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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Vorflügel zur ausfahrbaren Lagerung an einer Vorderkante eines Tragflügels eines Flugzeugs, insbesondere eines Verkehrsflugzeugs, der die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs aufweist. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Tragflügel mit einem solchen Vorflügel sowie auf ein Flugzeug mit einem Paar solcher Tragflügel.
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STAND DER TECHNIK
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Vorflügel zählen zu den Hochauftriebskomponenten an einem Tragflügel, die zur Ermöglichung eines langsamen Flugs eines Flugzeugs beim Start und bei der Landung notwendig sind. Neben Vorflügeln zählen Landeklappen zu den üblichen Hochauftriebskomponenten. Beim Ausfahren eines Vorflügels von der Vorderkante eines Tragflügels resultiert aus der Krümmungserhöhung des Gesamtprofils eine vergrößerte Zirkulation und damit ein erhöhter Auftrieb. Eine weitere Erhöhung der Zirkulation und des Auftriebs geht mit einem zwischen dem ausgefahrenen Vorflügel und dem Tragflügel verbleibenden Spalt einher, der zudem zu einer Beschleunigung der Strömung an der Flügeloberseite führt und damit das Ablösen der Strömung verhindert. Der Spalt erhöht jedoch auch den Strömungswiderstand des Tragflügels und ist zudem mit einer erheblichen Lärmemission verbunden, die gerade beim Langsamflug in Bodennähe unerwünscht ist.
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Es ist daher von Interesse, den Spalt zwischen dem Vorflügel und dem Tragflügel eines Flugzeugs bedarfsweise zu schließen und zu öffnen, um entweder den geringeren Strömungswiderstand mit dem entsprechend geringeren Treibstoffverbrauch sowie der geringeren Lärmentwicklung oder den höheren Auftrieb zu nutzen.
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Aus der
WO 2008/058695 A1 ist es bekannt, einen Vorflügel um seine Spannweitenrichtung zu verschwenken, um zum Schließen eines Spalts zwischen der Hinterkante des Vorflügels und einer Vorderkante eines Tragflügels die Hinterkante des Vorflügels an die Vorderkante des Tragflügels heranzuschwenken. Als Alternative zum Verschwenken des gesamten Vorflügels wird beschrieben, nur eine gegenüber einem Hauptkörper des Vorflügels verschwenkbare und die Hinterkante des Vorflügels umfassende Klappe an die Vorderkante des Tragflügels heranzuschwenken. Die Ausführung der Klappe wird jedoch nicht im Einzelnen beschrieben.
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Die
WO 2010/040501 A2 offenbart Einzelheiten eines solchen Vorflügels mit gegenüber einem Hauptkörper verschwenkbarer Hinterkante. Danach ist ein biegeelastisches Element an der Oberseite des Vorflügels vorgesehen, um das die Hinterkante verschwenkbar ist, wobei an der dem biegeelastischen Element gegenüber liegenden Unterseite des Vorflügels ein translatorisch-elastisches Element vorgesehen ist, das heißt, ein Element, das in Richtung parallel zur Unterseite des Vorflügels unter Erzeugung einer elastischen Kraft oder Federkraft in seiner Länge veränderbar ist. Dem translatorisch-elastischen Element ist ein Linearaktuator parallel geschaltet, um die zum Verschwenken der Hinterkante um das biegeelastische Element benötigte Kraft und eine gewünschte Anlagekraft der Hinterkante an der Vorderkante des Tragflügels aufzubringen. Um die erwünschte Schwenkbewegung der Hinterkante des Vorflügels zu ermöglichen, muss das translatorisch-elastische Element eine ganz erhebliche Längenänderung vollziehen und entsprechend weichelastisch sein. Gleichzeitig ist das translatorisch-elastische Element bei diesem Aufbau des Vorflügels gegenüber der Umströmung des Vorflügels bei geöffnetem Spalt zum Tragflügel exponiert und stellt so eine offensichtliche Schwachstelle des bekannten Vorflügels dar.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vorflügel zur ausfahrbaren Lagerung an einer Vorderkante eines Tragflügels eines Flugzeugs aufzuzeigen, der trotz der Abwinkelbarkeit seiner Hinterkante, um einen Spalt zu dem Tragflügel hin bedarfsweise zu öffnen und zu schließen, keine strukturelle Schwachstelle aufweist.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Vorflügel mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Vorflügels sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 14 definiert. Der nebengeordnete Patentanspruch 15 ist auf einen Tragflügel mit einem Vorflügel nach einem der vorhergehenden Ansprüche gerichtet, der nebengeordnete Patentanspruch 16 auf ein Flugzeug mit einem Paar solcher Tragflügel.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßen Vorflügel zur ausfahrbaren Lagerung an einer Vorderkante eines Tragflügels eines Flugzeugs, mit einem eine Profilnase ausbildenden formstabilen Vorderkörper und einem spaltfrei an den Vorderkörper anschließenden Hinterkörper, der eine an die Vorderkante des Tragflügels angepasste konkave Wölbung an der Unterseite des Vorflügels und eine Hinterkante des Vorflügels umfasst und der um eine Spannweitenrichtung des Vorflügels verformbar ist, um die Hinterkante ohne Öffnung eines Spalts in dem Vorflügel um die Spannweitenrichtung des Vorflügels gegenüber dem Vorderkörper abzuwinkeln, weist der Hinterkörper eine um die Spannweitenrichtung des Vorflügels biegsame Außenhaut auf, die an den Vorderkörper anschließt und sich von dort auf der Oberseite und der Unterseite des Vorderflügels bis zu der Hinterkante erstreckt, wobei sie auf der Unterseite des Vorflügels die konkave Wölbung aufweist.
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Bei dem neuen Vorflügel ist nicht nur lokal ein biegsames Element auf einer Seite des Vorflügels vorgesehen, sondern der gesamte Hinterflügel bis zur Hinterkante des Vorflügels und einschließlich der konkaven Wölbung an der Unterseite des Vorflügels ist aus einer biegsamen Außenhaut ausgebildet. Diese biegsame Außenhaut wird zum Abwinkeln oder Verschwenken der Hinterkante des Vorflügels insgesamt verbogen, wobei es für die strukturelle Integrität des Vorflügels vorteilhaft ist, wenn diese Verbiegung mit keiner nennenswerten Dehnung der Außenhaut einhergeht und diese entsprechend zug- und drucksteif ausgebildet sein kann. Ermöglicht wird dies durch die Ausdehnung der biegsamen Außenhaut über konkave Wölbung an der Unterseite des Vorflügels. Durch Veränderung des Krümmungsradius der Wölbung kann die effektive Erstreckung der Außenhaut zwischen dem Vorderkörper und der Hinterkante an der Unterseite des Vorderflügels verkürzt und so ein Abschwenken der Hinterkante eingeleitet werden.
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Konkret kann eine Betätigungseinrichtung zum Abwinkeln der Hinterkante im Bereich der konkaven Wölbung an der Außenhaut angreifen und diese gegenüber dem Vorderkörper beaufschlagen. Das heißt, die Betätigungseinrichtung stützt sich an dem formstabilen Vorderkörper des Vorflügels ab.
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Die Betätigungseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie nur in einer Richtung aktivierbar ist, in der sie die Außenhaut gegen eine elastische Rückstellkraft zu dem Vorderkörper hin beaufschlagt. Durch Rücknahme der Beaufschlagung erfolgt dann eine Rückverformung des Vorflügels. Die elastische Rückstellkraft kann von einer Biegeelastizität der Außenhaut bereitgestellt werden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, hierfür zusätzliche elastische Elemente, wie beispielsweise Rückstellfedern, vorzusehen.
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Um auch bei punktuellem Angriff der Betätigungseinrichtung an der Außenhaut diese über die gesamte Erstreckung des Vorflügels in Spannweitenrichtung gleichmäßig zu verformen, kann die Außenhaut im Bereich des Angriffs der Betätigungseinrichtung längs der Spannweitenrichtung des Vorflügels versteift sein.
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Als wirksame Gegenmaßnahme gegen eine Verwerfung der Hinterkante des Vorflügels durch aerodynamische Lasten erweist es sich auch, wenn eine Linearführung gegenüber dem Vorderkörper für den Bereich des Angriffs der Betätigungseinrichtung an der biegsamen Außenhaut vorgesehen ist. Das heißt, der Bereich des Angriffs der Betätigungseinrichtung kann sich trotz der Biegsamkeit der Außenhaut des Vorflügels nur in Richtung der Linearführung gegenüber dem formstabilen Vorderkörper bewegen, und dies auch nur dann, wenn es von der Betätigungseinrichtung zugelassen oder erzwungen wird. Deformationen des Vorflügels durch aerodynamische Kräfte, die zu einer anderen Verlagerung des Bereichs des Angriffs der Betätigungseinrichtung führen würden, werden damit wirksam unterdrückt.
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Grundsätzlich kann die biegsame Außenhaut im Bereich der Hinterkante längs der Spannweitenrichtung des Vorflügels versteift sein. In ihrer Biegsamkeit zwischen den Anbindungspunkten an den formstabilen Vorderkörper und der Hinterkante ist die Biegsamkeit jedoch bis auf die Linearführung des Angriffspunkts der Betätigungseinrichtung typischerweise nicht eingeschränkt. Insbesondere sind die die Oberseite und die Unterseite des Vorflügels ausbildenden Teile der elastischen Außenhaut nicht aneinander abgestützt, d. h. insbesondere nicht gegeneinander verstrebt.
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Konkret kann die biegsame Außenhaut bei dem neuen Vorflügel aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet sein. Der ganze Hinterkörper des Vorflügels kann dabei ein zusammenhängendes Bauteil aus dem Faserverbundwerkstoff sein. Wenn der Faserverbundwerkstoff ein Glasfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoff ist, weist er eine ausreichende Biegeelastizität und eine günstigerweise sehr hohe Zug- und Drucksteifigkeit auf.
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Bei dem neuen Flügel kann der Übergang zwischen dem formstabilen Vorderkörper und dem Hinterkörper mit der biegsamen Außenhaut an der Unterseite des Vorflügels dort liegen, wo die konkave Wölbung beginnt. Das heißt, der die konkave Wölbung umfassende Hinterkörper endet zu dem Vorderkörper hin mit der konkaven Wölbung der flexiblen Außenhaut.
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An der Oberseite des Vorflügels gibt es keinen derart prominenten Punkt für den Übergang zwischen dem formstabilen Vorderkörper und dem um die Spannweitenrichtung des Vorflügels biegsamen Hinterkörper. Wichtig ist dort jedoch, dass die biegsame Außenhaut stetig an die Fläche des Vorderkörpers anschließt.
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Der neue Vorflügel wird an dem zugehörigen Tragflügel vorzugsweise über gegenüber dem Tragflügel ausfahrbare Befestigungselemente abgestützt. Diese Befestigungselemente können sich durch mit Dichtungen versehene Durchbrechungen in der biegsamen Außenhaut hindurch erstrecken, so dass die Befestigungselemente die gezielte Verformung des Hinterkörpers des Vorflügels nicht behindern. Typischerweise finden sich diese Durchbrechungen im Bereich der konkaven Wölbung der flexiblen Außenhaut an der Unterseite des Vorflügels.
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Ein Flugzeug mit einem Paar von symmetrisch zu seiner Längsmittelebene ausgebildeten Tragflügeln weist erfindungsgemäß an jedem seiner Tragflügel einen erfindungsgemäßen Vorflügel auf.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Vorflügel; und
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2 zeigt das Schwenken der Hinterkante des erfindungsgemäßen Vorflügels an die Vorderkante eines zugeordneten Tragflügels, um einen Spalt dazwischen zu schließen.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Der in 1 in einem Querschnitt quer zu seiner Spannweitenrichtung gezeigte Vorflügel 1 weist einen formstabilen Vorderkörper 2 und einen verformbaren Hinterkörper 3 auf. Der Vorderkörper 2 bildet eine Profilnase 4 des Vorflügels 1 aus und umfasst neben einer formsteifen Außenhaut 5 eine formsteife innere Struktur 6. Spaltfrei an den Vorderkörper 2 schließt der Hinterkörper 3 an, der eine Hinterkante 7 und eine konkave Wölbung 8 an der Unterseite 9 des Vorflügels 1 umfasst. Der Vorflügel 1 weist eine biegsame Außenhaut 10, 11 auf, deren einer Abschnitt 10 an der Oberseite 12 des Vorflügels 1 nahtlos und stetig an den Vorderkörper 2 im Bereich der Struktur 6 anschließt und sich bis zu der Hinterkante 7 erstreckt, während ihr anderer Abschnitt 11 an der Unterseite 9 von der Hinterkante 7 unter Ausbildung der Wölbung 8 bis zu der Struktur 6 verläuft. Der Abschnitt 11 endet dort mit der konkaven Wölbung 8 an dem formstabilen Vorderkörper 2. Die biegsame Außenhaut 10, 11 ist insbesondere aus einem Faserverbundwerkstoff 13 mit vornehmlichem Verlauf der Verstärkungsfasern parallel zu der Zeichenebene gemäß 1 ausgebildet. Die Außenhaut 10, 11 ist um die Spannweitenrichtung des Vorflügels 1, die senkrecht zu der Zeichenebene gemäß 1 verläuft, biegsam. Eine Betätigungseinrichtung 14, die durch einen Pfeil 15 angedeutet ist und sich an der Struktur 6 abstützt, greift in einem Angriffsbereich 16 an dem Abschnitt 11 der Außenhaut im Bereich der Wölbung 8 an, um eine gezielte Verformung des Hinterkörpers 3 zwecks Verschwenkens der Hinterkante 7 einzuleiten. Durch die Betätigungseinrichtung 14 oder eine separate Linearführung ist der Angriffsbereich 16 gegenüber dem formstabilen Vorderkörper 2 in der durch den Pfeil 15 eingezeichneten Richtung linear geführt. Hierdurch werden beliebige Deformationen des Hinterkörpers 3 des Vorflügels 1 auch unter Einwirkung aerodynamischer Lasten verhindert. Die Betätigungseinrichtung 14 kann den Angriffsbereich 16 grundsätzlich auch entgegen der Richtung des Pfeils 15 verschieben. Eine Rückformung des verformbaren Hinterkörpers 3 kann aber auch durch elastische Rückstellkräfte und zu erwartende aerodynamische Lasten erfolgen, sobald der Angriff der Betätigungseinrichtung 14. an dem Angriffsbereich 16 zurückgenommen wird.
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2 zeigt die durch die Betätigungseinrichtung 14 einleitbare Verformung des Hinterkörpers 3, durch die die Hinterkante 7 zum Verschließen eines Spalts 17 gegenüber einer Vorderkante 18 eines Tragflügels 19 verschwenkt wird, bis sie an der Vorderkante 18 anliegt. Bei dieser Verformung werden die Abschnitte 10 und 11 der Außenhaut ausschließlich auf Biegung beansprucht. Der gesamte Vorflügel 1 weist weder im Bereich des Vorderkörpers 2 noch im Bereich des Hinterkörpers 3 noch an den Übergängen zwischen dem Vorderkörper 2 und dem Hinterkörper 3 irgendwelche strukturellen Schwachstellen auf. Im Falle eines Ausfalls der Betätigungseinrichtung 14 öffnet sich der Spalt 17 wieder. Hiermit mag sich zwar der Strömungswiderstand des Tragflügels 19 mit dem Vorflügel 1 erhöhen und auch eine erhöhte Lärmemission verbunden sein. Ein Sicherheitsrisiko resultiert jedoch nicht. Ganz im Gegenteil erhöht sich der Auftrieb des Tragflügels 19 mit dem Vorflügel 1 durch Öffnung des Spalts 17. Dieser Effekt kann auch durch eine gezielte schnelle Abschaltung der Betätigungseinrichtung 14 genutzt werden, um ein mit dem Tragflügel 19 versehenes Flugzeug abzufangen. 2 zeigt auch, dass die konkave Wölbung 8 an die konvexe Wölbung der Vorderkante 18 des Tragflügels 19 angepasst ist, so dass der Tragflügel 19 im eingefahrenen Zustand des Vorflügels 1 über die gesamte Profildicke an den Vorflügel 1 anschließt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorflügel
- 2
- Vorderkörper
- 3
- Hinterkörper
- 4
- Profilnase
- 5
- Außenhaut
- 6
- Struktur
- 7
- Hinterkante
- 8
- konkave Wölbung
- 9
- Unterseite
- 10
- Abschnitt der biegsamen Außenhaut
- 11
- Abschnitt der biegsamen Außenhaut
- 12
- Oberseite
- 13
- Faserverbundwerkstoff
- 14
- Betätigungseinrichtung
- 15
- Pfeil
- 16
- Angriffsbereich
- 17
- Spalt
- 18
- Vorderkante
- 19
- Tragflügel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/058695 A1 [0004]
- WO 2010/040501 A2 [0005]
