DE102012002256A1 - Compound helicopter e.g. heliplane has several wings in which several trust units are attached at bearing areas - Google Patents

Compound helicopter e.g. heliplane has several wings in which several trust units are attached at bearing areas Download PDF

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Abstract

The compound helicopter has several wings having wing cover skin in which several narrow strip segments are formed. The narrow strip segments are arranged transversely to the flight direction and are rotatable about minimal obstruction of the rotor downdraft in suspension, or to reach slow flight. Several trust units are attached to wings at the bearing areas.

Description

Beim „Heliplane” handelt es sich um ein neuartiges Compoundhubschrauber, das die Vorteile von Helikoptern und Flugzeugen miteinander kombiniert. Dadurch wird es möglich, die Fluggeschwindigkeit von Helikoptern wesentlich zu erhöhen, ohne die Schwebe- und Langsamflugeigenschaften eines konventionellen Helikopters zu verlieren.The "Heliplane" is a novel compound helicopter that combines the advantages of helicopters and aircraft. This makes it possible to significantly increase the airspeed of helicopters without losing the hovering and slow-flight characteristics of a conventional helicopter.

Stand der Technik sind zum einen konventionelle Helikopter, deren Auftrieb in jeder Flugphase (fast) ausschließlich vorn Hauptrotor erzeugt wird. Mit wachsender Fluggeschwindigkeit nähert sich die Anströmgeschwindigkeit des vorlaufenden Rotorblattes immer mehr der Schallgeschwindigkeit, was zu starken strukturellen Belastungen, schwer zu beherrschenden Kräften (insbes. Nickmomenten) auf das betreffende Rotorblatt, sowie zu starker Widerstandserhöhung führt.The state of the art is, on the one hand, conventional helicopters whose buoyancy is (almost) generated exclusively in the main rotor at every flight phase. As the flying speed increases, the approaching speed of the leading rotor blade approaches more and more the speed of sound, which leads to heavy structural loads, forces that are difficult to control (in particular pitching moments) on the rotor blade in question and an excessive increase in resistance.

Eine Senkung der Drehzahl in dieser Flugphase ist allerdings auch nicht möglich, da die Anströmung am rücklaufenden Rotorblatt durch die komponentenweise Addition der Geschwindigkeiten immer geringer wird. Dadurch entsteht am rücklaufenden Blatt ein geringerer Auftrieb, was der Pilot intuitiv durch eine Steuereingabe an der zyklischen Blattverstellung (Stick) korrigiert.A reduction in the speed in this phase of flight, however, is not possible because the flow on the returning rotor blade by the component-wise addition of the speeds is always lower. This results in less buoyancy on the returning blade, which the pilot intuitively corrects by a control input on the cyclic pitch (stick).

Das Blatt bewegt sich daher mit niedriger Anströmgeschwindigkeit und hohem Anstellwinkel, was den Effekt des „dynamic stall” provoziert und so zu einer strikten Begrenzung der Fluggeschwindigkeit führt.The blade therefore moves with low approach speed and high attack angle, which provokes the effect of the "dynamic stall" and thus leads to a strict limitation of the airspeed.

Bei Compoundhelikoptern wird versucht, den Rotor im Schnellflug durch die Anbringung zusätzlicher Tragflächen und/oder Antriebseinheiten zu entlasten. Dadurch kann der Kollektiv-Pitchwinkel reduziert und so der dynamic stall verzögert werden. Bisher ist die Größe dieser Tragflächen allerdings stark beschränkt, da diese den Downwash (Abwind des Hauptrotors) stark behindern und damit die Leistungen des Hubschraubers im Schwebeflug reduzieren, sowie die Effizienz erheblich senken.In compound helicopters, it is attempted to relieve the rotor in high-speed flight by the attachment of additional wings and / or drive units. This can reduce the collective pitch angle and thus delay the dynamic stall. So far, however, the size of these wings is very limited, as these strongly impede the downwash (downwind of the main rotor) and thus reduce the performance of the helicopter in hovering, and significantly reduce the efficiency.

Ebenfalls Stand der Technik sind die sog. Senkrechtstarter. Diese verfügen zwar über ausgezeichnete Schnellflugeigenschaften, können im Schwebeflug allerdings nicht mit der Manövrierfähigkeit oder Effizienz eines Helikopters konkurrieren.Also state of the art are the so-called. Vertical starters. Although they have excellent high-speed flight characteristics, they can not compete with the maneuverability or efficiency of a helicopter when hovering.

Erfindunginvention

Um den Hauptrotor zu entlasten, verfügt Heliplane ebenfalls über zusätzliche Tragflügel. (s. o.) Die Beplankung dieser Tragflügel besteht aus einzelnen, schmalen Lamellensegmenten, die vorzugsweise quer zur Flugrichtung angeordnet sind und sich jeweils um ihre Längsachse drehen können. In Schnellflugstellung sind diese Lamellen geschlossen, wobei sie sich so in die Gesamtkonstruktion einfügen, dass sich eine gewöhnliche Tragfläche mit Profilierung bildet. Dabei sind sowohl die Ober-, wie auch die Unterseite der Tragfläche mit den beschriebenen Lamellensegmenten bestückt. In Hoverstellung können beide Lamellenebenen durch eine Längsdrehung jeder Einzellamelle um ca. 90° (je nach Einbauposition) geöffnet werden, sodass sich die gewöhnliche Tragflächenkonfiguration auflöst und der gesamte Flügel durchströmbar wird. Die inneren Streben der Flügelkonstruktion sollten an diese Flugphase so angepasst werden, dass bei einer Durchströmung des Flügels von oben ein möglichst geringer Widerstand erzeugt wird.To relieve the main rotor Heliplane also has additional wings. (see above) The planking of these wings consists of individual, narrow lamellar segments, which are preferably arranged transversely to the direction of flight and can each rotate about its longitudinal axis. In fast-flight position, these slats are closed, whereby they fit into the overall construction, forming an ordinary wing with profiling. Both the top, as well as the underside of the wing are equipped with the described lamellar segments. In hover position both slats can be opened by a longitudinal rotation of each individual slat by about 90 ° (depending on the installation position), so that the usual wing configuration dissolves and the entire wing can be flowed through. The inner struts of the wing construction should be adapted to this phase of flight so that when a flow through the wing from the top as low as possible resistance is generated.

Indem die beiden Lamellenebenen leicht versetzt angeordnet sind, ist ein Öffnen aller Lamellen ohne Interferenz der beiden Ebenen gewährleistet. So werden z. B. bei in Flugrichtung gesehen nach vorne öffnenden Lamellen die oberen Lamellen geringfügig weiter hinten angeordnet, sodass in senkrechter Stellung (Hoverstellung) deren untere Hälfte hinter der oberen Hälfte der unteren Lamellen platziert ist.By the two slat planes are arranged slightly offset, an opening of all slats is guaranteed without interference of the two levels. So z. B. arranged in the direction of flight forward slats, the upper slats arranged slightly further back, so that in the vertical position (hover position) whose lower half is placed behind the upper half of the lower slats.

Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, die Behinderung des Rotorabwindes so gering wie möglich zu halten.By such an arrangement, it is possible to keep the obstruction of the rotor downwind as low as possible.

Eine andere Konfiguration wäre es, anstatt der einzelnen Lamellen den Gesamten Flügel um seine Längsachse zu drehen, um diesen Effekt zu erzielen. Dadurch würde der Downwash in Hoverstellung noch weniger behindert. Allerdings bedeutet das eine deutlich stärkere strukturelle Belastung der Schwenkvorrichtungen, da die Tragflächen nicht fest montiert werden können.Another configuration would be to rotate the entire wing about its longitudinal axis instead of the individual lamellae to achieve this effect. This would hinder the Downwash in Hoverstellung even less. However, this means a much stronger structural load on the pivoting devices, since the wings can not be fixed.

Für den Schnellflug sind ein oder mehrere Schubeinheiten vorgesehen, die nach Möglichkeit an den Flügeln angebracht sind. Dadurch wird der Rotor weiter entlastet, da er für die Schuberzeugung nicht mehr benötigt wird. Eine Senkung der Drehzahl kann jetzt die Situation zu hoher Blattspitzengeschwindigkeiten am vorlaufenden Rotorblatt entspannen, ohne das rücklaufende Blatt in den Strömungsabriss zu treiben. Zusätzlich könnten die beiden Schubeinheiten an den Tragflächen zum Drehmomentausgleich des Hubschraubers dienen und so den Heckrotor überflüssig machen. Auch das Heckrohr könnte durch eine wesentlich kleinere Leitwerksanordnung ersetzt werden, die lediglich die korrekte Hecknachführung – insbesondere im Kurvenflug – gewährleisten muss.For high-speed flight one or more thrust units are provided, which are attached to the wings if possible. As a result, the rotor is further relieved, since it is no longer needed for the thrust generation. Lowering the speed can now relax the situation of high blade tip speeds on the leading rotor blade without driving the returning blade into stall. In addition, the two thrust units could serve on the wings for torque compensation of the helicopter and make the tail rotor superfluous. The tail boom could be replaced by a much smaller tail assembly, which only the correct rear tracking - especially when turning - must ensure.

Claims (9)

Compoundhubschrauber, bzw. -bestandteil zur Steigerung der Fluggeschwindigkeit dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Tragflächen angebracht sind, die durch Segmentierung durchströmbar gemacht werden können, und oder in ihrer Gesamtheit drehbar angeordnet sind, um eine minimale Behinderung des Rotorabwinds im Schwebe-, bzw. Langsamflug zu erreichen.Compound helicopter, or component for increasing the speed of flight, characterized in that one or more wings are mounted, which can be made permeable by segmentation, or or are arranged rotatably in their entirety, to a minimum obstruction of the rotor downwind in the hover, or To reach slow flight. Compoundhubschrauber nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierung durch Lamellen erreicht wird, die vorzugsweise quer zur Flugrichtung angeordnet sind, um dem Verlauf eines optimalen Tragflächenprofils folgen zu können. Die Lamellen sind bevorzugt um ihre Längsachse drehbar auszuführen. Kommen Flügel auf beiden Seiten des Hubschraubers zum Einsatz, ist die Öffnung der Lamellen in entgegengesetzte Richtungen denkbar, wobei der die senkrechte Position nicht vollständig erreicht wird, um dem schräg von oben anströmenden Rotorabwind minimalen Widerstand zu bieten. Das gilt auch für die Anordnung mit einem oder mehreren in der Gesamtheit schwenkenden Flügeln.Compound helicopter according to claim 1, characterized in that the segmentation is achieved by lamellae, which are preferably arranged transversely to the direction of flight in order to follow the course of an optimal airfoil profile can. The lamellae are preferably rotatable about their longitudinal axis. If wings are used on both sides of the helicopter, the opening of the lamellae in opposite directions is conceivable, wherein the vertical position is not fully achieved in order to provide minimal resistance to the obliquely from the top streaming rotor downwind. This also applies to the arrangement with one or more wings pivoting in their entirety. Compoundhubschrauber nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass statt der Lamellierung auch der gesamte Flügel gedreht werden kann. Zu bevorzugen ist hier ebenfalls eine Längsdrehung einer gesamten Flügeleinheit. Die Drehung der gesamten Flügeleinheit kann auch bei mehreren Flügeln zum Einsatz kommen.Compound helicopter according to claim 1, characterized in that instead of the lamination and the entire wing can be rotated. To prefer here is also a longitudinal rotation of an entire wing unit. The rotation of the entire wing unit can also be used with multiple wings. Compoundhubschrauber nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise zwei Tragflächen seitlich am Hubschrauber angebracht werden. Eine asymmetrische Konfiguration, z. B. in Bezug auf Tragflächenlänge, -profilierung oder Befestigungswinkel ist ebenfalls denkbar, besonders um dem Problem der „dissymmetry of lift” eines konventionellen Helikopters entgegenzuwirken.Compound helicopter according to claim 1, characterized in that preferably two wings are mounted laterally on the helicopter. An asymmetric configuration, e.g. B. in terms of wing length, profiling or mounting bracket is also conceivable, especially to counteract the problem of "dissymmetry of lift" of a conventional helicopter. Compoundhubschrauber nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere zusätzliche Schubeinheiten vorzugsweise an den Flügeln angebracht sind, die den Hauptrotor im Schnellflug weiter entlasten und im Schwebeflug evtl. zusätzlich zum Drehmomentausgleich dienen können und so den Heckrotor unterstützen oder ersetzten können.Compound helicopter according to claim 1, characterized in that one or more additional thrust units are preferably mounted on the wings, which further relieve the main rotor in high-speed flight and possibly serve in hovering in addition to the torque compensation and so can support or replace the tail rotor. Compoundhubschrauber nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination aus Lamellierung und drehbarem Flügel eigesetzt werden kann. Denkbar wäre beispielsweise eine Lamellierung bis zu den an den Flügeln angebrachten Vortriebseinheiten und von dort aus weiter nach außen ein drehbar angeordneter Flügel. Das hat den Vorteil, dass die Vortriebseinheiten nicht mitgeschwenkt werden und so auch im Schwebeflug zum Drehmomentausgleich eingesetzt werden können. Eine Alternative wäre ein Flügel, der sich um einen festen Holm dreht, an dem die Vortriebseinheiten montiert sind.Compound helicopter according to claim 1, characterized in that a combination of Lamellierung and rotatable wing can be eigesetzt. It would be conceivable, for example, a lamination up to the propulsion units mounted on the wings and from there further outwardly a rotatably arranged wing. This has the advantage that the propulsion units can not be swiveled and so can be used in hover for torque compensation. An alternative would be a wing which rotates about a fixed spar on which the propulsion units are mounted. Compoundhubschrauber nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen, (bzw. der gesamte Flügel) eine Zwischenposition einnehmen können, die im langsamen Vorwärtsflug, bzw. im Transitionsbereich zusätzlichen Auftrieb erzeugt. Dies geschieht dadurch, dass durch die Lamellen Luft, die normalerweise über den Flügel strömen würde, abgelenkt wird und den Flügel ähnlich wie in Schwebestellung durchströmt und diesen dann mit deutlicher Abwärtskomponente wieder verlässt. Eine Unterstützung des Effekts durch Grenzschichtausblasung, bzw. -absaugung ist ebenfalls denkbar.Compound helicopter according to claim 1, characterized in that the lamellae, (or the entire wing) can assume an intermediate position, which generates additional buoyancy in the slow forward flight, or in the transition region. This is done by deflecting air through the fins, which would normally flow over the wing, and flows through the wing in a similar manner as in floating position and then leaves it again with a marked downward component. A support of the effect by Grenzschichtausblasung, or -absaugung is also conceivable. Compoundhubschrauber nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellamellen zur Erhöhung der Ausfallsicherheit mit zusätzlichen Überdrückungs-Federpaketen ausgestattet sind. Kommt es zum Klemmen einer Lamelle (beispielsweise durch Fremdkörper), so kann das Federpaket der entsprechenden Lamelle überdrückt werden und es ist trotzdem noch möglich, alle anderen Lamellen zu bewegen, auch wenn alle Lamellen über eine gemeinsame Aktuatoreinheit bewegt werden.Compound helicopter according to claim 1, characterized in that the individual slats are equipped to increase the reliability with additional suppression spring assemblies. If it comes to clamping a blade (for example, by foreign body), the spring assembly of the corresponding blade can be suppressed and it is still possible to move all the other slats, even if all slats are moved via a common actuator unit. Compoundhubschrauber nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Winkelsteuerung der Flügel, bzw. der Lamellen eine Geschwindigkeitsmessvorrichtung und/oder eine Anordnung zur Ermittlung der Anströmrichtung zum Einsatz kommen kann. Dadurch ist in jeder Flugphase die optimale Eistellung garantiert und die Transition wird stark vereinfacht. Alternativ wäre eine mechanisch arbeitende Anordnung denkbar, die sich durch die aerodynamischen Kräfte auf den Flügel oder die Lamellen und eine Rückstellfeder oder eine ähnliche Vorrichtung von selbst in eine geeignete Position bewegt.Compound helicopter according to claim 1 characterized, a speed-measuring device and / or an arrangement for determining the direction of flow can be used for angular control of the vanes or of the vanes. As a result, the optimal position is guaranteed in every flight phase and the transition is greatly simplified. Alternatively, a mechanical working arrangement would be conceivable which moves by itself to a suitable position by the aerodynamic forces on the vane or vanes and a return spring or similar device.
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