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Inhalt
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- 1. Anwendungsbereich
- 2. Stand der Technik, Problem
- 3. Die Erfindung
- 4. Konstruktion, Funktionskonzept
- 5. Flugsteuerung
- 6. Bodenbetrieb, Flughafenbetrieb
- 7. Gewerbliche Anwendbarkeit
- 8. Derivative
- 9. Technisches Merkblatt
- 10. Ausführung der Erfindung
- Anhang 1: 3 Seitenansicht
- Anhang 2: Tafel: Technische Spezifikationen inkl. Vergleich mit aktuellen Frachtflugzeugen
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1. Anwendungsbereich
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Die Erfindung betrifft generell das Gebiet der Flugzeugkonstruktionen
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2. Stand der Technik, Problem
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Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen radikalen Bruch mit den heute hauptsächlich angewandten strukturellen Konzepten im Flugzeugbau. Dabei wird vorausgesetzt, dass für die Entwicklung der weltweiten Wirtschaft der Bedarf an wirtschaftlich effizienten Frachtflugzeugen mit immer größeren sowie überdimensionierten Ladekapazitäten ständig wächst.
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Derzeit bieten die neuesten Transportflugzeuge mit einem tragenden Flügelpaar und Höhenruder bei bis 80 m × 80 m Flugzeuggröße rund 120 t bis 250 t Zuladung. Das Konstruktionsprinzip eines Tragflügelpaares führt bei wachsenden Flugzeugmassen zu wachsenden Spannweiten und in der Folge zu groß dimensionierten Flügelkonstruktionen mit hohem spezifischem Materialanteil. Für zukünftige Lufttransportaufgaben wird damit bereits heute eine material- und strukturtechnische Grenze erreicht. Hinzu kommt, damit einhergehend, ein wachsender betrieblicher Platzbedarf sowohl am Boden wie auch in der Luft, insbesondere in den flughafennahen Zonen und in den An/Abflugsektoren eines Flugplatzes.
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3. Die Erfindung
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Durch die Verteilung der Flugzeugmasse auf 2 Schwerpunktquerachsen und Anordnung zweier gleichtragfähiger Flügelpaare (4 Flügel) kann die Spannwerte pro Flügelpaar gegenüber nur einem Flügelpaar bei gleicher Tragfähigkeit wesentlich verringert werden. Diese Reduzierung der Flügelspannweite wird erkauft durch einen zu definierenden Längsabstand der Flügelpaare am Flugzeugrumpf um turbulente Einwirkungen des Vorder- auf den Hinterflügel zu minimieren. Diese implizierte Rumpfverlängerung erfordert einen entsprechend größeren Längsplatzbedarf am Boden. Die dadurch mögliche Vergrößerung der Ladefläche wirkt sich vorteilhaft auf die Frachtkapazität aus.
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Jedes Flügelpaar trägt somit im Prinzip ca 50% der Flugzeugmasse. Ein separates Höhenruder wird nicht benötigt. Die Vorteile dieses Flugzeugstrukturprinzips sind:
- – Betriebstauglichkeit auf nahezu sämtlichen bestehenden Flughäfen
- – Vermeidung des Höhenrudergewichts sowie seines Trimmungsluftwiderstandes
- – Die Einsparung des Höhenruders wird das zusätzliche Tragflächengewicht kompensieren
- – Der Gesamttragflächenauftrieb wächst ohne Erweiterung der Flügelspannweite
- – Steigerung der Manövrierfähigkeit aufgrund vielfältiger Steuerflächen
- – Erleichterung des Landeverfahrens aufgrund eines relativ geringen Anstellwinkels
- – Verbesserung des Frachtladeverfahrens aufgrund einer langen, freien Rumpfhülle
- – Wesentlich reduzierte Standflächenbreite auf dem Flughafenvorfeld
- – 4 Bein Fahrwerk erlaubt bessere Bodenstabilität und Manövrierfähigkeit beim Rollen
- – Wesentliche Reduzierung des Luftraumbedarfs
- – Großes Potential für weitere Entwicklungen, wachsendes Frachtvolumen, Massenfracht, bei weiter bestehender uneingeschränkter Nutzungsmöglichkeit der Bodenplattformen heutiger Flugplätze.
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Die Nachteile sind wie folgt:
- – Notwendigkeit intensivertheoretischer und praktischer Entwicklungsarbeit inkl. Windkanaltests. Die neuartige Konstruktion verlangt eine verzögerungsfreie abgestimmte Steuerung der gleichtragfähigen Flügelpaare, welche über ein vollautomatisches, mehrfach redundantes Steuer- und Regelsystem gewährleistet werden soll
- – Die Tragflügelstruktur verlangt modernstes innovatives Design und Fabrikation, der Hinterflügel muss den Turbulenzstromungen und Flügelspitzenwirbeln des Vorderflügels, ohne Einbußen an aerodynamischen Qualitäten, z. B. Auftriebgenerierung, standhalten
- – Die Biegespannungen an dem relativ langen Flugzeugrumpf verlangen besondere Beachtung.
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Konstruktion, Funktionskonzept
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Die Doppelflügel tragen jeweils etwa die Hälfte der Flugzeugmasse, sie werden in Schulterdeckerbauweise im Schwerpunktbereich einer Flugzeughälfte angeordnet. Beide Flügelpaare können zur Änderung ihres Auftriebsverhaltens mit Vorflügeln, Start/Landeklappen, Winglets und Bremsklappen ausgestattet sein. Beide Flügelpaare sind mit Querrudern für Kurvenflug (Drehung um die Längsachse) versehen.
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Das Seitenleitwerk steuert ein Flugzeug traditionell um die Hochachse, stabilisiert die Flugrichtung und die Rollrichtung bei Start und Landung am Boden. Bei derzeitigen Großraumflugzeugen erreichen die Seitenruder Höhen von 25 m und mehr über Boden, was u. a. extreme Anforderungen an die Luftraumhindernisfreiheit und die Flughafenarchitektur stellt. Das neue Flugzeug soll diese Steuerung ggf. über Fins (Rückenflossen) vornehmen, falls die vorgesehene Steuerung über 4 Winglets (Flügelspitzenflügel) nicht ausreichen sollte. Die konventionellen großformatigen und schweren Seitenleitwerkskonstruktionen entfallen.
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Die Funktion des Höhenleitwerks wird in das Querrudersteuersystem integriert. Die Drehung um die virtuelle Flugzeugschwerpunktquerachse, im Prinzip im Schwerpunkt des Gesamtflugzeugs, wird durch koordinierte Anstellungen entsprechender Ruderflächen an beiden Flügelpaaren erzeugt. Damit kann das traditionelle Höhenleitwerk entfallen.
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Der Abstand der Flügelpaare und evtl. deren Höhenversatz soll so bemessen sein, dass möglichst geringe, vernachlässigbare aerodynamische Beeinflussung der hinteren Tragflächen entsteht. Für eine vorläufige Auslegung der Abstandsgröße wurde eine Anleihe bei der Windturbinentechnik vorgenommen: Dort gilt als Faustregel zur Vermeidung von Turbulenzstörungen von Windrad zu Windrad ein Abstand von 3facher Flügelblattlänge. Übertragen auf unser Musterflugzeug – 3 Seitenansicht siehe Anhang 1 – mit 50 m Flugzeugspannweite und einer Einzelflügelspannweite von 21 m müsste bei ca. 100% Turbulenzfreiheit der Abstand von Flügelhinterkante des Vorderflügels zur Flügelvorderkate des Hinterflügels etwa 63 m betragen. Aufgrund von Nutzungsbetrachtungen wurde ein Abstand von 44 m für das vorliegende 4 Flügel Frachtflugzeug gewählt. Somit beträgt der Abstandsfaktor statt 3 × lediglich 2 × Flügel(blatt)länge. Es wird davon ausgegangen, dass mögliche, resultierende aerodynamische Beeinträchtigungen durch innovatives Design minimiert werden können, ohne die Gesamteffizienz des Flugzeugs zu stören. Im Prinzip kann der Flügelpaarabstand vergrößert werden, um bessere aerodynamische Resultate zu erzielen. Dies könnte jedoch betriebliche Vorteile zunichte machen, da die Flugzeugstandtiefe am Boden ebenfalls entsprechend verlängert werden müsste.
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Die Gesamtlänge des hier vorgestellten 4 Flügel Frachtflugzeugs soll 80 m betragen, 3 Seitenansicht siehe Anhang 1. Der Flugzeugrumpf besteht im Prinzip aus einer ca. 50 m langen Röhre mit einem Durchmesser von 6 m–8 m.
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Zusammenfassend ergeben sich folgende Konstruktionsparameter und Spezifikationen:
- – Rumpf/Flugzeuglänge 80 m, Röhrenstruktur mit min 50 mL × 6 mB × 4 mH Raumfreiheit
- – Frachtladekapazität min 120 t, Gesamtflugzeugmasse min 400 t
- – Flügelgesamtspannweite ca. 50 m, 2 Flügelpaare in Hochdeckerposition, Hinterflügel erhöht angesetzt
- – Flügeltiefe (breite) ca 6 m, Flügelpfeilung ca. 30°
- – 2 oder 4 Düsentriebwerke, installiert neben dem Rumpf unter dem hinteren Flügelpaar
- – Seitenleitwerk kann entfallen und alternativ durch kleinere „Rückenflossen” mit integrierten Rotoren ersetzt werden zur Lagesteuerung, vor allem während Start und Landung am Boden
- – 2 × 2 Hauptfahrwerke für den Bodenbetrieb. Entsprechend der Lastverteilung der Flugzeugmasse auf 2 Schwerpunktachsen wird das Fahrwerk für Bodenbetrieb auf 2 Achsen, d. h. auf 4 Hauptfahrwerksbeine verteilt. Die Hauptfahrwerksbeine sind unter den Tragflächen oder seitlich am Flugzeugrumpf angeordnet. Das bei heutigen Flugzeugen verwendete Bugfahrwerk wird damit ersetzt durch das vordere Hauptfahrwerkspaar, welches auch die Bodensteuerung übernimmt. Eine mögliche Steuerung beider Hauptfahrwerkspaare zur Steuerung von Schleppkurven ist abhängig von Feldversuchen.
- – 3 Seitenansicht siehe Anhang 1
- – Tafel zum Vergleich technischer Spezifikationen mit derzeitigen Großraumflugzeugen siehe Anhang 2
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Flugsteuerung
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Die erforderliche gleichzeitige Koordination und Abstimmung der Regel- und Steuervorgänge an den aerodynamisch voneinander direkt abhängigen Flügelpaare sowie die gleichermaßen kombinierten Höhen- und Querruderfunktionen können im Normalbetrieb nicht durch manuelle Eingaben des/der Piloten bewerkstelligt werden. Daher wird für die hochkomplexe Steuerung ein vollautomatisches, mehrfach redundantes Steuer- und Regelsystem installiert. Die Direktion bleibt jedoch bei dem/den Piloten, der Pilot steuert die Maschine wie konventionelle Flugzeuge.
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Die Flugzeugdrehbewegung um die Längsachse wird, wie bei konventionellem Betrieb, durch Aktivierung von Querrundern bewerkstelligt. Auftrieb, Steigen und Fallen, wird durch differenziertes variables Aktivieren der entsprechenden Flügelruder des Vorderflügels und des Hinterflügels erreicht. Die Steuersignale müssen wegen der direkten, ohne Zeitverzug wirkenden Steuerharmonie, automatisch koordiniert per Computertechnik erfolgen.
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Das 4 Flügel Frachtflugzeug Konzept impliziert Änderungen der Flugverfahrenstechnik. Bei Start und Landung behält das Flugzeug eine relativ horizontale Lage, da beide Flügelpaare gleichen Auftrieb entwickeln, sodass für kurze Zeit lediglich die Fluggeschwindigkeit die Steig- bzw. Sinkrate bestimmt, der Anstellwinkel bleibt flach. Bei Start hebt das Flugzeug relativ horizontal vom Boden ab, in der Sicherheitshöhe wird der Auftrieb des Vorderflügelpaars erhöht bis der gewünschte Steigwinkel erreicht ist.
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Landeanflug und Landung erfolgen analog zu dem eben geschilderten Verfahren. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass die komplexen Kontroll- und Steuerungsvorgänge nur mit Hilfe einer hoch entwickelten und redundanten computerisierten Technik möglich sind. Die erforderliche Redundanz der Systeme muss durch entsprechende Feldversuche und Testreihen ermittelt werden.
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Notverfahren, die von Piloten durchgeführt werden können, bleiben dementsprechend auf einfache Manöver reduziert.
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Triebwerke können unter den Tragflächen oder am Rumpf installiert werden. Triebwerkskonzepte sind variabel. Sie hängen von den Einsatzprofilen des Nutzers ab. Die Flugsteuerung bei Triebwerksausfall muss über Hilfsturbinen und unterbrechungsfreie Stromversorgung gewährleistet werden, welche die weitere Funktion der komplexen Steuerungstechnik übernehmen.
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Bodenbetrieb, Flughafenbetrieb
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Entsprechend der Lastverteilung der Flugzeugmasse auf 2 Schwerpunktachsen wird das Fahrwerk für Bodenbetrieb auf 2 Achsen, d. h. im Prinzip auf 4 Hauptfahrwerksbeine verteilt. Die Hauptfahrwerksbeine sind unter den Tragflächen oder seitlich am Flugzeugrumpf angeordnet. Das bei heutigen Flugzeugen verwendete Bugfahrwerk wird ersetzt durch das vordere Hauptfahrwerkspaar, welches auch die Flugzeuglenkung am Boden übernimmt.
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Die Verteilung der Flugzeugmasse auf eine vielfältige Fahrwerkskonfiguration bedeutet eine wesentlich geringere Belastung der Flugbetriebsflächen gegenüber den konventionellen 3 Punkt Fahrwerken. Darüber hinaus wird die Lagestabilität des Flugzeugs erhöht, dies erlaubt höhere sichere Rollgeschwindigkeiten, reduziert die Bahnbelegungszeit nach der Landung und trägt bei, die Luftverkehrskapazität des Flughafens zu erhöhen.
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Für den Flughafenbetrieb sind keine besonderen neuen Vorkehrungen zu treffen. Die Flugzeugstandfläche ist länger als bei konventionellen gleichschweren Flugzeugtypen.
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Das 4 Flügel Frachtflugzeug ist gekennzeichnet durch eine freie Ladefläche von 50 m × 6 m × 4 m, welche durch Tore an beiden Enden des Flugzeugs bedient werden kann.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die gewerbliche Anwendbarkeit ergibt sich aus der obigen Beschreibung. Das Flugzeug kann prinzipiell in sämtlichen Anwendungsgebieten des Lufttransports eingesetzt werden.
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Die Anwenderzielgruppen sind Flugzeughersteller und die internationale Luftfrachtindustrie. Die vorgestellte Flugzeugkonstruktion erlaubt einen qualitativen Sprung im Luftfrachtbetrieb durch die mit dem neuen Transportmittel wesentlich erweiterten Nutzungsmöglichkeiten.
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Derivative
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Das hier vorgestellte 4 Flügel Frachtflugzeug kann ohne Änderung der Grundkonzeption ebenfalls als Passagierflugzeug mit entsprechender Ausbauanpassung hergestellt werden.
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Die Entwicklungsmöglichkeiten, u. a. für derivative Frachtflugzeuge mit wesentlich höheren Zuladungen, sind aufgrund des Konstruktionsprinzips der Erfindung wesentlich größer als bei konventionellen Einflügelpaarflugzeugen. Größere Derivative können noch immer in den Grenzen der derzeitigen internationalen Flughäfen operieren.
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Technisches Merkblatt
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Gegenüberstellung diverser aktueller Frachtflugzeugtypen und 4 Flügel Frachtflugzeug siehe Anhang 2
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Ausführung der Erfindung
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Für die Ausführung der Erfindung ist ein größerer Modellbau und Tests der Steuerbarkeit aller Flugzeugkomponenten erforderlich. Nach erfolgreichen Tests wird ein einschlägiger, potenter Anwender gesucht, der die Ausführung für den realen Einsatz übernimmt. Alternativ ist die Ausführung im Rahmen eines Forschungsvorhabens möglich. Anhang 2 Vergleich technischer Spezifikationen
Tabelle: Vergleich technischer Spezifikationen der Erfindung (4 Flügel Frachtflugzeug 4 FFF) mit aktuellen Frachtflugzeugen.
Quelle: ICAO Cir 305 NLA, Betrieb Neuer Größerer Flugzeuge auf bestehenden Flughäfen (Operation of New Larger Airplanes at Existing Aerodromes, June 2004).
4 Flügel Frachtflugzeug 4 FFF: Vorläufige generische Spezifikationen.
() = Schätzwerte. Flugzeuge: McDonnel, Boeing, Antonov, Airbus. OEW = Betriebsleergewicht.
