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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einem Flugzeugrumpf, der eine Außenhaut besitzt, aufweisend eine Luft absaugende Flugzeugrumpfkomponente mit einer zumindest bereichsweise perforierten äußeren Oberfläche.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Fahrzeuge, die hohe Relativgeschwindigkeiten zur Luft erreichen, sind zur Verringerung des aerodynamischen Widerstands und damit zur Erhöhung ihrer Effizienz bevorzugt aerodynamisch günstig ausgestaltet. Ab gewissen Geschwindigkeitsbereichen kann beobachtet werden, dass an direkt in die Luftströmung ragenden Flächen von Fahrzeugrumpfkomponenten aufgrund der Strömungsumlenkung bei höheren Geschwindigkeiten turbulente Grenzschichten entstehen, wie beispielsweise an Vorderkanten von Leit- oder Tragwerken von Flugzeugen. Die Gestaltung dieser aerodynamischen Bauteile zur Verringerung des durch die Grenzschichten hervorgerufenen erhöhten aerodynamischen Widerstands ist jedoch aufgrund damit verbundener Bauraum- oder Funktionseinschränkungen nicht gänzlich variabel. Zur Verringerung des aerodynamischen Widerstands aufgrund der turbulenten Grenzschicht existieren daher Konzepte, Luft von stromaufwärts gerichteten Bereichen von Leitwerken und Tragwerken von Flugzeugen zur Reduktion des aerodynamischen Widerstands abzusaugen, was allerdings zur Zeit nur bei Forschungsflugzeugen bzw. -fahrzeugen eingesetzt wird. Die betreffende Fahrzeugrumpfkomponente wird beispielsweise in Form einer Leitwerks- oder Tragwerksvorderkante mit Absaugöffnungen realisiert, die sich von einer stromaufwärts gerichteten vorderen Begrenzung, etwa einer Vorderkante, bis zu einem Vorderholm der Struktur des Leitwerks oder des Tragwerks erstreckt.
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In Forschungsflugzeugen, bei denen eine derartige Absaugung von Luft aus einer turbulenten Grenzschicht über eine Fahrzeugrumpfkomponente mit Öffnungen erfolgt, wird die betreffende Fahrzeugrumpfkomponente üblicherweise als eine doppelwandige Struktur ausgeführt, die durch ein äußeres und ein inneres Blech gebildet wird. Diese Bleche weisen einen konstanten Abstand zueinander auf und werden durch streifen- oder bandartige Stege miteinander verbunden. Dadurch entstehen mehrere Absaugkammern, aus denen durch aktives Anlegen eines Unterdrucks bzw. Sogs Luft über die Absaugöffnungen des äußeren Blechs eingesaugt werden kann.
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EP 1 699 686 A1 und
US 2009 / 0 020 653 A1 zeigen eine Einrichtung zur Absaugung einer Grenzschicht an der Oberfläche eines Flugzeugs, bei dem die abgesaugte Luft einer Klimaanlage zugeführt wird.
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GB 2 407 142 A offenbart eine Anordnung zum Abführen von Luft aus Statorschaufeln oder in der Nähe von Rotorschaufeln eines Triebwerks durch Absaugen über eine Saugleitung, die mit einer Saugöffnung verbunden ist, welche etwa an einer umströmten Fläche einer Triebwerksgondel angeordnet ist. Luft, die derart an die Oberseite der Gondel gerät, tritt entgegen der Flugrichtung aus, was neben der Verbesserung der Strömungseigenschaften gleichzeitig die Schubkraft steigert.
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US 2010 / 0 181 434 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum passiven Spülen mikroperforierter aerodynamischer Oberflächen.
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WO 2009/ 023 354 A2 zeigt eine Vorrichtung zum passiven Absaugens von Luft, beispielsweise an einem Seitenleitwerk eines Flugzeugs.
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DE 103 61 390 A1 offenbart ein Verfahren zur Absaugung der Grenzschicht an der Oberfläche eines über eine Klimaanlage verfügenden Flugzeuges, an dessen strömungskritischen Stellen der Oberfläche mehrere Saugöffnungen zur Grenzschichtabsaugung vorgesehen sind.
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EP 2 208 669 A2 offenbart ein Luftfahrzeugsystem mit einer porösen Außenhaut, die über eine Leitung mit einer Klappenanordnung verbunden ist, die eine erste Klappe und eine damit verbundene erste Haube aufweist. Es ist dabei vorgesehen, dass eine zweite Klappe innerhalb der ersten Klappe schwenkbar angeordnet ist und eine zweite Haube aufweist. Ein Aktor ist mit den beiden Klappen verbunden, um diese zu bewegen. Die erste und die zweite Klappe sind zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung verschwenkbar und stellen bei einer Bewegung in die geöffnete Stellung eine Öffnung bereit. Die Öffnungen von erster und zweiter Klappe weisen in entgegengesetzte Richtungen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die aktive Absaugung der Grenzschicht erfordert eine stetige Energiezufuhr und senkt damit den Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs. Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Fahrzeug vorzuschlagen, das mindestens eine Luft absaugende Fahrzeugrumpfkomponente aufweist und zur Absaugung der Grenzschicht eine möglichst geringe Energie aufwenden muss.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Flugzeug mit einem Flugzeugrumpf, der eine Außenhaut besitzt, vorgeschlagen. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Flugzeug eine Luft absaugende Flugzeugrumpfkomponente mit einer zumindest bereichsweise perforierten äußeren Oberfläche und einen Saugprofilkörper auf. Der Saugprofilkörper ist an der Außenhaut angeordnet, bildet auf der Außenhaut eine lokale Auswölbung und weist ferner eine Saugöffnung auf, die an einer Stelle angeordnet ist, an der bei Umströmung während des Flugs ein niedrigster Druck anliegt. Die Saugöffnung ist mit einem Sauganschluss der Luft absaugenden Flugzeugrumpfkomponente verbunden.
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Ein Flugzeug weist prinzipiell einen besonders strömungsgünstigen Flugzeugrumpf auf, der von einer Außenhaut begrenzt wird. Die Formgebung der Außenhaut ist, mit Ausnahme von wenigen Bereichen, glatt und kontinuierlich geformt, so dass der Flugzeugrumpf einen möglichst geringen Luftwiderstand erzeugt. An Stellen, an denen beispielsweise ein Leitwerk angeordnet ist, welches mit einer oder mehreren Vorderkanten direkt in die Strömung ragt, können sich turbulente Grenzschichten in einer Umströmung ausbilden, was sich negativ auf den Luftwiderstand auswirkt. Durch Absaugen von Luft an diesen Stellen kann eine besonders vorteilhafte Strömung und ein geringerer Luftwiderstand erreicht werden.
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Der Kern der Erfindung liegt nun darin, eine möglichst passive Absaugung von Luft aus einer solchen turbulenten Grenzschicht zu erreichen, indem an der Außenhaut eine Drucksenke generiert wird, die einen Saugeffekt hervorruft. Die Drucksenke wird durch den angegebenen Saugprofilkörper erreicht, der an der Außenhaut angeordnet ist. Durch eine Form, die eine lokale Auswölbung auf der ansonsten glatten Außenhaut darstellt, resultiert aufgrund der Umströmung etwa an einer Stelle in der Nähe des größten Abstandes zur Außenhaut ein maximaler Saugeffekt durch einen lokal niedrigen bzw. niedrigst möglichen Druck. Durch Integration einer Saugöffnung an dieser Stelle kann der Saugeffekt für eine sich an die Saugöffnung anschließende oder über eine Leitung verbundene Luft absaugende Flugzeugrumpfkomponente eingesetzt werden. Bei entsprechender Gestaltung des Saugprofilkörpers kann an der Saugöffnung ein derartiger Sog erzeugt werden, der dazu ausreicht, Luft aus der Grenzschicht an einer Flugzeugrumpfkomponente abzusaugen. Es ist damit für den Auslegungsfall, etwa den Reiseflug, nicht notwendig, eine Luftfördereinrichtung einzusetzen, die stetig mit Leistung versorgt werden muss. Die Saugöffnung sollte demnach an einem Ort des Saugprofilkörpers angeordnet sein, an dem im Auslegungsfall der niedrigste Druck anliegt. Dies kann in der Regel in der Nähe eines Punktes liegen, der den größten Abstand zur Außenhaut aufweist.
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Erfindungsgemäß ist der Saugprofilkörper auf einem Seitenleitwerk angeordnet. Die Anordnung kann beispielsweise an einer oberen Begrenzungskante des Seitenleitwerks erfolgen, was insbesondere die Absaugung von Luft aus einer Grenzschicht begünstigt, die sich an der Vorderkante des Seitenleitwerks bildet. Die notwendige Leitungslänge kann dann recht gering sein, wobei denkbar ist, dass sich die Luft absaugende Flugzeugrumpfkomponente an der Vorderkante des Seitenleitwerks bis zu dem Saugprofilkörper hin erstreckt und dann direkt damit verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist der Saugprofilkörper an einer Unterseite des Flugzeugrumpfs angeordnet. Dort ist üblicherweise eine glatte Fläche vorhanden, an der die Sogwirkung des Saugprofilkörpers recht ausgeprägt sein kann. Eine geeignete Unterbringungsposition des Saugprofilkörpers kann damit relativ frei gewählt und an Strömungscharakteristika an der Unterseite angepasst werden
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Ist das betreffende Flugzeug ein Verkehrsflugzeug, das eine Flügel-Rumpf-Übergangs-Verkleidung (auch als „Belly Fairing“ bekannt) aufweist, ist denkbar, diese Verkleidung derart zu gestalten, dass dort zumindest bereichsweise eine Sogwirkung erzeugt werden kann. Es könnten sich hierfür etwa laterale, in stromaufwärtiger Richtung angeordnete gekrümmte Flächen anbieten, an denen eine Saugöffnung angebracht werden kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen separaten Saugprofilkörper an das Flugzeug anzubringen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Saugprofilkörper stromaufwärts eines Auslassventils eines Klimatisierungssystems angeordnet. An dem Auslassventil steht ein kontinuierlicher Luftvolumenstrom bereit, der Abluft des Klimatisierungssystems aus dem Flugzeug in dessen Umgebung befördert. Bei Beaufschlagung eines direkt dahinterliegenden Saugprofilkörpers würde der Saugeffekt an dem Saugprofilkörper gestört werden.
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In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform ist der Saugprofilkörper seitlich von einem Auslassventil eines Klimatisierungssystems angeordnet. Dadurch kann der Abluftstrom aus dem Auslassventil möglichst wenig durch den Saugprofilkörper beeinflusst werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Flugzeug ferner eine Luftfördereinrichtung auf, die zwischen der Saugöffnung des Saugprofilkörpers und dem Sauganschluss der Luft absaugenden Flugzeugrumpfkomponente angeordnet ist. Dies ist besonders dann von Nöten, wenn eine Geschwindigkeit vorliegt, die für eine vollständig passive Absaugung noch nicht ausreicht. Dies könnte beispielsweise kurz nach dem Start in einer Steigflugphase sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Flugzeug eine Verschlusseinrichtung zum selektiven Verschließen der Saugöffnung der Luft absaugenden Flugzeugrumpfkomponente auf. Durch das Verschließen kann insbesondere verhindert werden, dass Dreck oder Feuchtigkeit in die Saugöffnung eintreten kann und so nachhaltig die Absaugung stört.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Verschlusseinrichtung eine Klappe, die in eine Schließposition und mindestens eine Öffnungsposition bringbar ist. Die Klappe könnte etwa verschiebbar oder verschwenkbar an der Saugöffnung angeordnet sein, um den freien Querschnitt bei Bedarf zu ändern. Ist die Saugöffnung in dem Saugprofilkörper beispielsweise recht groß, könnte möglicherweise bei etwas niedrigeren Geschwindigkeiten ein höherer Sogeffekt erzeugt werden, wobei bei höheren Geschwindigkeiten der Querschnitt der Saugöffnung reduzierbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Klappe in eine nach außen gerichtete Position als Abweiser vor die Saugöffnung bringbar. Insbesondere bei Start- und Landungsphasen kann Dreck in die Saugöffnung geraten, was durch eine Abweiserfunktion der Klappe verhindert werden kann. Hierbei wird die Klappe in eine Position gebracht, die stromaufwärts der Saugöffnung liegt. Dadurch kann Dreck auf die Klappe auftreffen, jedoch nicht auf die dahinterliegende Saugöffnung, die dennoch das aktive Einsaugen mit Hilfe einer Luftfördereinrichtung erlaubt. In Reiseflughöhe ist die Abweiserfunktion nicht mehr notwendig, so dass dort eine rein passive Absaugung erfolgen kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Saugöffnung des Saugprofilkörpers in einer Erstreckungsrichtung ein Maß auf, das in einem Bereich von 50 bis 1000 mm liegt. Besonders bevorzugt liegt dieses Maß in einem Bereich von 50 bis 500 mm. Mit Erstreckung ist hierbei etwa ein Durchmesser, eine Breite oder eine Länge der Saugöffnung gemeint, je nachdem, wie die Saugöffnung ausgestaltet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Saugprofilkörper eine Tropfenform mit einem Tropfenbauch und einer Tropfenspitze auf, wobei der Tropfenbauch in Flugrichtung des Flugzeugs gerichtet ist. Durch diese Gestaltung wird ein möglichst geringer zusätzlicher aerodynamischer Widerstand generiert, allerdings auch ein relativ ausgeprägter Saugeffekt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die äußere Oberfläche der Luft absaugenden Flugzeugkomponente zumindest bereichsweise mikroperforiert und weist Bohrungen auf, welche einen Durchmesser aufweisen, der in einem Bereich von 25 bis 100 µm liegt. Es wird eine ausreichende Absaugung durch eine derartige Mikroperforation erreicht, gleichzeitig erzeugen die Bohrungen jedoch keinen nennenswerten zusätzlichen Luftwiderstand.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Bohrungen einen konstanten Abstand zueinander auf, der in einem Bereich von 0,1 mm bis 10 mm liegt. Dadurch kann ein besonders großer Absaugquerschnitt erzeugt werden.
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Ein Absauganschluss im Innern der Luft absaugenden Flugzeugrumpfkomponente kann dadurch realisiert werden, dass innenseitig in einem Abstand von der perforierten Oberfläche eine Zwischenwand angeordnet ist, so dass sich eine Absaugkammer ergibt, die mit allen Bohrungen der perforierten Oberfläche in Fluidverbindung steht. Die Absaugkammer kann durch weitere Zwischen- bzw. Abschlusswände ergänzt werden, so dass an einer einzigen Begrenzungswand ein zentraler Absauganschluss in Form einer Bohrung mit einem Flansch oder ähnlichen Einrichtungen angeordnet werden kann, an den durch Einwirkung eines Sogs Luft aus der Grenzschicht eingesogen wird.
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Es kann hilfreich sein, den Sauganschluss weiterhin über ein Ventil absperrbar zu machen.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Saugprofilkörpers an einer Außenhaut eines Flugzeugrumpfs zum Erzeugen eines Sogs zum Absaugen von Luft aus einer Luft absaugenden Komponente.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen und deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Flugzeugs in einer Seitenansicht.
- 2 zeigt ein Flugzeug in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht.
- 3 zeigt ein Flugzeug in einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein Flugzeug 2 mit einen Flugzeugrumpf 4, der eine Außenhaut 6 und eine Luft absaugende Flugzeugrumpfkomponente 8 an einem Seitenleitwerk 10 aufweist. Diese besitzt eine perforierte, in Flugrichtung x gerichtete Oberfläche 12 mit Reihe von Bohrungen 13, durch die Luft aus einer turbulenten Grenzschicht des Seitenleitwerks 10 abgesaugt wird. Die Flugzeugrumpfkomponente 8 bildet einen Teil der Vorderkante des Seitenleitwerks aus und wird direkt mit der auftretenden Umströmung des Flugzeugs 2 beaufschlagt. Durch das Absaugen wird die Entstehung von Turbulenz in der Grenzschicht verhindert, so dass diese laminar bleibt und damit einen erheblich geringeren Reibungsverlust verursacht.
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Zum Herstellen einer ausreichenden Sogwirkung ist ein Saugprofilkörper 14 auf der Oberseite des Seitenleitwerks 10 angeordnet und weist eine Tropfenform mit einem Tropfenbauch 16 und einer Tropfenspitze 18 auf. Der Tropfenbauch 16 ist in Flugrichtung x gerichtet. Im Flug gerät Luftströmung auf den Saugprofilkörper 14 und erzeugt an dessen am weitesten von der Außenhaut, bzw. der darunter liegenden Struktur des Flugzeugs 2, beabstandeten Stelle den größten Unterdruck. Dort befindet sich eine Saugöffnung 20, die mit einem Sauganschluss 22 der Luft absaugenden Flugzeugrumpfkomponente 8 verbunden ist. Bei einer ausreichenden Fluggeschwindigkeit ist der Sog an der Saugöffnung 20 so stark, dass dieser alleine ausreicht, eine Laminarisierung der Strömung an der Luft absaugenden Flugzeugrumpfkomponente 8 zu schaffen. Grundsätzlich ist die Form des Saugprofilkörpers 14 derart zu gestalten, dass während des Reiseflugs eine vollständig passive Absaugung ermöglicht wird.
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2 zeigt eine Abwandlung dieses Konzepts, bei der der Saugprofilkörper 14 an einer Unterseite des Flugzeugrumpfs 4 angeordnet ist und über eine Leitung 24 mit dem Sauganschluss 22 verbunden ist. Bevorzugt ist der Saugprofilkörper 14 in Längsrichtung des Flugzeugs 2 stromabwärts eines Druckschotts 26 einer in dem Flugzeug 2 gebildeten Kabine angeordnet, so dass die Leitung 24 besonders leicht durch einen nicht druckbeaufschlagten Bereich des Flugzeugs 2 verlegbar ist.
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Sollte in diesem Bereich ein Auslassventil einer Klimatisierungseinrichtung angeordnet sein, empfiehlt es sich, zur Vermeidung von gegenseitigen Strömungsbeeinflussungen den Saugprofilkörper 14 seitlich von dem Auslassventil versetzt oder stromaufwärts dazu anzuordnen.
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Es wird weiterhin eine Verschlussvorrichtung 28 in Form einer Klappe gezeigt, die sich stromaufwärts vor die Saugöffnung 20 verschwenken lässt, um eine Abweiserfunktion bereitstellen zu können. Dadurch wird verhindert, dass bei geöffneter Saugöffnung 20 Dreck, aufgewirbelter Staub oder dergleichen in die Saugöffnung 20 gerät. Zur Erreichung einer Absaugung der turbulenten Grenzschicht während Flugphasen, in denen keine ausreichende Fluggeschwindigkeit bereitsteht, kann zusätzlich eine Luftfördereinrichtung 30 verwendet werden, die aktiv unter Aufnahme von etwa elektrischer Leistung Luft aus der Luft absaugenden Flugzeugrumpfkomponente 8 ermöglicht.
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3 zeigt eine weitere Abwandlung, bei der der Saugprofilkörper an einer lateralen, stromaufwärts gerichteten Vorwölbung 34 eines Verkleidungskörpers einer Flügel-Rumpf-Verkleidung 32 integriert ist. Es ist dabei nicht erforderlich, einen separaten Saugprofilkörper zu konzipieren, sondern es können unter Einsparung von Komponenten sämtliche Aufgaben nur mit einer zusätzlichen Saugleitung 24 erfüllt werden.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
