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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tragfläche für ein Luftfahrzeug, umfassend ein Triebwerk, einen ersten Auftriebskörper und einen zweiten Auftriebskörper, welcher in Strömungsrichtung der Tragfläche hinter dem ersten Auftriebskörper angeordnet ist, wobei der zweite Auftriebskörper relativ zum ersten Auftriebskörper verschwenkbar ist zwischen einer Reiseflugstellung, in welcher beide Auftriebskörper zusammen in Strömungsrichtung einen gestreckten und im Wesentlichen kontinuierlichen Querschnitt der Tragfläche definieren, und einer Start-/Landestellung, in welcher der zweite Auftriebskörper relativ zum ersten Auftriebskörper nach unten abgewinkelt ist, um eine Auftriebskraft der Tragfläche zu vergrößern. Ferner betrifft die Erfindung ein Luftfahrzeug, welches eine derartige Tragfläche aufweist.
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In bekannten Tragflächen ist zumeist ein in Strömungsrichtung vorderer erster Auftriebskörper als größeres und statisch tragendes Element dafür eingerichtet, am Rumpf des Luftfahrzeugs befestigt zu werden, während ein in Strömungsrichtung hinterer zweiter Auftriebskörper in Form einer Landeklappe oder eines Querruders um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Achse schwenkbar am ersten Auftriebskörper angeordnet ist. Ein Triebwerk herkömmlicher Luftfahrzeuge kann sich am Bug oder am Heck des Rumpfes oder an einer Vorderseite oder Unterseite des ersten Auftriebskörpers der Tragfläche befinden. Es sorgt für den notwendigen Schub und ist somit am Luftfahrzeug derart befestigt, dass die Schubrichtung des Triebwerks in Flugrichtung orientiert ist.
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Ferner sind Senkrechtstarter bekannt, welche für einen Schwebeflug eingerichtet sind und hierfür Triebwerke aufweisen, die um horizontal verlaufende Schwenkachsen drehbar sind. Während des Starts oder der Landung oder während des Schwebeflugs sind die Triebwerke in eine Start-Landestellung gestellt, in der die Schubrichtung vertikal nach oben orientiert ist. Zur Beschleunigung des Luftfahrzeugs nach dem Abheben werden die Triebwerke dann kontinuierlich so verschwenkt, dass die Schubrichtung schließlich in Vorwärtsrichtung weist, wenn die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs die Mindestfluggeschwindigkeit erreicht.
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Senkrechtstarter weisen offensichtliche Vorteile einer größeren Flexibilität beim Starten und Landen auf, reichen jedoch hinsichtlich ihrer Effektivität und Langstreckentauglichkeit derzeit nicht an konventionelle Flugzeuge heran. Flugzeuge herkömmlicher Art hingegen sind nur oberhalb einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit flugfähig und benötigen dementsprechend große Start- und Landeanlagen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tragfläche für ein Luftfahrzeug bereitzustellen, welches eine niedrige Mindestgeschwindigkeit aufweist oder gar als Senkrechtstarter betreibbar ist und welches dabei gleichzeitig einen effizienten Reiseflug erlaubt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Erfindungsaufgabe gelöst durch eine Tragfläche nach Anspruch 1.
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Nach einem wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung des ersten Aspekts ist das Triebwerk an dem in Strömungsrichtung hinteren, zweiten Auftriebskörper angeordnet. Auf diese Weise wird folgender technischer Effekt erzielt. Vergleichbar mit dem Ausfahren von Landungsklappen beim Start oder bei der Landung eines konventionellen Flugzeugs bewirkt eine Abwinklung des zweiten Auftriebskörpers relativ zum ersten Auftriebskörper eine Vergrößerung des Auftriebs, was beim Langsamflug, z. B. während Start und Landung, von großer Bedeutung ist. Diese Verschwenkung des zweiten Auftriebskörpers nach unten während des Langsamflugs kann nun erfindungsgemäß dazu benutzt werden, die Schubrichtung des an diesem zweiten Auftriebskörper befestigten Triebwerks ebenfalls zu verschwenken, nämlich in Aufwärtsrichtung zu neigen. Je nach Neigungsrichtung des Triebwerks kann dessen Schub somit teilweise oder vollständig ebenfalls zur Vergrößerung der Auftriebskraft genutzt werden, sodass die Mindestgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs reduziert werden kann.
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Darüber hinaus wird durch die Montage des Triebwerks am zweiten Auftriebskörper bei einem Langsamflug (insbesondere bei Start oder Landung) der folgende weitere Effekt erzielt. Ist während des Langsamflugs der zweite Auftriebskörper relativ zum ersten Auftriebskörper nach unten abgewinkelt, so erfolgt ab einem bestimmten Einstellwinkel der Tragfläche bzw. bei Abfall der Geschwindigkeit unter die Mindestgeschwindigkeit ein Strömungsabriss auf der Oberseite der Tragfläche, der zum Auftriebsverlust führt. Dieser Strömungsabriss definiert die Mindestgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs. Der Strömungsabriss beginnt im hinteren Teil der Tragfläche am zweiten Auftriebskörper, da dieser nach unten abgewinkelt ist und somit insgesamt am stärksten gegen die Flugrichtung geneigt ist. Durch die Montage des Triebwerks am zweiten Auftriebskörper wird dieser beginnende Strömungsabriss besonders wirkungsvoll verhindert, da das Triebwerk die für seinen Betrieb angesaugte sowie ausgestoßene Luft gerade in der Richtung der Luftströmung fördert, die zur Erhaltung des Auftriebs der Tragfläche notwendig ist, nämlich entlang der Oberfläche der Tragfläche. Dieser Effekt sorgt für eine weitere Reduzierung der Mindestgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs.
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Grundsätzlich wäre es denkbar, die oben angesprochene Schwenkbewegung zwischen erstem und zweitem Auftriebskörper zur Verstellung zwischen Reiseflugstellung und Start-Landestellung durch eine schwenkbare Lagerung des zweiten Auftriebskörpers an einem Rumpf eines Luftfahrzeugs zu realisieren. Vorzugsweise weist jedoch der erste Auftriebskörper Befestigungsmittel zur tragenden Befestigung der Tragfläche an einem Rumpf auf oder ist integral mit einem Rumpf eines Luftfahrzeugs verbunden, da der erste Auftriebskörper relativ zum Rumpf insbesondere unbeweglich sein kann und somit vorteilhaft den Befestigungsabschnitt zum Rumpf ausbildet.
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Da das Triebwerk erfindungsgemäß am zweiten Auftriebskörper befestigt ist und somit mit dem zweiten Auftriebskörper zusammen verschwenkbar ist, kann das Triebwerk ohne Bereitstellung eines zusätzlichen Schwenkmechanismus oder dergleichen starr am zweiten Auftriebskörper befestigt sein, sodass eine Schubrichtung des Triebwerks parallel zur Strömungsrichtung des zweiten Auftriebskörpers verläuft.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Reiseflugstellung die Strömungsrichtung des ersten Auftriebskörpers im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des zweiten Auftriebskörpers verläuft und dass in der Start-Landestellung eine Strömungsrichtung des ersten Auftriebskörpers im Wesentlichen orthogonal zu einer Strömungsrichtung des zweiten Auftriebskörpers verläuft. In dieser Ausführungsform kann der zweite Auftriebskörper in der Start-Landestellung so eingestellt werden, dass die von ihm abgelenkte Strömung vertikal nach unten gerichtet ist und gleichzeitig kann die Schubrichtung des am zweiten Auftriebskörper befestigten Triebwerks vertikal nach oben weisen. Die Tragfläche ist dann für einen Schwebeflug bzw. für senkrechtes Starten und Landen ausgelegt.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Tragfläche für ein Luftfahrzeug, insbesondere eine Tragfläche nach dem oben beschriebenen ersten Aspekt der Erfindung, umfassend einen ersten Auftriebskörper, einen zweiten Auftriebskörper, welcher in Strömungsrichtung der Tragfläche hinter dem ersten Auftriebskörper angeordnet ist, wobei der zweite Auftriebskörper relativ zum ersten Auftriebskörper verschwenkbar ist zwischen einer Reiseflugstellung, in welcher beide Auftriebskörper zusammen in Strömungsrichtung einen gestreckten und im Wesentlichen kontinuierlichen Querschnitt der Tragfläche definieren, und einer Start-/Landestellung, in welcher der zweite Auftriebskörper relativ zum ersten Auftriebskörper nach unten abgewinkelt ist, um eine Auftriebskraft der Tragfläche zu vergrößern, und ein Triebwerk, wobei das Triebwerk in der Reiseflugstellung im ersten Auftriebskörper oder im zweiten Auftriebskörper versenkbar ist.
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Ebenso wie eine Tragfläche des ersten Aspekts der Erfindung weist auch eine Tragfläche des zweiten Aspekts der Erfindung verbesserte Langsamflugeigenschaften sowie verbesserte Start-Landeeigenschaften auf, erhöht jedoch darüber hinaus auch die Effektivität der Tragfläche im Reiseflug. Für den Langsamflug bzw. für Start und Landung fährt das Triebwerk aus der Tragfläche heraus und erzeugt zusätzliche Strömung über die Oberfläche der Tragfläche, um einen Strömungsabriss zu verhindern und somit die Mindestgeschwindigkeit zu reduzieren. Ist das Triebwerk ferner mit seiner Schubrichtung in Aufwärtsrichtung schwenkbar, so kann es durch den entsprechenden Rückstoß einen zusätzlichen Auftrieb zur weiteren Reduzierung der Mindestgeschwindigkeit erzeugen oder kann das Luftfahrzeug im Falle eines Senkrechtstarters sogar vollständig im Schwebeflug halten. Gleichzeitig erlaubt die Erfindung des zweiten Aspekts jedoch eine Versenkung des Triebwerks in Reiseflugstellung, sodass es zum Luftwiderstand der Tragfläche nur noch verringert oder vorzugsweise gar nicht mehr beiträgt.
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Ein Reiseflug ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung ein Betriebszustand, im welchem die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs oberhalb der Mindestgeschwindigkeit liegt und eine weitere Beschleunigung des Luftfahrzeugs in Flugrichtung oder eine Abbremsung momentan nicht erwünscht ist. Im Reiseflug ist somit ein Schub in Flugrichtung nur noch in dem Maße notwendig, als dass der Luftwiderstand des Luftfahrzeugs zu überwinden ist, um die momentane Geschwindigkeit beizubehalten. Im Reiseflug ist somit eine deutlich geringere Schubkraft erforderlich, die mit einem oder wenigen Triebwerken, beispielsweise mit an einem Heck des Rumpfs angeordneten Reiseschubtriebwerken, aufrechterhalten werden kann. Ein (nur) für den Langsamflug bzw. Start oder Landung benötigtes Triebwerk an der Tragfläche kann gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung dann vorteilhaft im ersten Auftriebskörper oder im zweiten Auftriebskörper versenkt werden. Gleichzeitig erlaubt jedoch die schwenkbare Lagerung des zweiten Auftriebskörpers ein Manövrieren des Luftfahrzeugs im Reiseflug, und zwar auch dann, wenn das mindestens eine Triebwerk abgeschaltet und in der Tragfläche versenkt ist.
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Eine optimale Reduzierung des Strömungswiderstands im Reiseflug wird erreicht, wenn das Triebwerk in der versenkten Stellung im Wesentlichen vollständig im Inneren des Auftriebskörpers aufgenommen ist, sodass es im Wesentlichen keinen Beitrag mehr zum Strömungsquerschnitt der Tragfläche liefert. In einem Triebwerkaufnahmeabschnitt des Auftriebskörpers, in welchem das Triebwerk im Auftriebskörper versenkbar ist, kann eine orthogonal zur Schubrichtung gemessene maximale Abmessung des Triebwerks im Wesentlichen gleich oder kleiner sein als eine orthogonal zur Strömungsrichtung des jeweiligen Auftriebskörpers gemessene maximale Abmessung des Auftriebskörpers. Die Konstruktion des Querschnitts bzw. der Oberfläche der Auftriebskörper kann somit nahezu unabhängig vom Triebwerk nach aerodynamischen Gesichtspunkten erfolgen und die Tragfläche muss im Bereich des Triebwerkaufnahmeabschnitts insbesondere keine Verdickung oder anderweitige Anpassung aufweisen.
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Vorzugsweise ist das Triebwerk in der Reiseflugstellung in einer Öffnung des Auftriebskörpers derart versenkbar, dass eine Oberfläche des Triebwerks an beiden in Strömungsrichtung gegenüberliegenden Randabschnitten der Öffnung eine jeweils angrenzende Oberfläche des Auftriebskörpers kontinuierlich fortsetzt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Triebwerk in der Reiseflugstellung in einer Öffnung des Auftriebskörpers versenkbar ist und dass an dem Auftriebskörper eine Klappe gehalten ist, welche nach dem Versenken des Triebwerks die Öffnung schließt, sodass eine Oberfläche der Klappe an beiden in Strömungsrichtung einander gegenüberliegenden Randabschnitten der Öffnung eine jeweils angrenzende Oberfläche des Auftriebskörpers kontinuierlich fortsetzt. In beiden Fällen weist die Tragfläche im Triebwerkaufnahmeabschnitt, d. h. an der Öffnung, in der das Triebwerk versenkt wird, keine die Strömung störende Erhebung oder Vertiefung oder sonstige aerodynamisch nachteilige Veränderungen der Oberfläche der Tragfläche auf, sodass die Tragfläche in der Reiseflugstellung eine nahezu optimale aerodynamische Form aufweist.
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Eine Öffnung am Auftriebskörper zur Aufnahme des Triebwerks kann besonders klein und platzsparend ausgeführt sein, wenn das Triebwerk zwischen Reiseflugstellung und Start-Landestellung entlang einer Achse verschiebbar ist, die orthogonal zur Strömungsrichtung des Auftriebskörpers verläuft, an welchem das Triebwerk gehalten ist. Schubrichtung des Triebwerks und Strömungsrichtung des Auftriebskörpers können somit stets parallel (und entgegengesetzt) zueinander verlaufen.
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In einer Tragfläche nach dem ersten Aspekt oder nach dem zweiten Aspekt der Erfindung ist das Triebwerk vorzugsweise an einer Oberseite der Tragfläche angeordnet oder ist (im Falle des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung) zu einer Oberseite der Tragfläche hin ausfahrbar. Auf diese Weise kann das Triebwerk die Strömung auf der Oberseite der Tragfläche unterstützen, also in dem Bereich, in welchem beim Langsamflug die Strömung zuerst abzureissen droht.
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In einer alternativen Variante der Erfindung kann das Triebwerk in Strömungsrichtung im Wesentlichen vollständig hinter dem zweiten Auftriebskörper angeordnet sein. Diese Variante kann im Reiseflug oder bei höheren Geschwindigkeiten den Vorteil aufweisen, dass das Triebwerk im Windschatten des ersten und des zweiten Auftriebskörpers angeordnet ist, sodass auch in dieser Variante eine Reduzierung des Luftwiderstands und dadurch eine Erhöhung der Effektivität erreicht werden kann.
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Das Triebwerk einer Tragfläche des ersten oder/und zweiten Aspekts der Erfindung kann elektrisch angetrieben sein, insbesondere ein elektrisch angetriebener Mantelpropeller sein. Insbesondere für kleine Luftfahrzeuge bietet ein elektrischer Antrieb höhere Flexibilität. Ein Mantelpropeller weist zudem ein hervorragendes Leistung-Gewicht-Verhältnis auf. Elektrische Energiequellen (Batterien) zum Antreiben des Triebwerks können vorteilhaft im Inneren der Tragfläche, besonders bevorzugt im Inneren des fest mit dem Rumpf des Luftfahrzeugs verbundenen Auftriebskörpers (z. B. des ersten Auftriebskörpers) untergebracht sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Tragfläche eine Mehrzahl von Triebwerken auf, welche in einer quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Reihe nebeneinander angeordnet sind. Die Erzeugung einer bestimmten Gesamtschubkraft lässt sich unter Verwendung einer Mehrzahl kleinerer Triebwerke mit höherem Schub-Gewicht-Verhältnis erreichen als bei Verwendung weniger großer Triebwerke. Zudem bietet eine Mehrzahl von Triebwerken eine höhere Ausfallsicherheit und eine größere Flexibilität bezüglich der Verteilung der Schubkraft an der Tragfläche und ermöglicht somit die Reduzierung des für die Aufnahme der Triebwerke bereitzustellenden Bauraums, so dass die Tragfläche relativ geringe Höhe aufweisen kann.
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Besonders bevorzugt ist eine Mehrzahl von ersten Triebwerken an einer gemeinsamen ersten Halterung montiert, wobei die erste Halterung um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Achse schwenkbar an der Tragfläche angeordnet ist, und eine Mehrzahl von zweiten Triebwerken ist an einer gemeinsamen zweiten Halterung montiert, wobei die zweite Halterung um die gleiche oder eine andere quer zur Strömungsrichtung verlaufende Achse schwenkbar an der Tragfläche angeordnet ist. Die erste Halterung und die zweite Halterung können dann relativ zueinander verschwenkbar sein. Dies erhöht nicht nur die Sicherheit im Falle des Versagens eines Schwenkmechanismus einer der beiden Halterungen sondern erhöht ferner auch die Flexibilität der Steuerung des Schubs hinsichtlich Stärke und Ausrichtung. Unabhängig voneinander ansteuerbare Triebwerke können ferner Aufgaben zum Manövrieren des Luftfahrzeugs übernehmen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, welches eine Tragfläche nach dem ersten und/oder zweiten Aspekt der Erfindung aufweist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei an Luftfahrzeuge mit verbesserten Langsamflugeigenschaften gedacht, insbesondere an Senkrechtstarter, die für einen Schwebeflug ausgelegt sind.
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Ein Luftfahrzeug der Erfindung kann einen Rumpf sowie zwei sich von gegenüberliegenden Seiten des Rumpfs aus erstreckende Tragflächen nach dem ersten und/oder dem zweiten Aspekt der Erfindung umfassen, wobei sich in Flugrichtung ein Schubschwerpunkt aller Triebwerke der Tragflächen hinter einen Schwerpunkt des Luftfahrzeugs finden kann und wobei das Luftfahrzeug mindestens ein vorderes Triebwerksmodul aufweisen kann, welches in Flugrichtung vor dem Schwerpunkt des Luftfahrzeugs angeordnet ist. Im Langsamflug oder im Schwebeflug können somit die Schubkräfte des vorderen Triebwerksmoduls und der Triebwerke der Tragflächen die Lage des Luftfahrzeugs stabil balancieren. Insbesondere wird hierbei daran gedacht, dass das vordere Triebwerk ebenfalls verschwenkbar ist zwischen einer Reiseflugstellung, in welcher eine Schubrichtung des vorderen Triebwerksmoduls im Wesentlichen horizontal in Vorwärtsrichtung orientiert ist, und einer Start-Landestellung, in welcher die Schubrichtung des vorderen Triebwerksmoduls im Wesentlichen vertikal nach oben orientiert ist.
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Analog den oben geschilderten Vorteilen des zweiten Aspekts der Erfindung wird auch für das vordere Triebwerksmodul vorgeschlagen, dass dieses in einer Reiseflugstellung im Inneren des Rumpfs versenkbar sein kann. Somit trägt das vordere Triebwerksmodul während des Reiseflugs, wenn sein Vorschub nicht benötigt wird, nicht zum Luftwiderstand des Luftfahrzeugs bei.
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Die Stabilität des Luftfahrzeugs, insbesondere beim Langsamflug sowie bei Start und Landung kann weiter verbessert werden, wenn die Tragfläche oder die Tragflächen an einem hinteren Ende des Rumpfs angeordnet ist/sind. Auf diese Weise sind das mindestens eine vordere Triebwerksmodul und das Triebwerk der Tragfläche relativ weit voneinander entfernt und können den dazwischen angeordneten Rumpf stabil in der gewünschten Lage halten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Luftfahrzeug ferner mindestens ein Reiseschubtriebwerk, welches zum Beispiel nicht an den Tragflächen sondern am Rumpf, insbesondere an einer Rückseite des Rumpfs, angeordnet sein kann. Das Reiseschubtriebwerk ist dafür ausgelegt, den für die Aufrechterhaltung einer gewünschten Reisegeschwindigkeit notwendigen Schub bereitzustellen und ist dementsprechend vorzugsweise nicht schwenkbar und nicht versenkbar. Während des Reiseflugs ist vorzugsweise nur das mindestens eine Reiseschubtriebwerk im Betrieb, während die für Langsamflug oder Start/Landung vorgesehenen Triebwerke abgeschaltet und gegebenenfalls in den Tragflächen bzw. im Rumpf versenkt sind, sodass der Luftwiderstand auf ein Minimum reduziert werden kann und die Effizienz des Luftfahrzeugs im Reiseflug maximiert werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1: Ein Luftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht im Schwebeflug,
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2: Eine perspektivische Ansicht des Luftfahrzeugs des Ausführungsbeispiels im Langsamflug,
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3: Eine perspektivische Ansicht des Luftfahrzeugs des Ausführungsbeispiels im Reiseflug,
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4: Eine Schnittansicht einer Tragfläche des Luftfahrzeugs des Ausführungsbeispiels in einer in Flugrichtung verlaufenden Schnittebene für den Betrieb im Schwebeflug,
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5: Eine Ansicht gemäß 4, jedoch für den Langsamflug,
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6: Eine Ansicht gemäß 4, jedoch für den Reiseflug,
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7: Eine Ansicht gemäß 6, jedoch in einem Zustand, in welchem ein Triebwerk im Inneren der Tragfläche versenkt ist,
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8: Eine Ansicht gemäß 4, jedoch für ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schwebeflug,
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9: Eine Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 8, jedoch im Reiseflug,
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10: Eine Ansicht gemäß 4, jedoch für ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schwebeflug,
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11: Eine Ansicht des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 10, jedoch im Reiseflug,
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12: Eine Schnittansicht einer ersten Variante eines vorderen Triebwerksmoduls des Luftfahrzeugs des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer in Flugrichtung verlaufenden Schnittebene,
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13: Eine Ansicht gemäß 12, jedoch für eine zweite Variante und
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14: Eine Ansicht gemäß 12, jedoch für eine dritte Variante der Erfindung.
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Ein in 1 bis 3 allgemein mit 10 bezeichnetes Luftfahrzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst einen Rumpf 12 eine linke Tragfläche 14, eine rechte Tragfläche 16 und mindestens ein vorderes Triebwerksmodul 18. Bezogen auf eine Flugrichtung F befindet sich das vordere Triebwerksmodul 18 in einem vorderen Abschnitt des Rumpfs 12 und die Tragflächen 14, 16 erstrecken sich von einem hinteren Abschnitt des Rumpfs 12 ausgehend lateral nach links bzw. nach rechts. Genauer gesagt ist ein Schubschwerpunkt des mindestens einen vorderen Triebwerksmoduls 18 (im Falle von mehren vorderen Triebwerksmodulen ein Schubschwerpunkt aller vorderen Triebwerksmodule) in Flugrichtung F vor einem Schwerpunkt S des Luftfahrzeugs 10 angeordnet und ein Gesamtschwerpunkt der beiden Tragflächen 14, 16 ist in Flugrichtung F hinter dem Schwerpunkt S des Luftfahrzeugs 10 angeordnet.
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Wie ferner in 1 bis 3 zu erkennen ist und in Bezug auf 4 bis 7 für die linke Tragfläche 14 detaillierter gezeigt ist, umfassen die Tragflächen 14, 16 jeweils einen ersten Auftriebskörper 20 sowie einen zweiten Auftriebskörper 22. Der erste Auftriebskörper 20 ist in Flugrichtung F vor dem zweiten Auftriebskörper 22 angeordnet und weist einen Befestigungsabschnitt 24 auf, an welchem er am Rumpf 12 des Luftfahrzeugs 10 befestigt ist. Alternativ können Rumpf 12 und erster Auftriebskörper 20 integral miteinander ausgebildet sein.
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Der erste Auftriebskörper 20 ist vorzugsweise starr oder unbeweglich mit dem Rumpf 12 so verbunden, dass eine Strömungsrichtung S1 des ersten Auftriebskörpers 20, welche in etwa einem Mittelwert aus einer Strömung O1 über eine Oberseite des ersten Auftriebskörpers 20 und einer Strömung U1 über eine Unterseite des ersten Auftriebskörpers 20 entspricht (siehe 4), in etwa parallel zur Flugrichtung F des Luftfahrzeugs 10 verläuft.
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Der zweite Auftriebskörper 22 ist an einer Schwenkachse 26, welche entlang der Erstreckungsrichtung der Tragfläche 14 und daher in etwa orthogonal zur Flugrichtung F und horizontal verläuft, schwenkbar am ersten Auftriebskörper 20 angebracht, sodass der zweite Auftriebskörper 22 verschwenkbar ist zwischen einer Reiseflugstellung (6 und 7), in welcher eine Strömungsrichtung S2 des zweiten Auftriebskörpers 22 in etwa parallel zur Strömungsrichtung S1 des ersten Auftriebskörpers 20 und parallel zur Flugrichtung F ausgerichtet ist, einer Langsamflugstellung in welcher die Strömungsrichtung S2 des zweiten Auftriebskörpers 22 relativ zur Strömungsrichtung S1 des ersten Auftriebskörpers 20 um einen Winkel (beispielsweise zwischen 20° und 80° nach unten geneigt oder abgewinkelt ist, sowie – falls das Luftfahrzeug 10 für einen Schwebeflug ausgelegt ist – einer Schwebeflugstellung (4), in welcher die Strömungsrichtung S2 des zweiten Auftriebskörpers 22 relativ zur Strömungsrichtung S1 des ersten Auftriebskörpers 20 um etwa 90° nach unten abgewinkelt ist, sodass die Strömungsrichtung S2 des zweiten Auftriebskörpers senkrecht nach unten zum Erdboden hin weist. Die Strömungsrichtung S2 des zweiten Auftriebskörpers 22 ist dabei definiert als Mittelwert zwischen einer Richtung einer Strömung O2 in der Reiseflugstellung entlang einer Oberseite 22o des zweiten Auftriebskörpers 22 und einer Strömung U2 in der Reiseflugstellung entlang einer Unterseite 22u des zweiten Auftriebskörpers 22 (siehe 6).
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist am zweiten Auftriebskörper 22 mindestens ein Triebwerk 28 angeordnet. Vorzugsweise trägen die zweiten Auftriebskörper 22 jeder Tragfläche 14, 16, jeweils mehrere, in einer Reihe nebeneinander angeordnete Triebwerke 28 (siehe 2), wobei sich die Reihen von Triebwerken 28 entlang der Tragflächen 14 beziehungsweise 16, das heißt ungefähr horizontal und quer zur Flugrichtung F, erstrecken. Beispielsweise umfasst jede Reihe von Triebwerken 28 mehr als drei Triebwerke, vorzugsweise mehr als 10 Triebwerke (im Ausführungsbeispiel 16 Triebwerke). Im folgenden wird stellvertretend nur ein Triebwerk 28 der linken Tragfläche 14 beschrieben.
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Das Triebwerk 28 ist vorzugsweise ein elektrisch betriebenes Triebwerk, insbesondere ein Mantelrotor, welcher einen Rotor 30 mit Rotorblättern 32 und gehäusefesten Statorblättern 34 umfasst, welche den Rotor 30 im Zentrum eines zylinderförmigen Mantels 36 drehbar halten. Die Drehachse des Rotors 30 fällt mit der Mittelachse des zylinderförmigen Mantels 36 zusammen und diese Achsen definieren eine Schubrichtung T des Triebwerks 28. Vorzugsweise verläuft die Schubrichtung T parallel (und entgegengesetzt) zur Strömungsrichtung S2 des zweiten Auftriebskörpers 22. Eine Verschwenkung des zweiten Auftriebskörpers 22 um die Achse 26 relativ zum ersten Auftriebskörper 20 bewirkt gleichermaßen eine Verschwenkung der Schubrichtung T des Triebwerks 28, sodass die Schubrichtung T im Reiseflug parallel zur Flugrichtung in Vorwärtsrichtung weist, im Langsamflug schräg nach oben gerichtet ist und gegebenenfalls im Schwebeflug senkrecht nach oben weist.
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Ferner ist in 4 bis 7 zu erkennen, dass das Triebwerk 28 in betriebsbereiter Stellung an der Oberseite 22o des zweiten Auftriebskörpers 22 angeordnet ist, d. h. an der Seite, die im Reiseflug nach oben weist. Wie in 5 dargestellt ist, erzielt die Anordnung des Triebwerks 28 an der Oberseite 22o der Tragfläche 14 den Effekt einer Verstärkung bzw. Aufrechterhaltung einer Strömung O1, O2 über die Oberseite des ersten Auftriebskörpers 20 und des zweiten Auftriebskörpers 22. Sowohl die eingangsseitig vom Triebwerk 28 angesaugte Luftströmung als auch die vom Triebwerk 28 in in Rückstoßrichtung (entgegengesetzt zur Schubrichtung T) ausgestoßene Strömung verstärkt oder erzeugt daher die für einen Auftrieb der Tragfläche 14 erforderliche Strömung entlang der Oberseite 22o der Tragfläche 14, wodurch eine entsprechende Auftriebskraft A in Aufwärtsrichtung auf die Tragfläche 14 wirkt. Somit kann auch bei einer Fluggeschwindigkeit, die so langsam ist, dass ohne den Einsatz des Triebwerks 28 die Auftriebskraft A unter die anteilige Gewichtskraft des Luftfahrzeugs 10 abfallen würde oder ein Strömungsabriss an der Oberseite der Tragfläche 14 auftreten würde, eine ausreichend starke Strömung durch den Einsatz des Triebwerks 28 über die Oberseite der Tragfläche 14 aufrechterhalten werden, um ein Fliegen noch zu ermöglichen. Mit anderen Worten ist es durch den Betrieb des Triebwerks 28 möglich, die Mindestgeschwindigkeit des Flugzeugs deutlich zu reduzieren. Dementsprechend kann ein Aufwand für Start- und Landeanlagen, z. B. eine Länge einer Start- und Landebahn reduziert werden.
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Ist das Luftfahrzeug 10 als Senkrechtstarter ausgelegt und zum Schwebeflug gemäß 4 in der Lage, so sinkt schließlich die Mindestgeschwindigkeit auf 0. Bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten oder im Schwebeflug liegt zwar überhaupt keine Strömung über die Oberseite der Tragfläche 14 vor, jedoch ist dann die Schubrichtung T des Triebwerkes 28 senkrecht nach oben gerichtet und die anteilige Gewichtskraft des Luftfahrzeugs 10 kann durch den Rückstoß des Triebwerks 28 getragen werden.
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Wie in 6 und 7 zu erkennen ist, ist das Triebwerk 28 im Reiseflug vorzugsweise im Inneren des zweiten Auftriebskörpers 22 versenkbar, um den Luftwiderstand im Reiseflug, wenn das Triebwerk 28 für den Schub nicht mehr benötigt wird und abgeschaltet werden kann, zu minimieren. Der zweite Auftriebskörper weist hierzu vorzugsweise eine Öffnung 38 auf, in welcher das Triebwerk 28 versenkbar ist. Ein Mechanismus zum Versenken des Triebwerks 28 kann Schienenmittel 40 in der Öffnung 38 umfassen, die senkrecht zur Strömungsrichtung S2 des zweiten Auftriebskörpers 22 und senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Tragfläche 14 verlaufen und an denen entsprechende Schienenmittel 42 des Triebwerks 28 beim Ein- und Ausfahren des Triebwerks 28 abgleiten oder abrollen.
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In 7 ist der vollständig eingefahrene Zustand des Triebwerks 28 dargestellt. Zu erkennen ist, dass das Triebwerk 28 im Inneren des zweiten Auftriebskörpers 22 vollständig versenkbar ist. Eine Oberseite 41 des Triebwerks 28, insbesondere eine äußere Fläche des Mantels 36, schließt kontinuierlich und bündig sowohl mit einem in Strömungsrichtung S2 vorderen Randabschnitt 43 der Öffnung 38 als auch mit einem in Strömungsrichtung hinteren Randabschnitt 44 der Öffnung 38 ab. Im versenkten Zustand ist somit die Oberfläche 22o des zweiten Auftriebskörpers 22 auch über die Öffnung 38 hinweg kontinuierlich geschlossen und frei von Stufen, Erhebungen und Vertiefungen oder dergleichen.
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Ferner ist in 7 zu erkennen, dass die Dicke des zweiten Auftriebskörpers 22 in vertikaler Richtung angepasst ist an die Abmessung des Triebwerks 28 in dieser Richtung, sodass die Dicke des zweiten Auftriebskörpers 22 im Wesentlichen gleich oder nur geringfügig größer ist als die Größe des Triebwerks 28 und somit der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt werden kann. 7 zeigt ferner eine Anordnung einer Mehrzahl von Energiespeicherelementen 46, insbesondere Batterien zum Betreiben des Triebwerks 28, im Inneren des zweiten Auftriebskörpers 22 sowie einen Flügelholm 47 im Inneren des ersten Auftriebskörpers 20, welcher sich als tragendes Bauteil vom Rumpf 12 aus starr erstreckt und Teil des Befestigungsabschnitts 24 bildet.
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In 8 und 9 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung illustriert, welches eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen wird und im übrigen ausdrücklich auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Triebwerk 28b an einem in Strömungsrichtung S2 eines zweiten Auftriebskörpers 22b hintersten Ende 50b befestigt. Eine Schubrichtung T des Triebwerks 28b verläuft parallel zur Strömungsrichtung S2.
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Das Triebwerk 28b kann in einer ersten Variante so eingerichtet sein, dass es nicht im zweiten Auftriebskörper 22b versenkbar ist. Eine Vergrößerung des Luftwiderstands durch das Triebwerk 28b im Reiseflug wird jedoch auch im zweiten Ausführungsbeispiel minimiert, und zwar durch die Anordnung des Triebwerks 28b gewissermaßen im Windschatten der Tragfläche, da das Triebwerk 28b im Reiseflug (9) in Strömungsrichtung S2 genau hinter dem zweiten Auftriebskörper 22b positioniert ist. In einer anderen Variante kann das Triebwerk 28b zusammenklappbar sein, so dass sein Luftwiderstand im abgeschalteten Zustand weiter reduziert wird. Darüber hinaus ist eine weitere vorteilhafte Variante denkbar, in welcher das Triebwerk 28b – nach dem Abschalten und gegebenenfalls auch nach dem Zusammenklappen – in einer hinteren Öffnung des zweiten Auftriebskörpers 22b versenkt wird.
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Das Verschwenken und der Betrieb des zweiten Auftriebskörpers 22b und des Triebwerks 28b für Schwebeflug, Langsamflug und Reiseflug entsprechen ansonsten denen des ersten Ausführungsbeispiels.
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In 10 und 11 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung illustriert, welches eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen wird und im übrigen ausdrücklich auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird. Im dritten Ausführungsbeispiel ist ein Triebwerk 28c an einem in Flugrichtung vorderen, ersten Auftriebskörper 20c, insbesondere an einem fest an einem Rumpf eines Luftfahrzeugs verbundenen Auftriebskörper 20c, angeordnet, sodass es bei einer Schwenkbewegung eines in Flugrichtung hinteren, zweiten Auftriebskörpers 22c nicht mitgedreht wird. Eine Schubrichtung T des Triebwerks 28c ist somit stets parallel zur Strömungsrichtung S1 des ersten Auftriebskörpers 20c.
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Zur Reduzierung eines Luftwiderstands der Tragfläche im Reiseflug (11) kann auch das Triebwerk 28c im dritten Ausführungsbeispiel in einer Öffnung 38c im ersten Auftriebskörper 20c versenkbar sein.
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Auch im dritten Ausführungsbeispiel ist ein Schwebeflug möglich, da die vom Triebwerk 28c ausgestoßene Strömung der Oberfläche des nach unten geklappten zweiten Auftriebskörper 22c folgt (Coanda-Effekt). Fährt das Triebwerk 28c aus der Öffnung 38c nach unten aus, so trifft die ausgestoßene Luftströmung direkt auf den zweiten Auftriebskörper 22c und wird nach unten abgelenkt. Ferner wird auch im Ausführungsbeispiel gemäß 10 und 11 durch die Anordnung des Triebwerks 28c an einer Oberseite der Tragfläche die Mindestgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs reduziert und somit ein Langsamflug unterstützt, da das Triebwerk 28c eine Strömung über die Oberseite der Tragfläche fördert und einem Strömungsabriss vorbeugt.
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Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 sowie 12 wird nachfolgend eine erste Variante für die Ausgestaltung des vorderen Triebwerksmoduls 18 des Luftfahrzeugs 10 beschrieben. Im Folgenden wird dabei ein Triebwerksmodul 18 beschrieben, wie es in 10 gezeigt ist. Vorteilhaft umfasst das Luftfahrzeug 10 jedoch eine Mehrzahl solcher vorderer Triebwerksmodule 18, die gleich oder funktionsmäßig gleich ausgestalten sein können. Im illustrierten Ausführungsbeispiel sind insbesondere vier vordere Triebwerksmodule vorgesehen, zwei vordere rechte und zwei vordere linke Triebwerksmodule.
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Das vordere Triebwerksmodul 18 gemäß der ersten Variante umfasst eine zylinderförmige Halterung, an welcher eine Mehrzahl von Triebwerkelementen 54 gehalten sind. Jedes Triebwerkelement 54 kann einen Rotor 56 mit Rotorblättern 58 und kann ferner Statorblätter 60 umfassen, die den Rotor in einem Gehäuse 62 drehbar lagern. Das Gehäuse 62 kann insbesondere ein zylinderförmiger Mantel sein, dessen zentrale Achse mit der Drehachse des Rotors 56 zusammenfällt und eine Schubrichtung t des Triebwerkelements 54 definiert. Vorzugsweise verlaufen die Schubrichtungen t aller Triebwerkelemente 54 der Halterung 52 zueinander parallel und definieren eine Gesamtschubrichtung T des vorderen Triebwerksmoduls 18.
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Die Halterung 52 kann um eine Achse 64 schwenkbar am Rumpf 12 gelagert sein. Die Achse 64 kann horizontal und orthogonal zur Schubrichtung T verlaufen oder/und kann mit einer zentralen Achse einer Zylinderform der Halterung 52 zusammenfallen kann. Durch die drehbare Lagerung der Halterung 52 kann das vordere Triebwerksmodul 18 verschwenkt werden zwischen einer Reiseflugstellung, in welcher die Schubrichtung T im Wesentlichen parallel zur Flugrichtung in Vorwärtsrichtung orientiert ist, und einer Langsamflugstellung, in welcher die Schubrichtung T des vorderen Triebwerksmoduls 18 schräg nach oben geneigt ist, sowie gegebenenfalls auch hin zu einer Schwebeflugstellung, in welcher die Schubrichtung T des vorderen Triebwerksmoduls 18 senkrecht nach oben gerichtet ist.
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Vorteilhaft kann die Halterung 52 entlang der Achse 64 ferner auch verschiebbar gehalten sein, sodass die Halterung 52 und somit das gesamte vordere Triebwerksmodul 18 in eine passende Öffnung 66 des Rumpfs 12 hinein verschoben und insbesondere vollständig im Inneren des Rumpfs 12 versenkbar ist, um im Reiseflug den Luftwiderstand des Luftfahrzeugs 10 zu minimieren. Das Ein- und Ausfahren des vorderen Triebwerksmoduls 18 sowie die Schwenkbewegung um die Achse 64 können vorteilhaft in einer gemeinsamen oder kombinierten Spiralbewegung durch eine spiralförmige Gewindebahn mit angepasster Steigungshöhe abhängig von der axialen Position realisiert werden, sodass nur ein einziger Antriebsmechanismus für die Steuerung beider Bewegungen erforderlich ist.
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In 12 ist ferner zu erkennen, das im Inneren der Halterung 52 ein zusätzliches Auftriebselement 68 angeordnet ist, welches eine allgemeine Tragflächenform aufweisen kann und sich parallel zur Schubrichtung T erstreckt. Dieses Auftriebselement 68 sorgt somit beim Langsamflug aber auch bei höheren Geschwindigkeiten zu einer weiteren Erhöhung des Auftriebs im vorderen Bereich des Luftfahrzeugs 10. Da sich das Auftriebselement 68 zusammen mit der Schubrichtung T der Triebwerkselemente 54 um die Achse 64 drehen kann, werden durch ein solches vorderes Triebwerksmodul 18 die selben vorteilhaften Effekte im Langsamflug sowie bei Start und Landung erzielt, wie vorstehend für die Tragfläche 14 beschrieben. Darüber hinaus kann das Auftriebselement 68 entlang eines Durchmessers der zylinderförmigen Halterung 52 verlaufen und insbesondere einen Lagerabschnitt für die Achse 64 ausbilden und diesen mit außenliegenden Abschnitten der Halterung 52 verbinden, sodass dem Auftriebselement 68 eine wichtige statische Bedeutung für das vordere Triebwerksmodul 18 zukommen kann.
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Zu erkennen ist ferner in 1, dass beiderseits des Auftriebselements 68 jeweils eine Mehrzahl von Triebwerkselementen 54 angeordnet sind, um die Effizienz des vorderen Triebwerksmoduls 18 weiter zu verbessern. Im konkreten Ausführungsbeispiel sind oberhalb des Auftriebselements 68 drei Triebwerkselemente 54 in einer orthogonal zur Flugrichtung F verlaufenden Reihe angeordnet und unterhalb des Auftriebselements 68 sind ebenfalls drei Triebwerkselemente 54 in einer orthogonal zur Flugrichtung F verlaufenden Reihe angeordnet.
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Während des in 3 dargestellten Reiseflugs, sind die Triebwerkselemente 54 der vorderen Triebwerksmodule 18 außer Betrieb gesetzt und die Triebwerksmodule 18 sind vorzugsweise in den Öffnungen 66 des Rumpfs versenkt. Ferner sind die Triebwerke 28 der Tragflächen 14, 16 außer Betrieb gesetzt und vorzugsweise in den Öffnungen 38 der Tragflächen 14, 16 versenkt, wie oben beschrieben wurde. Ein vergleichsweise geringer noch erforderlicher Vorschub zur Aufrechterhaltung der Reisefluggeschwindigkeit und gegebenenfalls zur Ermöglichung kleinerer Anpassungen der Geschwindigkeit kann dann durch mindestens ein Reiseschubtriebwerk 69 erzeugt werden. Das Reiseschubtriebwerk 69 kann beispielsweise an einem Heck des Rumpfs 12 des Luftfahrzeug angeordnet sein.
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13 zeigt eine zweite Variante eines Triebwerksmoduls 18b, welche eine Abwandlung der ersten Variante gemäß 12 darstellt, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede zur ersten Variante näher eingegangen wird und im übrigen auf die Beschreibung der ersten Variante verwiesen wird.
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In der zweiten Variante wird auf einen zentralen zusätzlichen Auftriebskörper verzichtet. Stattdessen ist ein Gehäuse oder Mantel 36b eines Triebwerkelements 54b des vorderen Triebwerksmoduls 18b derart geformt, dass sein Querschnitt in einer Schnittebene parallel zur Flugrichtung F (siehe 13) dem Querschnitt einer Tragfläche entspricht. Somit bildet der Mantel 36b des Triebwerkelements 54b ein Auftriebselement, welches aerodynamischen Auftrieb aufgrund unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten entlang seiner Unterseite und entlang seiner Oberseite erzeugt. Die Größe des Triebwerkelements 54b der zweiten Variante ist in radialer Richtung der zylinderförmigen Halterung 52b an die Größe der Halterung 52b angepasst, sodass der zur Verfügung stehenden Bauraum im Inneren der Halterung 52b ausgenutzt wird. Abhängig von der axialen Länge der zylinderförmigen Halterung 52b können auch in der zweiten Variante eine Mehrzahl von Triebwerkselementen 54b in einer orthogonal zur Flugrichtung F verlaufenden Reihe nebeneinander angeordnet sein, um die Effizienz des vorderen Triebwerksmoduls 18b zu verbessern. Auch die Halterung 52b der zweiten Variante ist vorzugsweise um eine zentrale horizontale und quer zur Flugrichtung verlaufende Achse 64b drehbar.
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14 zeigt eine dritte Variante eines vorderen Triebwerksmoduls 18c, welches im Reiseflug nicht im Rumpf des Luftfahrzeugs versenkbar ist. Dementsprechend kann ein Auftriebselement 68c deutlich größer ausgestaltet werden und einen deutlicheren Beitrag zum Auftrieb des Luftfahrzeugs im vorderen Bereich des Rumpfs liefern. An einer Oberseite oder/und an einer Unterseite des Auftriebskörpers 68c können ein oder mehrere Triebwerkselemente 54c angeordnet sein. Insbesondere kann der Auftriebskörper 68c eine solche Größe aufweisen, dass das mindestens eine Triebwerkselement 54c im Inneren des Auftriebskörpers 68c versenkbar ist (z. B. in einer Öffnung 70c in 14), sodass im Reiseflug eine weitere Reduzierung des Luftwiderstands möglich ist.
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Vorteilhaft kann das Auftriebselement 68c an einer quer zur Flugrichtung F verlaufenden Achse 64c verschwenkbar am Rumpf 12 gehalten sein, um die bereits vorstehend für den zweiten Auftriebskörper 22 bzw. 22b der Tragfläche 14 beschriebene Verstellbewegung hin zu einer Langsamflugstellung und gegebenenfalls auch einer Schwebeflugstellung zu ermöglichen.
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In einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Variante, kann an Stelle des mindestens einem vorderen Triebwerksmoduls 18 mindestens eine Tragfläche angeordnet sein, welche nach dem Vorbild der vorstehend beschriebenen Tragfläche 14 bzw. 16 des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels ausgestaltet ist. Durch diese oder auch die vorstehend genannten Varianten des vorderen Triebwerksmoduls kann schließlich eine Konfiguration erreicht werden, in welcher das Luftfahrzeug an vier in einem Rechteck oder einem Trapez angeordneten Punkten (vorne links, vorne rechts, hinten links, hinten rechts) mit ausreichend Schub bzw. Auftriebskraft stabil abgestützt wird.
