40 die Stabilität des aerodynamischen Körpers 100 im Flugbetrieb verbessert werden. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass neben der verbesserten Flugkomfortleistung auch ein geringerer Steuerklappeneinsatz notwendig ist und damit der gesamte Strömungswiderstand im Reiseflug auch in instabil werdenden Situationen verbessert wird.
Die voranstehend erläuterten Ausführungsformen sind nur Beispiele der vorliegenden Erfindung und beschränken diese in keiner Weise. So ist es selbstverständlich, dass die einzelnen beschriebenen Lösungsideen soweit technisch sinnvoll, miteinander frei kombinierbar sind.
Bezugszeichenliste

10: Zusatzklappenvorrichtung
20: erste Zusatzklappe
22: Strömungs-Außenkontur
24: erste Lagervorrichtung
24a: erstes Lagermittel
26: erste Hinterkante
40: zweite Zusatzklappe
42: Strömungs-Außenkontur
44: zweite Lagervorrichtung
44a: zweites Lagermittel
46: zweite Hinterkante
60: Verstellvorrichtung
80: Abdeckvorrichtung
82: Öffnung
100: aerodynamischer Körper
122: erste Körperkontur
122a: Strömungs-Außenkontur
128: erster Anstellwinkel
142: zweite Körperkontur
142a: Strömungs-Außenkontur
148: zweiter Anstellwinkel
M: Mittelline
RA: Randabschnitt
S: Schnittpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6565045 B1 [0003]
US 2003/0102410 A1 [0003]
US 6641089 B2 [0003]

Claims

Zusatzklappenvorrichtung (10) für die Modifikation des Profils eines aerodynamischen Körpers (100), aufweisend wenigstens eine erste Zusatzklappe (20) mit einer ersten Strömungs-Außenkontur (22) und einem ersten Lagerungsmittel (24a) zur Lagerung der ersten Zusatzklappe (20) in einer ersten Lagervorrichtung (24) des aerodynamischen Körpers (100), mit der die erste Zusatzklappe (20) relativ zum aerodynamischen Körper (100) verstellbar ist, wenigstens eine zweite Zusatzklappe (40) mit einer zweiten Strömungs-Außenkontur (42) und einem zweiten Lagerungsmittel (44a) zur Lagerung der zweiten Zusatzklappe (40) in einer zweiten Lagervorrichtung (44) des aerodynamischen Körpers (100), mit der die zweite Zusatzklappe (40) relativ zum aerodynamischen Körper (100) verstellbar ist und eine Verstellvorrichtung (60), zur Kopplung der Verstellung der ersten Zusatzklappe (20) mit der Verstellung der zweiten Zusatzklappe (40) derart, dass die Verstellungen der beiden Zusatzklappen (20, 40) in Bezug auf die Tiefenrichtung des aerodynamischen Körpers (100) zumindest insgesamt entgegengesetzt zueinander gerichtet sind.
Aerodynamischer Körper (100) zur Anbringung an einem Flugzeug, aufweisend eine erste Körperkontur (122), die eine erste Strömungs-Außenkontur (122a) bildet und eine zweite Körperkontur (142), die eine zweite Strömungs-Außenkontur (142a) bildet, deren Ausrichtung mit Bezug auf die Tiefenrichtung des aerodynamischen Bauteils (100) entgegen der Ausrichtung der ersten Strömungs-Außenkontur (122a) ausgebildet ist, wenigstens eine Zusatzklappenvorrichtung (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die derart an dem aerodynamischen Körper (100) angeordnet ist, dass die erste Strömungs-Außenkontur (22) der ersten Zusatzklappe (20) zusammen mit der ersten Körperkontur (122) die erste Strömungs-Außenkontur (122a) und die zweite Strömungs-Außenkontur (42) der zweiten Zusatzklappe (40) zusammen mit der zweiten Körperkontur (142) die zweite Strömungs-Außenkontur (142a) des aerodynamischen Körpers (100) bildet.
Aerodynamischer Körper (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzklappenvorrichtung (10) derart an dem aerodynamischen Körper (100) angeordnet ist, dass die beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) in Strömungsrichtung jeweils den hinteren Randabschnitt (RA) der ersten Strömungs-Außenkontur (122a) sowie der zweiten Strömungs-Außenkontur (142a) des aerodynamischen Körpers (100) bilden.
Aerodynamischer Körper (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hinteren Randabschnitte (RA) weniger als 40% der gesamten jeweiligen Strömungs-Außenkontur (122a, 142a) des aerodynamischen Körpers (100) ausmachen.
Aerodynamischer Körper (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) 1 bis 2% der entsprechenden Strömungs-Außenkontur (122a, 142a) des aerodynamischen Körpers (100) bildet.
Aerodynamischer Körper (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Tangenten an die jeweiligen Strömungs-Außenkontur (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) und der entsprechenden Körperkontur (122, 142) in den durch die Lagervorrichtungen (24, 44) gebildeten Lagerachsen ein erster Anstellwinkel (128) und ein zweiter Anstellwinkel (148) definiert werden und beide Anstellwinkel (128, 148) kleiner als 45° sind.
Aerodynamischer Körper (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden auf die Strömungsrichtung bezogenen Hinterkanten (26, 46) der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) mit einer gemeinsamen Abdeckvorrichtung (80) verbunden sind, die derart ausgestaltet ist, dass eine durch die Verstellung der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) entstehende Öffnung (82) abgedeckt wird.
Aerodynamischer Körper (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der ersten Strömungs-Außenkontur (22) der ersten Zusatzklappe (20) um die erste Lagerachse und die Verstellung der zweiten Strömungs-Außenkontur (42) der zweiten Zusatzklappe (40) um die zweite Lagerachse symmetrisch zu der Tangente an die Mittelline (M) des aerodynamischen Körpers (100) im Schnittpunkt (S) mit der Verbindungsgerade der beiden Lagerachsen erfolgt.
Aerodynamischer Körper (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang der beiden Strömungs-Außenkonturen (122a, 142a) des aerodynamischen Körpers (100) zwischen der jeweiligen Körperkontur (122, 142) und der jeweiligen Strömungs-Außenkontur (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) stetig, insbesondere mit stetiger Steigung verläuft.
Aerodynamischer Körper (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzklappenvorrichtung (10) derart ausgestaltet ist, dass der durch die Verstellung der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) maximal erzielbare Abstand zwischen den auf die Strömungsrichtung bezogenen Hinterkanten (26, 46) der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) im Bereich zwischen 0,4 und 2% der Erstreckung des aerodynamischen Körpers (100) entlang der Strömungsrichtung liegt.
Aerodynamischer Körper (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzklappenvorrichtung (10) derart ausgestaltet ist, dass der durch die Verstellung der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) maximal erzielbare Abstand zwischen den auf die Strömungsrichtung bezogenen Hinterkanten (26, 46) der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) im Bereich des 2- bis 10-fachen des durch die Verstellung der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) minimal erzielbaren Abstands zwischen den auf die Strömungsrichtung bezogenen Hinterkanten (26, 46) der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) liegt.
Aerodynamischer Körper (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem aerodynamischen Körper (100) um ein relativ zu einer Befestigungsstruktur eines Flugzeuges bewegbaren aerodynamisches Körper handelt.
Aerodynamischer Körper (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (60) der Zusatzklappenvorrichtung (10) derart ausgestaltet ist, dass der Verstellungszustand der beiden Strömungs-Außenkonturen (22, 42) der beiden Zusatzklappen (20, 40) mit dem Bewegungszustand des aerodynamischen Körpers (100) gekoppelt ist.
Flugzeug aufweisend zumindest einen aerodynamischen Körper (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 2 bis 13.