DE102013226935A1

DE102013226935A1 - Strömungskörper, Tragfläche, Flugzeug und Verfahren zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten

Info

Publication number: DE102013226935A1
Application number: DE102013226935.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Nüssle
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Strömungskörper für ein Flugzeug, mit einem Komponentenkörper, welcher eine Unterdruckseite und eine der Unterdruckseite gegenüberliegenden Überdruckseite aufweist, einem Kanal, welcher einen Lufteintrittskanal mit zumindest einer Öffnung an der Überdruckseite des Komponentenkörpers und einen Luftaustrittskanal mit zumindest einer Öffnung an der Unterdruckseite des Komponentenkörpers aufweist, und einem Durchlassventil, welches in dem Kanal angeordnet ist, und welches dazu ausgelegt ist, den Kanal selektiv gegenüber einem Luftdurchtritt zu verschließen.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Strömungskörper, einer Tragfläche, einem Flugzeug mit einer derartigen Tragfläche, sowie Verfahren zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten, insbesondere an luftumströmten Strömungskörpern oder Tragflächen von Flugzeugen.
Tragflächen von Flugzeugen sind Bauteile, die dazu ausgelegt sind, im Flug für aerodynamischen Auftrieb zu sorgen. Dabei weisen Tragflächen sowie deren Komponenten im Allgemeinen eine Oberseite und eine Unterseite auf, zwischen denen durch die spezielle Geometrie, Bauweise und/oder Ausrichtung gegenüber der Anströmrichtung der Luft eine lokale Druckdifferenz aufgebaut wird, die wiederum eine senkrecht zur Anströmrichtung gerichtete Auftriebskraft erzeugt. Durch diese Auftriebskraft kann das Flugzeug in die Luft gebracht bzw. in der Luft gehalten werden.
Flugzeugtragflächen sind üblicherweise mit gegenüber dem Hauptprofil der Tragfläche verstellbaren Klappen oder Steuerungsflächen ausgestattet, deren Bewegung die Fluglage, die Größe des erzeugten Auftriebs und/oder den Luftwiderstand beeinflussen kann. So können beispielsweise Spoiler oder Störklappen eingesetzt werden, die im ausgefahrenen Zustand nicht nur eine Bremswirkung entfalten, sondern bei einseitiger Betätigung auch für eine Rollbewegung des Flugzeugs um seine Längsachse sorgen können. Das Ausfahren von Spoilern hat durch die Beeinflussung des Strömungsprofils über den Spoilern jedoch auch Auswirkungen auf die aerodynamische Lastverteilung anderer Tragflächenkomponenten in der Nähe des ausgefahrenen Spoilers. Insbesondere unter dem Spoiler angeordnete Auftriebshilfen, sogenannte Flaps, können durch das Ausfahren des Spoilers mechanisch ungünstig belastet werden.
Die Druckschrift US 3,142,457 A offenbart eine Ausgleichsvorrichtung zur Bekämpfung von Strömungsabrissen über Tragflächen, welche sich über die Spannweite erstreckende Strömungskanäle entlang der Hinterkante der Tragfläche aufweist, durch die über Auslassöffnungen Druckluft auf die Oberseite der Tragfläche geleitet werden kann. Die Druckschrift DE 10 2009 011 662 A1 zeigt einen Tragflügel mit einer Vorrichtung zur Strömungsbeeinflussung, bei der durch eine Einlassöffnung in einem Spoiler Luft eingesaugt und über Ausblasöffnungen an der Tragflügeloberfläche vor dem Spoiler wieder ausgeblasen werden kann.
Es besteht jedoch ein Bedarf an Lösungen für die Strömungsbeeinflussung von Strömungskörpern bzw. Tragflächen von Flugzeugen, mit denen während des Fluges auftretenden Veränderungen in der aerodynamischen Lastverteilung auf Strömungskörper bzw. Tragflächen effektiv entgegengewirkt werden kann, so dass die mechanische Belastung der Strömungskörper bzw. Tragflächen vermindert werden kann.
Daher betrifft ein erster Aspekt der Erfindung einen Strömungskörper für ein Flugzeug, mit einem Komponentenkörper, welcher eine Unterdruckseite und eine der Unterdruckseite gegenüberliegenden Überdruckseite aufweist, einem Kanal, welcher einen Lufteintrittskanal mit zumindest einer Öffnung an der Überdruckseite des Komponentenkörpers und einen Luftaustrittskanal mit zumindest einer Öffnung an der Unterdruckseite des Komponentenkörpers aufweist, und einem Durchlassventil, welches in dem Kanal angeordnet ist, und welches dazu ausgelegt ist, den Kanal selektiv gegenüber einem Luftdurchtritt zu verschließen.
Weiterhin betrifft ein zweiter Aspekt der Erfindung eine Tragfläche, mit einem Strömungskörper gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, und einer auf der Seite der Unterdruckseite des Komponentenkörpers angeordneten Störklappe, wobei das Durchlassventil dazu ausgelegt ist, den Kanal in Abhängigkeit von der Betriebsstellung der Störklappe gegenüber einem Luftdurchtritt zu verschließen oder zu öffnen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einem Strömungskörper gemäß dem ersten Aspekt oder einer Tragfläche gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Darüber hinaus betrifft ein vierter Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten an einem luftumströmten Strömungskörper gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, mit den Schritten des Ermittelns von Krafteinwirkungen auf den Komponentenkörper, und des Ansteuerns des Durchlassventils zum Öffnen des Kanals gegenüber einem Luftdurchtritt in Abhängigkeit von den ermittelten Krafteinwirkungen auf den Komponentenkörper.
Schließlich betrifft ein fünfter Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten an einer luftumströmten Tragfläche gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, mit den Schritten des Ermittelns einer Betriebsstellung der Störklappe, und des Ansteuerns des Durchlassventils zum Öffnen des Kanals gegenüber einem Luftdurchtritt in Abhängigkeit von der ermittelten Betriebsstellung der Störklappe.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungskörpers kann der Strömungskörper eine Tragfläche, eine Tragflächenkomponente, eine Auftriebshilfe, ein Trimmruder, ein Querruder, ein Höhenruder, eine Landeklappe oder ein Vorflügel sein. Diese Komponenten sind gegenüber aerodynamischen Überbelastungen besonders anfällig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungskörpers kann der Strömungskörper weiterhin einen beweglichen Verschlusskörper umfassen, welcher dazu ausgelegt ist, die Querschnittsfläche des Kanals in einer Verschlussposition für einen Luftdurchtritt zu verschließen und in einer Öffnungsposition für einen Luftdurchtritt freizugeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungskörpers kann der Strömungskörper weiterhin einen senkrecht zur Luftdurchtrittsrichtung des Kanals translationsfrei gelagerten Schwingkörper, welcher mit dem Verschlusskörper verbunden ist, und ein durch den Schwingkörper belastetes Rückstellelement umfassen, welches mit dem Verschlusskörper gekoppelt ist, und welches den Verschlusskörper federnd in der Verschlussposition in der Querschnittsfläche des Kanals hält, wobei der Verschlusskörper durch auf den Schwingkörper wirkende Beschleunigungen von der Verschlussposition aus der Querschnittsfläche des Kanals heraus in die Öffnungsposition bewegbar ist. Dadurch kann ein automatischer Ausgleich von mechanischen Biegeschwingungen des Strömungskörpers besonders effektiv ausgeglichen werden. Zudem sind keine zusätzlichen aktiven Betätigungskomponenten für die Betätigung des Durchlassventils notwendig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungskörpers kann der Strömungskörper weiterhin ein parallel zu dem Rückstellelement wirkenden Dämpfungselement umfassen, welches dazu ausgelegt ist, Bewegungen des Verschlusskörpers zu dämpfen. Damit kann ein Aufschaukeln des Rückstellelements bei der Anregung von Resonanzfrequenzen vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungskörpers kann der Strömungskörper weiterhin einen Aktuator, welcher mit dem Verschlusskörper gekoppelt ist, und eine Steuervorrichtung umfassen, welche mit dem Aktuator gekoppelt ist, wobei der Aktuator dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Ansteuersignalen der Steuervorrichtung den Verschlusskörper von der Verschlussposition aus der Querschnittsfläche des Kanals heraus in die Öffnungsposition zu bewegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungskörpers kann die Steuervorrichtung dazu ausgelegt sein, Krafteinwirkungen auf den Komponentenkörper zu ermitteln, und die Ansteuersignale in Abhängigkeit von den ermittelten Krafteinwirkungen an den Aktuator auszugeben. Mit einer elektrischen bzw. elektronischen Ansteuerung des Durchlassventils können weitere Parameter in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise Daten des Flugcomputers oder Daten von externen Sensoren.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tragfläche kann die Tragfläche weiterhin einen Seilzugmechanismus umfassen, welcher starr mit der Störklappe einerseits und dem Verschlusskörper andererseits gekoppelt ist, wobei ein Auslenken der Störklappe den Seilzugmechanismus zum Bewegen des Verschlusskörpers von der Verschlussposition in die Öffnungsposition betätigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tragfläche kann die Tragfläche einen Aktuator, welcher mit dem Verschlusskörper gekoppelt ist, und eine Steuervorrichtung, welche mit dem Aktuator gekoppelt ist, umfassen, wobei der Aktuator dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Ansteuersignalen der Steuervorrichtung den Verschlusskörper von der Verschlussposition aus der Querschnittsfläche des Kanals heraus in die Öffnungsposition zu bewegen. Mit einem elektrischen bzw. elektronischen Aktuator kann das Durchlassventil vorteilhafterweise auch unabhängig von der Betätigung der Störklappe angesteuert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tragfläche kann die Steuervorrichtung dazu ausgelegt sein, die Betriebsstellung der Störklappe zu ermitteln, und die Ansteuersignale in Abhängigkeit von der ermittelten Betriebsstellung der Störklappe an den Aktuator auszugeben.
Die Erfindung wird im Folgenden genauer im Zusammenhang und in Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen wie in den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die beigefügten Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und illustrieren beispielhafte Ausführungsvarianten der Erfindung. Sie dienen zur Erläuterung von Prinzipien, Vorteilen, technischen Effekten und Variationsmöglichkeiten. Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile der Erfindung ebenso denkbar, insbesondere mit Blick auf die im Folgenden dargestellte ausführliche Beschreibung der Erfindung. Die Elemente in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt und aus Gründen der Übersichtlichkeit teils vereinfacht oder schematisiert dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichartige Komponenten oder Elemente.
1 zeigt eine schematische Illustration einer Querschnittsansicht eines Strömungskörpers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Illustration einer Ventilsteuervorrichtung für den Strömungskörper in 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Illustration einer anderen Ventilsteuervorrichtung für den Strömungskörper in 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine schematische Illustration einer Querschnittsansicht einer Tragfläche mit einer Auftriebshilfe und einem Spoiler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine schematische Illustration einer weiteren Querschnittsansicht einer Tragfläche mit einer Auftriebshilfe und einem Spoiler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine schematische Illustration einer Draufsicht auf eine Auftriebshilfe nach 4 oder 5 bzw. einer Draufsicht auf einen Strömungskörper nach 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt ein Blockdiagramm für ein Verfahren zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten an einem luftumströmten Strömungskörper gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt ein Blockdiagramm für ein Verfahren zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten an einer luftumströmten Tragfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Obwohl hierin spezielle Ausführungsformen beschrieben und dargestellt sind, ist es für einen Fachmann klar, dass eine Fülle weiterer, alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen für die Ausführungsformen gewählt werden können, ohne im Wesentlichen vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen sollen alle Variationen, Modifikationen und Abwandlungen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ebenfalls von der Erfindung als abgedeckt gelten.
1 zeigt eine schematische Illustration einer Querschnittsansicht durch einen Strömungskörper 10. Der Strömungskörper 10 kann beispielsweise ein Teil einer Tragfläche eines Flugzeugs sein, zum Beispiel ein Tragflächenabschnitt oder eine Steuerungsklappe wie beispielsweise eine Auftriebshilfe, ein Trimmruder, ein Querruder, ein Höhenruder, eine Landeklappe, ein Vorflügel oder eine Kippnase. Es kann auch möglich sein, dass der Strömungskörper 10 eine komplette Tragfläche eines Flugzeugs umfasst. Der Strömungskörper 10 weist prinzipiell einen Komponentenkörper 11 auf, der eine Unterdruckseite 13 und eine Überdruckseite 12 aufweist. Beispielsweise kann die Unterdruckseite 13 eine Oberseite 13 des Strömungskörpers 10 sein, und die Überdruckseite 12 kann eine Unterseite 12 des Strömungskörpers 10 sein. Die Unterdruckseite 13 und die Überdruckseite 12 können beliebige äußere Form aufweisen, und insbesondere gewölbt sein. Die Unterdruckseite 13 der Tragflächenkomponente 10 ist im Allgemeinen die vom Boden weg weisende Oberfläche der Tragflächenkomponente 10, während die Überdruckseite 12 die bodennahe, der Unterdruckseite 13 gegenüberliegende Oberfläche der Tragflächenkomponente 10 ist.
Durch den Komponentenkörper 11 der Tragflächenkomponente 10 ist ein luftdurchlässiger Kanal ausgebildet, der einen Lufteintrittskanal 4, eine Luftkammer 5 und einen Luftaustrittskanal 7 aufweisen kann. Der Lufteintrittskanal 4 weist in einem ersten Bereich 1 an der Überdruckseite 12 des Komponentenkörpers 11 eine oder mehrere Öffnungen auf, durch die Luft in den Lufteintrittskanal 4 eintreten kann. Die in den Lufteintrittskanal 4 eintretende Luft wird in die Luftkammer 5 geleitet und von dort über den Luftaustrittskanal 7 zu einer oder mehreren in einem zweiten Bereich 2 an der Unterdruckseite 13 des Komponentenkörpers ausgebildeten Öffnungen geführt.
Die Luftführung in dem Kanal ist passiv, das heißt, dass keine aktiven Luftfördereinrichtungen oder Pumpen in dem Kanal vorgesehen sein müssen, die die Luft durch aktive Energiezufuhr von den Öffnungen an der Überdruckseite 12 zu den Öffnungen an der Unterdruckseite 13 befördern können. Die Luftführung wird vielmehr durch einen Druckunterschied zwischen dem (lokalen) Luftdruck an der Überdruckseite 12 der Tragflächenkomponente 10 und dem (lokalen) Luftdruck an der Unterdruckseite 13 der Tragflächenkomponente 10 gewährleistet. Im normalen Flugbetrieb eines die Tragflächenkomponente 10 einsetzenden Flugzeugs wird dadurch Auftrieb generiert, dass die Strömungsverhältnisse um die Tragflächenkomponente 10 herum eine Druckdifferenz zwischen den lokalen Luftdrücken an der Unterdruckseite 13 und Überdruckseite 12 herstellen. Wenn der lokale Druck an der Überdruckseite 12 höher als der an der Unterdruckseite 13 ist, wird Luft im ersten Bereich 1 in den Kanal einströmen, durch den Kanal geführt und an der Unterdruckseite 13 im zweiten Bereich 2 wieder ausgestoßen.
Die Öffnung(en) des Luftaustrittskanals 7 im zweiten Bereich kann/können dergestalt sein, dass die Austrittsrichtung der durch den Kanal geführten Luft im Wesentlichen senkrecht zu einer die Tragflächenkomponente 10 umströmenden Luftströmung 3a steht. Durch die lokale Ausblasung der Luft im zweiten Bereich 2 senkrecht zur Hauptströmungsrichtung bilden sich lokale Turbulenzen 3b in der Luftströmung 3a aus, die zu lokalen Strömungsablösungen führen. Dadurch erhöht sich der lokale Druck an der Unterdruckseite 13 geringfügig, und die aerodynamische Last auf die Tragflächenkomponente 10 nimmt ab.
In dem Kanal, beispielsweise in dem Luftaustrittskanal 7, ist zudem ein Durchlassventil 6 ausgebildet. Das Durchlassventil 6 kann jedoch ebenso auch in dem Lufteintrittskanal 4 platziert werden. Das Durchlassventil 6 dient zur selektiven Verschließung des Kanals gegenüber einem Luftdurchtritt. Dazu kann ein Verschlusskörper vorgesehen sein, welcher in einer Verschlussposition in den Kanal verbracht wird und den Kanal gegenüber einem Luftdurchtritt fluidisch dicht verschließt. In einer Öffnungsposition wird der Verschlusskörper aus dem Kanal zumindest teilweise herausbewegt, so dass der Kanal gegenüber einem Luftdurchtritt offen ist. Es ist beispielsweise auch möglich, durch den Öffnungsgrad des Kanals, d.h. durch den prozentualen Anteil der Luftdurchtrittsfläche im Kanal, den der Verschlusskörper freigibt, eine oder mehrere Zwischenpositionen zu definieren, so dass der Luftstrom durch den Kanal über das Durchlassventil 6 kontrolliert werden kann.
2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltungsmöglichkeit für ein Durchlassventil 6. Das Durchlassventil 6 weist einen beweglichen Verschlusskörper 21 auf, welcher dazu ausgelegt ist, die Querschnittsfläche des Kanals 8, beispielsweise des Lufteintrittskanals 4 oder des Luftaustrittskanals 7, in einer Verschlussposition für einen Luftdurchtritt zu verschließen und in einer Öffnungsposition für einen Luftdurchtritt freizugeben. Gezeigt ist der Verschlusskörper 21 in einer Öffnungsposition. Mit dem Verschlusskörper 21 ist ein senkrecht zur Luftdurchtrittsrichtung des Kanals 8 translationsfrei gelagerter Schwingkörper 22 verbunden. Der Schwingkörper 22 ist ein massebehaftetes Pendelelement, welches bei Beschleunigung Trägheitskräfte auf den Verschlusskörper 21 ausübt.
Über ein durch den Schwingkörper 22 belastetes Rückstellelement 24, welches mit dem Verschlusskörper 21 gekoppelt ist, ist der Verschlusskörper 21 federnd in der Verschlussposition gelagert. In Abwesenheit von Beschleunigungen auf den Schwingkörper 22 kann die Masse des Schwingkörpers 22 mit der Rückstellkraft des Rückstellelements 24 so in Einklang gebracht werden, dass der Verschlusskörper 21 gerade den Kanal 8 fluidisch verschließt. Erst bei Krafteinwirkung auf die Tragflächenkomponente 10 und damit den Schwingkörper 21 lenkt der Schwingkörper 22 den Verschlusskörper 21 aus der Verschlussposition in eine Öffnungsposition aus. Wenn die Beschleunigung wieder abnimmt, zieht das Rückstellelement 24 den Verschlusskörper 21 wieder in die Verschlussposition in der Querschnittsfläche des Kanals 8 zurück.
Diese Mechanik kann hilfreich sein, wenn die Tragfläche und/oder die Tragflächenkomponente 10 in Schwingung gerät, beispielsweise aufgrund hoher aerodynamischer Lasten. In diesem Fall kann das Durchlassventil 6 gezielt bei hoher Krafteinwirkung geöffnet werden, so dass Luft durch den Luftaustrittskanal 7 ausgeblasen wird und somit die laminare Strömung an der Unterdruckseite 13 der Tragflächenkomponente 10 durch Turbulenzen vermindert wird.
Parallel zu dem Rückstellelement 24 kann ein Dämpfungselement 25 angeordnet werden, welches dazu ausgelegt ist, Bewegungen des Verschlusskörpers 21 zu dämpfen. Dies verhindert ein Aufschaukeln der Bewegungen des Verschlusskörpers, wenn Vibrationen der Tragflächenkomponente 10 gerade eine mit der Resonanzfrequenz des Verstellmechanismus für den Verschlusskörper übereinstimmende Momentanfrequenz aufweisen.
3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltungsmöglichkeit für ein Durchlassventil 6. Das Durchlassventil 6 weist wie in 2 ebenfalls einen beweglichen Verschlusskörper 21 auf, welcher dazu ausgelegt ist, die Querschnittsfläche des Kanals 8, beispielsweise des Lufteintrittskanals 4 oder des Luftaustrittskanals 7, in einer Verschlussposition für einen Luftdurchtritt zu verschließen und in einer Öffnungsposition für einen Luftdurchtritt freizugeben. Gezeigt ist der Verschlusskörper 21 in einer Öffnungsposition.
Der Verschlusskörper 21 wird durch einen Aktuator 26 angesteuert, welcher mit dem Verschlusskörper 21 gekoppelt ist. Der Aktuator 26 kann Ansteuersignale durch eine Steuervorrichtung 27 empfangen, welche mit dem Aktuator 26 gekoppelt ist, so dass der Aktuator 26 in Abhängigkeit von Ansteuersignalen der Steuervorrichtung 27 den Verschlusskörper 21 von der Verschlussposition in die Öffnungsposition bewegen kann. Dazu kann die Steuervorrichtung 27 Krafteinwirkungen auf den Komponentenkörper 11 ermitteln, und diese ermittelten Krafteinwirkungen als Basis für die Generierung der Ansteuersignale für den Aktuator 26 verwenden.
4 zeigt eine schematische Illustration einer Querschnittsansicht durch eine Tragfläche 40 eines Flugzeugs. Die Tragfläche 40 umfasst dabei eine am Tragflächenhauptkörper 34 des Flugzeugs angeordnete Hochauftriebsklappe oder Auftriebshilfe 30, welche durch einen (nicht explizit dargestellten) Stellantrieb zwischen einer eingefahrenen Stellung, in welcher die Kontur der Auftriebshilfe 30 das Tragflächenprofil im Wesentlichen spaltfrei fortsetzt, und mehreren ausgefahrenen Stellungen, in welchen sich ein Spalt gegebener Breite zwischen Tragflächenhauptkörper 34 und Auftriebshilfe 30 bildet, verstellbar ist. Die Verstellung erfolgt dabei durch Drehung der Auftriebshilfe 30 um einen Drehpunkt 32 eines oder mehrerer gegenüber der sich in der Zeichenebene erstreckenden Auftriebshilfe 30 vergleichsweise schmaler Klappenträger 37, welche(r) an der Unterseite 12 des Tragflächenhauptkörpers 34 angebracht ist/sind. Die Auftriebshilfe 30 selbst kann an ihrem Komponentenkörper 11 über eine Anlenkstange 31 am Drehpunkt 32 angelenkt sein. Durch Drehung der Anlenkstange 31 um den Drehpunkt 32 ist die Auftriebshilfe 30 aufgrund der starren Verbindung der Anlenkstange 31 mit der Auftriebshilfe 30 in einem vorgegebenen Winkel gegen das Tragflächenprofil anstellbar. Die in 4 dargestellte Anordnung wird auch als „Dropped Hinge“-Kinematik bezeichnet.
Das Ausfahren der Auftriebshilfe 30 erfolgt ganz allgemein in einer Bewegung, welche einerseits eine Verlagerung der Auftriebshilfe 30 gegenüber dem Tragflächenhauptkörper 34 nach hinten bewirkt. Dadurch kann eine Verlängerung des wirksamen Tragflächenprofils erreicht werden. Andererseits kann der Anstellwinkel der Auftriebshilfe 30 geändert werden, so dass sich die Profilwölbung des Tragflächenprofils und damit der aerodynamische Auftrieb vergrößert.
Durch den sich zwischen dem Komponentenkörper 11 der Auftriebshilfe 30 und dem Tragflächenhauptkörper 34 bei der Ausfahrbewegung bildenden Spalt strömt unter hoher Geschwindigkeit Luft von der Überdruckseite bzw. Unterseite 12 zur Unterdruckseite bzw. Oberseite 13. Wie in 4 dargestellt, ist die Auftriebshilfe 30 als Fowler-Klappe ausgebildet, wobei die translatorische Rückwärtsbewegung der Auftriebshilfe 30 der rotatorischen Bewegung zur Vergrößerung des Anstellwinkels überlagert ist. Diese kombinierte Bewegung wird auch als Fowler-Bewegung bezeichnet.
Die Tragfläche 40 weist einer auf der Seite der Unterdruckseite 13 des Komponentenkörpers 11 angeordnete Störklappe 33 auf, auch Spoiler 33 genannt. Die Störklappe 33 ist eine bewegliche Klappe auf der Oberseite des Tragflächenhauptkörpers 34, die um einen Drehpunkt am Tragflächenhauptkörper 34 gedreht werden kann. Dabei kann die Störklappe 33 verschiedene Betriebsstellungen einnehmen: In einer eingeklappten Position (wie in 4 dargestellt) setzt die Kontur der Störklappe 33 das Tragflächenprofil im Wesentlichen spaltfrei fort. Dadurch kann die Strömung an der Unterdruckseite 13 des Tragfläche 40 im Wesentlichen ungehindert an der Störklappe 33 vorbeiströmen. Beim teilweisen (symmetrischen) Ausfahren der Störklappen an beiden Tragflächen des Flugzeugs im Flug entlang der Störklappenauslenkung S verringern sie den Auftrieb der Tragfläche 40 und ermöglichen durch Verschlechterung des Gleitwinkels ein Sinken, ohne dass die Längsachse des Flugzeugs nach vorne kippt. Wird der Anstellwinkel erhöht, hält das Flugzeug die Höhe und baut Geschwindigkeit durch den höheren Luftwiderstand ab.
Die Störklappen 33 von Tragflächen 40 entgegengesetzter Seiten des Flugzeugs können auch asymmetrisch ausgefahren werden: Dadurch wird der Auftrieb nur an einer Seite des Flugzeugs verringert, wodurch eine Rollbewegung des Flugzeugs, das sogenannte „Banking“, erzeugt werden kann.
Ähnlich wie in 1 bis 3 dargestellt, weist der Komponentenkörper 11 einen luftdurchlässigen Kanal auf, der einen Lufteintrittskanal 4 und einen Luftaustrittskanal 7 aufweist. Im vorliegenden Fall ist der Lufteintrittskanal 4 in dem Klappenträger 37 ausgebildet und führt durch den Klappenkörper 37 und die Anlenkstange 31 hindurch in den Komponentenkörper 11 der Auftriebshilfe 30. Um die volle Beweglichkeit der Anlenkstange 31 und damit der Auftriebshilfe 30 sicherzustellen, kann der Kanal beispielsweise durch einen flexiblen Gummischlauch gebildet werden. Der Lufteintrittskanal 4 weist in einem ersten Bereich 1 an der Überdruckseite bzw. Unterseite 12 des Klappenkörpers 37 eine oder mehrere Öffnungen auf, durch die Luft in den Lufteintrittskanal 4 eintreten kann. Die in den Lufteintrittskanal 4 eintretende Luft wird über den Luftaustrittskanal 7 zu einer oder mehreren in einem zweiten Bereich an der Unterdruckseite bzw. Oberseite 13 des Komponentenkörpers 11 ausgebildeten Öffnungen geführt.
Eine mögliche Geometrie für die Öffnungen ist in 6 schematisch in Draufsicht illustriert: Der Luftaustrittskanal 7 kann längs entlang der Erstreckungsrichtung des Komponentenkörpers 11 in einem Luftverteilerkanal 7b verlaufen. Der Luftverteilerkanal 7b kann dabei in bestimmten Abständen entlang der Oberfläche der Unterdruckseite 13 des Komponentenkörpers 11 Luftaustrittsöffnungen 7a aufweisen, durch die die Luft aus dem Kanal 8 austreten kann. Die Luftaustrittsöffnungen 7a können in Bereichen des Komponentenkörpers 11 ausgebildet sein, die gegenüber aerodynamischen Lasten besonders anfällig sind, beispielsweise in Bereichen an den Tragflächenenden.
Der Kanal 8 weist ein Durchlassventil 6 auf, welches dazu ausgelegt ist, den Kanal 8 in Abhängigkeit von der Betriebsstellung der Störklappe 33 gegenüber einem Luftdurchtritt zu verschließen oder zu öffnen. Im Beispiel der 4 kann dies über einen Seilzugmechanismus 35 erfolgen, welcher starr mit der Störklappe 33 einerseits und dem Verschlusskörper 21 andererseits gekoppelt ist. Wenn die Störklappe 33 in Richtung der mit dem Pfeil S angedeuteten Störklappenauslenkung ausgelenkt wird, wird der Seilzugmechanismus 35 in der Betätigungsrichtung V betätigt. Über eine oder mehrere Rollen kann der Seilzug einen Verschlusskörper des Durchlassventils 6 von der Verschlussposition in eine Öffnungsposition verbringen.
Der Seilzugmechanismus 35 kann dabei weiterhin ein Rückstellelement 36 wie beispielsweise eine Feder aufweisen, welche das Durchlassventil 6 nach einem Rücksetzen der Störklappe 33 in eine inaktive Betriebsstellung wieder sicher verschließt.
5 zeigt eine schematische Illustration einer Querschnittsansicht durch eine Tragfläche 40 gemäß einer weiteren Variante. Die Tragfläche 40 in 5 unterscheidet sich von der Tragfläche 40 in 4 im Wesentlichen in der Art der Betätigung des Durchlassventils 6. Wie in 5 schematisch dargestellt, kann es möglich sein, einen Aktuator 26 vorzusehen, welcher mit dem Verschlusskörper 21 gekoppelt ist. Eine Steuervorrichtung 27 kann Ansteuersignale an den Aktuator 26 abgeben, in Abhängigkeit von einer ermittelten Betriebsstellung der Störklappe 33. Dazu kann die Steuervorrichtung 27 die Aktivierung der Störklappe 33 einerseits und gegebenenfalls andere Parameter, wie zum Beispiel Flugcomputerdaten, andererseits auswerten. Der Aktuator 26 empfängt die Ansteuersignale von der Steuervorrichtung und ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen der Steuervorrichtung 27 den Verschlusskörper des Durchlassventils 6 von der Verschlussposition aus der Querschnittsfläche des Kanals 8 heraus in die Öffnungsposition und gegebenenfalls wieder zurück zu bewegen.
7 zeigt ein Blockdiagramm für ein Verfahren M1 zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten an einer luftumströmten Tragflächenkomponente. Das Verfahren M1 kann beispielsweise in der Tragflächenkomponente 10 wie im Zusammenhang mit dem 1 bis 3 erläutert eingesetzt werden. Zunächst erfolgt bei M11 ein Ermitteln von Krafteinwirkungen auf den Komponentenkörper 11 der Tragflächenkomponente. In Abhängigkeit von den ermittelten Krafteinwirkungen kann dann bei M12 das Durchlassventil 6 zum Öffnen des Kanals 8 gegenüber einem Luftdurchtritt angesteuert werden.
8 zeigt ein Blockdiagramm für ein Verfahren M2 zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten an einer luftumströmten Tragfläche. Das Verfahren M2 kann beispielsweise für die Tragfläche 40 wie im Zusammenhang mit dem 4 bis 6 erläutert eingesetzt werden. Bei M21 wird zunächst eine Betriebsstellung der Störklappe 33 ermittelt. In Abhängigkeit von der ermittelten Betriebsstellung der Störklapp 3 wird das Durchlassventils 6 bei M22 zum Öffnen des Kanals 8 gegenüber einem Luftdurchtritt geöffnet.
Mit den Verfahren M1 und M2 sowie den vorstehend erläuterten Tragflächenkomponenten können Situationen vermieden werden, in denen die aerodynamischen Belastungen auf die Tragfläche zu hoch werden. Beispielsweise können beim Abheben eines Flugzeugs kleine Auslenkungen der Störklappe 33 zu erheblichen Vergrößerungen der aerodynamischen Lasten an der Auftriebshilfe 30 führen. Durch gezieltes Einbringen von Verwirbelungen durch das Ausblasen von Luft an der Unterdruckseite bzw. Oberseite 13 der Auftriebshilfe 30 können diese auftriebsbedingten Belastungsschwankungen verringert werden. Beim Landen eines Flugzeugs kann es bei bestimmten Störklappenanstellwinkeln zu einer Ablösung der Auftriebshilfen 30 kommen, wodurch es zu unerwünschten Rollbewegungen des Flugzeugs kommen kann. Durch das Ausblasen von Luft an der Oberseite der Auftriebshilfen 30 werden diese Schwierigkeiten abgemildert. Darüber hinaus können Rollbewegungen durch asymmetrische Störklappenaktuierung vorteilhafterweise dadurch verstärkt werden, dass der ansonsten der Rollbewegung entgegenwirkende vergrößerte Auftrieb durch die Auftriebshilfen vermindert wird.
Bezugszeichenliste

1: erster Bereich
2: zweiter Bereich
3a: laminare Luftströmung
3b: lokale Turbulenzen
4: Lufteintrittskanal
5: Luftkammer
6: Durchlassventil
7: Luftaustrittskanal
7a: Luftaustrittsöffnung
7b: Luftverteilerkanal
8: Kanal
10: Strömungskörper
11: Komponentenkörper
12: Überdruckseite
13: Unterdruckseite
21: Verschlusskörper
22: Schwingkörper
23: Seilzug
24: Rückstellelement
25: Dämpfungselement
26: Aktuator
27: Steuervorrichtung
30: Auftriebshilfe
31: Anlenkstange
32: Anlenkpunkt
33: Störklappe
34: Tragflächenhauptkörper
35: Seilzugmechanismus
36: Rückstellelement
37: Klappenträger
40: Tragfläche
L: Luftströmrichtung
M1: Verfahren
M11: Verfahrensschritt
M12: Verfahrensschritt
M2: Verfahren
M21: Verfahrensschritt
M22: Verfahrensschritt
S: Störklappenauslenkung
V: Seilzugbetätigung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3142457 A [0004]
DE 102009011662 A1 [0004]

Claims

Strömungskörper (10) für ein Flugzeug, mit: einem Komponentenkörper (11), welcher eine Unterdruckseite (13) und eine der Unterdruckseite (13) gegenüberliegenden Überdruckseite (12) aufweist; einem Kanal (8), welcher einen Lufteintrittskanal (4) mit zumindest einer Öffnung an der Überdruckseite (12) des Komponentenkörpers (11) und einen Luftaustrittskanal (7) mit zumindest einer Öffnung an der Unterdruckseite (13) des Komponentenkörpers (11) aufweist; und einem Durchlassventil (6), welches in dem Kanal (8) angeordnet ist, und welches dazu ausgelegt ist, den Kanal (8) selektiv gegenüber einem Luftdurchtritt zu verschließen.
Strömungskörper (10) nach Anspruch 1, wobei der Strömungskörper (10) eine Tragfläche, eine Tragflächenkomponente, eine Auftriebshilfe, ein Trimmruder, ein Querruder, ein Höhenruder, eine Landeklappe oder ein Vorflügel ist.
Strömungskörper (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, weiterhin mit: einem beweglichen Verschlusskörper (21), welcher dazu ausgelegt ist, die Querschnittsfläche des Kanals (8) in einer Verschlussposition für einen Luftdurchtritt zu verschließen und in einer Öffnungsposition für einen Luftdurchtritt freizugeben.
Strömungskörper (10) nach Anspruch 3, weiterhin mit: einem senkrecht zur Luftdurchtrittsrichtung des Kanals (8) translationsfrei gelagerten Schwingkörper (22), welcher mit dem Verschlusskörper (21) verbunden ist; und einem durch den Schwingkörper (22) belasteten Rückstellelement (24), welches mit dem Verschlusskörper (21) gekoppelt ist, und welches den Verschlusskörper (21) federnd in der Verschlussposition in der Querschnittsfläche des Kanals (8) hält, wobei der Verschlusskörper (21) durch auf den Schwingkörper (22) wirkende Beschleunigungen von der Verschlussposition aus der Querschnittsfläche des Kanals (8) heraus in die Öffnungsposition bewegbar ist.
Strömungskörper (10) nach Anspruch 3, weiterhin mit: einem parallel zu dem Rückstellelement (24) wirkenden Dämpfungselement (25), welches dazu ausgelegt ist, Bewegungen des Verschlusskörpers (21) zu dämpfen.
Strömungskörper (10) nach Anspruch 3, weiterhin mit: einem Aktuator (26), welcher mit dem Verschlusskörper (21) gekoppelt ist; und einer Steuervorrichtung (27), welche mit dem Aktuator (26) gekoppelt ist, wobei der Aktuator (26) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Ansteuersignalen der Steuervorrichtung (27) den Verschlusskörper (21) von der Verschlussposition aus der Querschnittsfläche des Kanals (8) heraus in die Öffnungsposition zu bewegen.
Strömungskörper (10) nach Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung (27) dazu ausgelegt ist, Krafteinwirkungen auf den Komponentenkörper (11) zu ermitteln, und die Ansteuersignale in Abhängigkeit von den ermittelten Krafteinwirkungen an den Aktuator (26) auszugeben.
Tragfläche (40) für ein Flugzeug, mit: einem Strömungskörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3; und einer auf der Seite der Unterdruckseite (13) des Komponentenkörpers (11) angeordneten Störklappe (33), wobei das Durchlassventil (6) dazu ausgelegt ist, den Kanal (8) in Abhängigkeit von der Betriebsstellung der Störklappe (33) gegenüber einem Luftdurchtritt zu verschließen oder zu öffnen.
Tragfläche (40) nach Anspruch 8, wobei der Strömungskörper (10) gemäß Anspruch 3 ausgebildet ist, weiterhin mit: einem Seilzugmechanismus (35), welcher starr mit der Störklappe (33) einerseits und dem Verschlusskörper (21) andererseits gekoppelt ist, wobei ein Auslenken der Störklappe (33) den Seilzugmechanismus (35) zum Bewegen des Verschlusskörpers (21) von der Verschlussposition in die Öffnungsposition betätigt.
Tragfläche (40) nach Anspruch 8, wobei der Strömungskörper (10) gemäß Anspruch 3 ausgebildet ist, weiterhin mit: einem Aktuator (26), welcher mit dem Verschlusskörper (21) gekoppelt ist; und einer Steuervorrichtung (27), welche mit dem Aktuator (26) gekoppelt ist, wobei der Aktuator (26) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Ansteuersignalen der Steuervorrichtung (27) den Verschlusskörper (21) von der Verschlussposition aus der Querschnittsfläche des Kanals (8) heraus in die Öffnungsposition zu bewegen.
Tragfläche (40) nach Anspruch 10, wobei die die Steuervorrichtung (27) dazu ausgelegt ist, die Betriebsstellung der Störklappe (33) zu ermitteln, und die Ansteuersignale in Abhängigkeit von der ermittelten Betriebsstellung der Störklappe (33) an den Aktuator (26) auszugeben.
Verfahren (M1) zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten an einem luftumströmten Strömungskörper (10) gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 3, 6 und 7, mit den Schritten: Ermitteln (M11) von Krafteinwirkungen auf den Komponentenkörper (11); und Ansteuern (M12) des Durchlassventils (6) zum Öffnen des Kanals (8) gegenüber einem Luftdurchtritt in Abhängigkeit von den ermittelten Krafteinwirkungen auf den Komponentenkörper (11).
Verfahren (M2) zum Ausgleichen aerodynamischer Lasten an einer luftumströmten Tragfläche (40) gemäß einem der Ansprüche 8, 10 und 11, mit den Schritten: Ermitteln (M21) einer Betriebsstellung der Störklappe (33); und Ansteuern (M22) des Durchlassventils (6) zum Öffnen des Kanals (8) gegenüber einem Luftdurchtritt in Abhängigkeit von der ermittelten Betriebsstellung der Störklappe (33).
Flugzeug, mit einem Strömungskörper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer Tragfläche (40) nach einem der Ansprüche 8 bis 11.