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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spoilersystem für eine Tragflächenstruktur. Bei Fluggeräten, insbesondere Flugzeugen, gibt es Spoilerklappen, die aus der Ebene einer Tragflächenstruktur bzw. einer Flugzeugtragfläche herausgeschwenkt werden können, um den Luftwiderstand zu vergrößern. Durch ein entgegengesetztes Verschwenken von Spoilerklappen an zwei gegenüberliegenden Flugzeugtragflächen ist es möglich, die Rollbewegung des Fluggeräts zu unterstützen. Zudem werden diese Spoilerklappen bei der Landung als zusätzliche Bremsklappen verwendet, indem sie gleichsinnig nach oben aus der Flugzeugtragflächenebene herausgeschwenkt werden, um somit den zum Abbremsen erwünschten Luftwiderstand des Fluggeräts zu erhöhen.
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Bei Flugzeugen neuerer Generation haben die Spoilerklappen eine weitere Aufgabe und werden nun auch als so genannte „drooped”-Spoiler eingesetzt. Dabei werden die Spoilerklappen neben den vorstehend beschriebenen Aufgaben nun auch dazu eingesetzt, die Hochauftriebsfunktion der Hinterkantenlandeklappen von Tragflächen zu unterstützen. Bei der Hochauftriebsfunktion fährt eine Hinterkantenlandeklappe aus der Flugzeugträgflächenebene heraus, sodass sich im Querschnitt eine gekrümmte Flügelform ergibt. Diese gekrümmte Flügelform ermöglicht einen höheren Auftrieb bei geringeren Geschwindigkeiten. Durch das Ausfahren der Hinterkantenlandeklappe entsteht zwischen der Tragflächenstruktur und der ausgefahrenen Hinterkantenlandeklappe ein Spalt, der durch ein Nachdrücken der Spoilerklappe, vorteilhafterweise auf einen definierten Luftspalt, eingestellt bzw. verringert wird. Es ist also erforderlich, dass die Spoilerklappe ebenfalls in Richtung der ausgefahrenen Hinterkantenlandeklappe geschwenkt wird. Dies stellt die so genannte „drooped-Position” der Spoilerklappe dar.
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Bei bestimmten Fehlerfällen kann es jedoch dazu kommen, dass die Hinterkantenlandeklappe einfährt, obwohl die Spoilerklappe sich noch in der drooped-Position befindet. Dies führt zu einer Kollision mit der Spoilerklappe, wodurch signifikante Beschädigungen auftreten können.
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Zum Vermeiden dieser Beschädigungen ist es entscheidend, dass die Kollision zwischen der Hinterkantenlandeklappe und der Spoilerklappe rechtzeitig erkannt wird und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
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Im Stand der Technik werden lediglich bei hydraulischen Aktuatoren, die die Spoilerklappen ansteuern, Druckentlastungsventile (= Pressure Relieve Valves; PRV) eingesetzt, um die im Kollisionsfall auftretenden Schäden gering zu halten. Problematisch an der Verwendung von Druckentlastungsventilen ist jedoch, dass diese ein großes Toleranzband aufweisen, sodass die Struktur und die Aktuatorbauteile entsprechend massiv ausgeführt sein müssen. Dies führt insgesamt zu einem relativ großen Gewicht des an die Tragflächenstruktur angegeordneten Spoilersystems.
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Die vorstehend aufgeführten Probleme werden durch ein Spoilersystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst, gelöst.
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Demnach umfasst das Spoilersystem für eine Tragflächenstruktur eine Spoilerklappe, die bewegbar an einer Tragflächenstruktur angelenkt ist, und einen Aktuatormechanismus zum Bewegen der Spoilerklappe relativ zur Tragflächenstruktur. Das Spoilersystem ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es einen Sensor zum Messen einer auf den Spoiler wirkenden Last umfasst.
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Durch das Vorsehen einer Lastmessung mit Hilfe des Sensors werden die anliegenden Lasten überwacht, sodass bei Überschreiten eines Grenzwerts eine Kollision mit der Hinterkantenlandeklappe erkannt werden kann. Durch das frühzeitige Erkennen eines Kollisionsfalls kann weiterer Schaden vermieden werden.
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Darüber hinaus erlaubt der Sensor zum Messen einer auf den Spoiler wirkenden Last eine gegenüber dem Stand der Technik in seinem Gewicht reduzierte Struktur, da das große Toleranzband bei Druckentlastungsventilen (= pressure relieve valves) keinen Niederschlag in der Stabilität der zu verwendenden Bauteile finden muss. Sensoren zum Messen der Last weisen demgegenüber nämlich ein geringeres Toleranzband auf.
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Gemäß einer optionalen Modifikation der Erfindung ist der Aktuatormechanismus sowohl an der Spoilerklappe als auch an der Tragflächenstruktur angelenkt und weist ein Mittel zum Variieren der Distanz zwischen diesen beiden Anlenkpunkten auf.
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Die Spoilerklappe ist also zum einen direkt an der Tragflächenstruktur angelenkt und wird mit Hilfe des Aktuatormechanismus gegenüber der Tragflächenstruktur verschwenkt. Der Aktuatormechanismus ist ebenfalls an der Tragflächenstruktur in einem Anlenkpunkt angelenkt und weist einen weiteren Anlenkpunkt an der Spoilerklappe auf. Durch das Mittel zum Variieren der Distanz zwischen den beiden Anlenkpunkten des Aktuatormechanismus ist es dem Aktuatormechanismus möglich, die Spoilerklappe in die gewünschte Position bezüglich der Tragflächenstruktur zu bringen. Bei einem Vergrößern der Distanz zwischen den beiden Anlenkpunkten des Aktuatormechanismus kann beispielsweise die Spoilerklappe aus der Ebene der Tragflächenstruktur herausgeschwenkt werden, um als Bremsklappe zu fungieren oder um einer Rollbewegung eines Fluggerätes beizutragen. Zudem kann der Aktuatormechanismus die Distanz zwischen den beiden Anlenkpunkten auch derart verringern, dass die Spoilerklappe in entgegengesetzter Richtung aus der Ebene der Tragflächenstruktur ausgelenkt wird. Diese Position wird, wie vorstehend beschrieben, auch „drooped-Position” genannt.
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Vorzugsweise ist das Mittel zum Variieren der Distanz des Aktuatormechanismus ein aus einem Kolben herausfahrbares, stangenförmiges Element bspw. ein Zylindermechanismus. Dadurch ist es in besonders einfacher Weise möglich, die Distanz zwischen den beiden Anlenkpunkten des Aktuatormechanismus auf das gewünschte Maß einzustellen.
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Gemäß einer Fortbildung der Erfindung ist der Sensor zum Messen einer auf den Spoiler wirkenden Last zwischen den beiden Anlenkpunkten des Aktuatormechanismus, vorzugsweise am oder im Aktuatormechanismus, angeordnet. Dabei ist auch ein Anordnen des Sensors zum Messen der Last an oder in den Anlenkpunkten bzw. einem der Anlenkpunkte des Aktuatormechanismus umfasst.
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Durch das Vorsehen des Sensors zwischen den beiden Anlenkpunkten des Aktuatormechanismus wird eine besonders platzsparende Umsetzung der erfindungsgemäßen Grundidee umgesetzt.
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Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass der Sensor dazu ausgelegt ist, eine Messung an einem der beiden Anlenkpunkte des Aktuatormechanismus auszuführen, vorzugsweise an dem Anlenkpunkt des Aktuatormechanismus, der an der Tragflächenstruktur vorgesehen ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Sensor ein Lastsensor, ein Schwerkraftsensor oder ein Dehnungsmessstreifen. Diese Sensoren eignen sich besonders gut für das Bestimmen einer auf die Spoilerklappe wirkenden Last. Zudem weisen diese Sensorentypen ein geringes Toleranzband auf, sodass die Struktur der zur Verwirklichung des Spoilersystems erforderlichen Bauteile weniger stabil sein kann. Dies führt zu Gewichtseinsparungen an dem Spoilersystem.
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Vorzugsweise ist die Tragflächenstruktur eine an einem Flugzeugrumpf starr befestige Flugzeugtragfläche.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Modifikation der Erfindung ist das Anlenken der Spoilerklappe an der Tragflächenstruktur und das Anlenken des Aktuatormechanismus sowohl an der Spoilerklappe also auch an der Tragflächenstruktur mit Hilfe eines jeweiligen Scharniergelenks ausgeführt, wobei die jeweiligen Scharniergelenksachsen zueinander parallel sind. Weiter vorzugsweise sind die jeweiligen Scharniergelenksachsen parallel zur Ebene der Tragflächenstruktur. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die jeweiligen Scharniergelenksachsen parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsausdehnung der Tragflächenstruktur.
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Gemäß einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung umfasst das Spoilersystem ferner ein Mittel zum Vergleichen der durch den Sensor gemessenen Last mit einem Schwellenwert.
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Dadurch ist es möglich, die gemessene Last mit einem Grenzwert (= Schwellenwert) zu vergleichen und auf eine Überlast an der Spoilerklappe bzw. eine damit in Verbindung stehende Kollision mit einer Hinterkantenlandeklappe zu schließen.
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Vorzugsweise ändert sich der Schwellenwert in Abhängigkeit der Position der Spoilerklappe. Durch den positionsabhängigen Schwellenwert variiert der Schwellenwert je nach Stellung der Spoilerklappe bezüglich der Tragflächenstruktur. Dies ist von Vorteil, da naturgemäß bei einem Ausfahren der Spoilerklappe z. B. bei der Nutzung als Bremsklappe die auf die Spoilerklappe wirkende Kraft um ein Vielfaches größer ist als in einer Neutralstellung. Selbiges gilt auch für das Verfahren der Spoilerklappe in eine drooped-Position. Durch den sich in Abhängigkeit der Position der Spoilerklappe ändernden Schwellenwert ist eine positionsabhängige Lastkontrolle möglich, die eine sehr viel genauere Bestimmung eines Kollisionszeitpunkts mit einer Hinterkantenlandeklappe ermöglicht. Vorzugsweise ist das Mittel zum Vergleichen ferner dazu ausgelegt, bei einer gemessenen Last, die den Schwellenwert überschreitet, Maßnahmen einzuleiten, um die Spoilerklappe in eine neutrale Position zurückzufahren oder den Aktuatormechanismus der Spoilerklappe kraftlos zu schalten. In einer neutralen Position der Spoilerklappe liegt diese in der Ebene der Tragflächenstruktur. Es ist also im Kollisionsfall mit einer Hinterkantenlandeklappe möglich, die Steuerklappe aktiv zurückzufahren und die Kollision aufzulösen. Ferner kann es möglich sein, den Aktuatormechanismus der Steuerklappe in den so genannten „Bypass-Modus” zu schalten, in dem der Aktuatormechanismus durch ein Kraftlosschalten umgangen wird. Im Bypass-Modus wird keine Kraft auf die Spoilerklappe durch den Aktuatormechanismus ausgeübt, sodass eine eventuell auftretende Verklemmung aufgelöst werden kann und weitere Beschädigungen vermieden werden.
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Nach einer optionalen Fortbildung der Erfindung ist das Mittel zum Vergleichen in einem Flugsteuercomputer angeordnet. Dementsprechend werden also die vom Lastsensor aufgenommenen Messwerte an den Flugsteuercomputer weitergegeben, der wiederum einen Vergleich mit einem Schwellenwert ausführen kann und die sich hieraus ergebenden Maßnahmen einleiten kann.
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Vorzugsweise vergleicht das Mittel zum Vergleichen die vom Sensor gemessene Last durchgängig mit einem Schwellenwert. Dadurch wird eine permanente Überwachung der anliegenden Lasten erreicht, sodass Abweichungen hiervon besonders rasch festgestellt werden.
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Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung ist der Aktuatormechanismus ein elektromechanischer Aktuator. Das vorstehend beschriebene Spoilersystem eignet sich auch bei der Umsetzung des Aktuatormechanismus als elektromechanischer Aktuator. Diese Arten von Aktuatoren haben gegenüber auf Hydraulik basierenden Aktuatoren eine Reihe von Vorteilen und finden daher immer weiter Verbreitung bei Fluggeräten.
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Nach einer Fortbildung der Erfindung ist an der Tragflächenstruktur ferner eine Hinterkantenlandeklappe angebunden, wobei die Spoilerklappe in einem ausgefahrenen Zustand der Hinterkantenlandeklappe dazu ausgelegt ist, eine zwischen Hinterkantenlandeklappe und Tragflächenstruktur entstehende Lücke durch ein Verschwenken der Spoilerklappe zu schließen oder auf ein bestimmtes Maß zu minimieren. Die Hinterkantenlandeklappe kann dabei über einen Gelenkmechanismus mit der Tragflächenstruktur verbunden sein. Im ausgefahrenen Zustand der Hinterkantenlandeklappe ist die Spoilerklappe entsprechend nachzudrücken, um einen definierten Luftspalt zwischen Hinterkantenlandeklappe und Tragflächenstruktur einzustellen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Fluggerät, insbesondere ein Flugzeug, das ein Spoilersystem für eine Tragflächenstruktur nach einem der vorstehend erläuterten Ausführungen umfasst.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen deutlich. Dabei zeigen:
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1: einen symbolischen Teilquerschnitt einer Tragfläche in einer Hochauftriebskonfiguration (= drooped-Position),
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2: einen symbolischen Teilquerschnitt einer Tragfläche, in der die Spoilerklappe aus der Tragflächenebene nach oben herausgeschwenkt ist,
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3: einen symbolischen Teilquerschnitt einer Tragfläche, bei der die Spoilerklappe und die Hinterkantenlandeklappe in einer Neutralposition angeordnet sind,
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4a: eine Schnittansicht des Aktuatormechanismus gemäß einer Ausführungsform, und
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4b: eine Seitenansicht des in 4a gezeigten Aktuatormechanismus.
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1 zeigt das erfindungsgemäße Spoilersystem in einem Zustand, in dem die Hinterkantenklappe 8 ausgefahren ist. Die Tragflächenstruktur 1 ist über einen ersten Anlenkpunkt 7 mit dem Aktuatormechanismus 3 zum Antreiben der Spoilerklappe 2 verbunden. Die Spoilerklappe 2 weist wiederum einen zweiten Anlenkpunkt 6 auf, der mit dem Aktuatormechanismus 3 in Verbindung steht. Die Darstellung der 1 zeigt die sogenannte „drooped-Position” bei der die Hinterkantenlandeklappe 8 ausgefahren ist, um zusätzlichen Auftrieb zu erzeugen. Ferner ist die Spoilerklappe 2 ebenfalls in die Ausfahrrichtung der Hinterkantenlandenklappe 8 geneigt, um den ansonsten zwischen Hinterkantenlandeklappe 8 und Tragflächenstruktur 1 bzw. Spoilerklappe 2 entstehenden Luftspalt auf ein bestimmtes Niveau einzustellen bzw. zu minimieren. Um die Spoilerklappe 2 in Richtung der ausgefahrenen Hinterkantenlandeklappe 8 nachzuführen, wird die Distanz zwischen den beiden Anlenkpunkten 6, 7 des Aktuatormechanismus 3 verringert. Die Spoilerklappe 2 wird dementsprechend nach unten geschwenkt. Das Nachdrücken der Spoilerklappe 2 führt zu einem verbesserten Auftriebsverhalten, sodass die Geschwindigkeit bei gleichem Auftrieb verringert werden kann.
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Wird nun fehlerhafterweise die Hinterkantenlandeklappe 8 in ihre Neutralstellung zurückgefahren ohne die Spoilerklappe 2 zuvor aus ihrer nachgedrückten Position (= drooped-Position) in eine Neutralstellung zu bringen, kollidieren die Spoilerklappe 2 und die Hinterkantenlandeklappe 8. Der in 1 nicht dargestellte Sensor zum Messen einer auf den Spoiler wirkenden Last misst die durch die Kollision hervorgerufene Last, wodurch der Kollisionsfall feststellbar ist. Anders als die im Stand der Technik verwendeten Druckentlastungsventile weist der Sensor zum Messen der Last ein sehr viel geringeres Toleranzband auf, sodass die Bauteile des Spoilersystems weniger stabil und robust ausgeführt sein müssen.
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Zudem kann beim Feststellen eines Kollisionsfalls der Aktuatormechanismus dahingehend angesteuert werden, die Kollision aufzulösen, indem die Spoilerklappe 2 in ihre Neutralstellung verfahren wird. Alternativ hierzu ist es möglich, den Aktuatormechanismus 3 kraftlos zu schalten also in den so genannten „Bypass-Modus” zu versetzen. Dadurch wird versucht, die bei der Kollision auftretenden Beschädigungen zu minimieren bzw. gar nicht erst entstehen zu lassen.
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2 zeigt ein Verschwenken der Spoilerklappe aus der Tragflächenebene heraus. Typischerweise wird eine solche Stellung der Spoilerklappe 2 dazu verwendet, um den Luftwiderstand beim Landevorgang eines Fluggeräts zu erhöhen. Alternativ kann diese Stellung im Flugbetrieb auch dazu verwendet werden, das Rollen (= Rotation eines Fluggeräts um seine Längsachse) zu unterstützen.
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Man erkennt, dass der Aktuatormechanismus 3 ein Mittel zum Variieren der Distanz zwischen den beiden Anlenkpunkten 6, 7 des Aktuatormechanismus 3 aufweist. Durch das Ausfahren des in der Darstellung stangenförmigen Elements wird die Spoilerklappe 2 um ihren Anlenkpunkt mit der Tragflächenstruktur 1 geschwenkt, sodass sich die Spoilerklappe 2 aus der Ebene der Tragflächenstruktur 1 erhebt.
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3 zeigt die Position der Spoilerklappe 2 und der Hinterkantenlandeklappe 8 in einer jeweiligen Neutralstellung. Man erkennt, dass die Oberseite des teilweise dargestellten Querschnitts einer Tragfläche im Wesentlichen eben verläuft. Ferner ist in dieser Darstellung auch der Sensor 4 zum Messen einer auf der Spoilerklappe 2 wirkenden Last dargestellt. Der Sensor 4 ist dabei in den Anlenkpunkt 7 angeordnet, der die Verbindung der Tragflächenstruktur 1 mit dem Aktuatormechanismus 3 darstellt. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, einen Dehnungsmessstreifen, einen Schwerkraftsensor oder einen Lastsensor zu verwenden.
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Bei einem Vergleich der gemessenen Werte des Sensors 4 mit einem Schwellenwert hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, den Schwellenwert nicht starr festzulegen sondern in Abhängigkeit der Position der Spoilerklappe 2 zu definieren. So kann beispielsweise der Schwellenwert abhängig von dem Maß der Auslenkung der Spoilerklappe 2 in Bezug auf seine Neutralstellung sein. Ein größeres Auslenken kann beispielsweise einen größeren Schwellenwert zur Folge haben.
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Dadurch ist es möglich, die im Kollisionsfall auftretenden Fehlerlasten zu reduzieren und somit weniger massiv ausgelegte Struktur und Aktuatorbauteile zu verwenden.
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Die 4a und 4b zeigen eine Ausführungsform des Aktuatormechanismus 3. In der Seitenansicht erkennt man eine gestrichelt dargestellte Struktur 11, die über einen Hebel 16 mit dem Aktuatorgehäuse 15 verbunden ist. Der Hebel 16 kann bezüglich des Aktuatorgehäuses 15 verschwenkt werden. Ferner erkennt man eine Drehmomentstütze 12, die dazu geeignet ist, das von dem Hebel 16 stammende Drehmoment in das Aktuatorgehäuse 15 einzuleiten.
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In der Schnittansicht sieht man eine Messwelle 14 zum Messen einer auf den Spoiler wirkenden Last. Auch ist ein Sekundärsensor zu erkennen, der typischerweise dazu dient, das Drehmoment und die Drehposition des Hebels 16 zu einer Neutralstellung zu bestimmen.
