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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verstellen der Winkelstellung einer lasttragenden Struktur, insbesondere einer von einer Luftströmung beaufschlagten Steuerfläche.
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Im Maßstab verkleinerte Modelle von Flugzeugen werden heutzutage üblicherweise in einem Windtunnel aerodynamisch getestet. Durch die Anwendung extrem tiefer Temperaturen (beispielsweise bis zu -160°C) kann man in einem geeigneten Windtunnel Hochauftriebs- und Reiseflugbedingungen wie im Freiflug von modernen Transportflugzeugen im Modellmaßstab simulieren. Die die Strömung charakterisierenden Kennzahlen wie Mach (Ma) - und Reynoldszsahl (Re) können hingegen in konventionellen Windkanälen nicht gleichzeitig realisiert werden.
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Bedingt durch die extreme Kälte, die nicht gegebene Zugänglichkeit des im Windkanal eingebauten Modells und die Anforderungen an eine möglichst geringe Restfeuchte sind Änderungen am Modell während eines Tests nur sehr aufwändig und nur in einer speziellen Klimakammer möglich. Bisher bedeutet daher die Veränderung z.B. einer Ruderstellung im Windkanal jeweils eine aufwändige Versuchsunterbrechung durch Modelltransport, lokales Aufheizen, Umbau, Trocknen und Abkühlen sowie Rücktransport. Umfangreiche Parameteruntersuchungen sind für Testkunden so wirtschaftlich kaum darstellbar.
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Durch die Maßstabsverkleinerung, bei Vollmodellen typischerweise um den Faktor 25, sind die Verstellmechanismen der Großausführung nicht auf das Modell übertragbar. Die Fertigung von miniaturisierten Verstellmechaniken mit ausreichender Festigkeit ist nicht möglich und die auftretenden Kräfte würden die herunterskalierten Bauteile zerstören. Eine typische Flügeldicke im Bereich des Scharniers eines Aileron (Querruders) bei einer Modellspannweite von beispielsweise 1,6 Meter beträgt beispielsweise etwa 5 mm. Innerhalb dieses kleinen zur Verfügung stehenden Bauraums ist sowohl eine Verstellmechanik als auch ein kryotauglicher Aktuator unterzubringen, ohne dass die äußere Flügelgeometrie verändert wird. Da dies nicht möglich ist, greift man bisher auf starre Befestigungselemente (brackets) zurück, die zur Änderung des Anstellwinkels mit großem Aufwand ausgetauscht werden müssen. Eine Fernverstellung von Steuerflächen an einem Modell in der Messtrecke, auch ohne Windlast, würde nur wenige Minuten dauern und der Produktivitätsgewinn wäre enorm.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine ferngesteuerte Einrichtung zum Verstellen der Winkelstellung einer lasttragenden Struktur, insbesondere einer von einer Luftströmung beaufschlagten Steuerfläche, zur Verfügung zu stellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einrichtung ein Blockierelement umfasst, welches aus einer niedrig schmelzenden Legierung besteht, wobei das Blockierelement in einem erstarrten Zustand eine für das Verstellen der Steuerfläche notwendige gelenkige Verbindung blockiert und das Blockierelement in einem geschmolzenen oder erweichten Zustand das Verstellen der Steuerfläche zulässt. Auf diese Weise ist bei tiefen Temperaturen bei den Versuchen im Windkanal, im erstarrten Zustand des Blockierelements, eine starre Verbindung zu der Steuerfläche gegeben, so dass diese in der gegebenen Winkelstellung getestet werden kann. Wird hingegen das Blockierelement erwärmt, schmilzt das Blockierelement und die Steuerfläche lässt sich nun in ihrer Winkelstellung verstellen, so dass sie nach erneutem Erstarren des Blockierelements ohne Aufwärmen des Windkanals oder Modelltransport in einer anderen Winkelstellung getestet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Blockierelement eine Passfeder, die in einer Nut im Bereich der gelenkigen Verbindung aufgenommen ist. Beispielsweise wird diese Passfeder in eine Nut der Steuerfläche einerseits und in eine weitere Nut einer Halterung (Flügelkorpus), an der die Steuerfläche gelenkig angebracht ist, jeweils eingegossen oder eingeschoben. Im erstarrten Zustand blockiert dann die Passfeder die gelenkige Verbindung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Einrichtung eine Heizvorrichtung zur Erwärmung des Blockierelements auf seine Schmelztemperatur oder Erweichungstemperatur.
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Diese Heizvorrichtung kann beispielsweise eine elektrische Heizvorrichtung sein. In diesem Fall kann die Heizvorrichtung beispielsweise einen Heizdraht umfassen, welcher mindestens teilweise an oder in dem Blockierelement angeordnet ist. Mittels eines solchen Heizdrahts kann man das Blockierelement so hoch erwärmen, dass es schmilzt oder zumindest eine Erweichung stattfindet, die ausreicht, dass die Blockierung des Gelenks durch das Blockierelement aufgehoben ist.
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Damit man nur eine Erwärmung auf eine nicht allzu hohe Temperatur vornehmen muss, um das Blockierelement zum Schmelzen zu bringen, besteht dieses vorzugsweise aus einer bei weniger als 200 °C schmelzenden, vorzugsweise aus einer bei weniger als 150 °C schmelzenden, besonders bevorzugt aus einer bei weniger als 100 °C schmelzenden Legierung.
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Geeignete niedrig schmelzende Legierungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dies sind beispielsweise Legierungen, die Wismut und/oder Indium enthalten. Diese Elemente können zum Beispiel mit Blei und/oder Zinn und/oder Cadmium oder Antimon legiert werden. Beispielhaft sei an dieser Stelle Fieldsches Metall genannte, welches Wismut, Zinn und Indium enthält und einen Schmelzpunkt bei einer Temperatur von nur etwa 62 °C hat.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich die Nut, in der die Passfeder aufgenommen ist, einerseits teilweise in die Steuerfläche hinein und andererseits teilweise in ein Bauteil hinein, an dem die Steuerfläche gelenkig angebracht ist. Wenn diese Passfeder erstarrt ist, ist die gelenkige Verbindung zwischen der Steuerfläche und dem Bauteil blockiert. Schmilzt hingegen das Blockierelement, lässt sich die Steuerfläche um ein Gelenk gegenüber dem Bauteil, an dem die Steuerfläche angebracht ist, verstellen.
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Die zu verstellende lasttragende Struktur kann beispielsweise ein Gelenkarm oder dergleichen sein. Insbesondere kann es sich bei dieser lasttragenden Struktur um eine im Winkel zu verstellende Steuerfläche eines Fluzeugmodells handen. Dies kann beispielsweise ein Ruder, ein Vorflügel, ein Spoiler oder ein Querruder (auch Aileron genannt) eines Flugzeugmodells sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Einrichtung einen Aktuator zum Verstellen der Winkelstellung der Steuerfläche. Diese Variante hat den Vorteil, dass man ferngesteuert die Verstellung der Winkelstellung der Steuerfläche vornehmen kann, nachdem durch Erweichen des Blockierelements die gelenkige Verbindung deblockiert wurde. Es ist dann nicht notwendig, dass eine Person den Windkanal betritt und die strömungstechnischen Versuche müssen nicht unterbrochen werden. Wegen der tiefen Temperaturen, die im Windkanal herrschen, wäre eine solche Unterbrechung zeitraubend und aufwändig.
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Als Aktuator für eine ferngesteuerte Verstellung der Steuerfläche kommt zum Beispiel ein Elektromotor in Betracht. Die Fernsteuerung eines solchen Elektromotors zum Beispiel über Funk ist ebenso möglich, wie über eine Steuerleitung. Der Aktuator greift bevorzugt im Bereich eines Gelenks an, über das die zu verstellende Steuerfläche gelenkig angebracht ist.
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Alternativ zu einem elektromotorischen Verstellen kann auch beispielsweise ein Verstellen der Winkelstellung der Steuerfläche pneumatisch oder hydraulisch erfolgen.
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Die Betätigung der Heizvorrichtung, mittels derer das Blockierelement erwärmt wird, kann ebenfalls beispielsweise über eine Fernsteuerung erfolgen.
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Als wesentliches Element des erfindungsgemäßen robusten Verstellmechanismus dient somit die zuvor beschriebene Passfeder aus einem niedrig schmelzendem Metall (z. B. Field'sches Metall, FiM), welche zur Verriegelung des Drehmechanismus einer Steuerfläche (Ruder, Klappe, Aileron, etc.) benutzt wird. Das FiM hat die Eigenschaft bereits bei Temperaturen oberhalb von 62°C zu schmelzen und weist bei extrem tiefen Temperaturen eine ausreichende Festigkeit und Zähigkeit auf.
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Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, bevorzugt die Verstellung der Steuerfläche bei Wind-Off-Bedingungen zu realisieren. Dies kann bei eingebautem Modell im Windkanal und bei Kryobedingungen erfolgen. Es ist lediglich die kleine Masse der Passfeder auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des niedrig schmelzenden Blockierelements zu erhitzen. Diese gezielte Erwärmung erfolgt bevorzugt durch eine elektrische Beheizung und wird von außerhalb des Windkanals gesteuert. Die bei der Verstellung zu überwindenden Kräfte und Momente sind gering und resultieren lediglich aus der Haftung und Reibung der Dichtflächen. Nach Abschalten der Heizung erstarrt die Passfeder aufs Neue und nimmt als passives Element ohne weitere Regelung mit einer großen Steifigkeit die auftretenden Strömungskräfte unter Wind-On-Bedingungen auf. Alternative Methoden benötigen meist eine aktive Regelung und/oder haben eine aufwändige Mechanik, welche zu Funktionsstörungen durch Reibungs- und Haftungseffekte und aufgrund der Elastizität zu unerwünschten Verformungen führen können. Das vorgestellte Konzept ist jedoch eigensicher und auch unter den anspruchsvollen kryogenen Randbedingungen praktikabel.
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Die vorgestellte Erfindung stellt einen robusten und kompakten Mechanismus für die Fernverstellung von Steuerflächen an Windkanalmodellen dar, der im Windkanal bei Kryobedingungen an Vollmodellen einsetzbar ist, lässt sich aber auch auf andere Windkanäle mit beschränkter Zugänglichkeit übertragen. Dadurch werden Flugzeughersteller und Forscher in die Lage versetzt, zeit- und kosteneffizient umfangreiche Parameterstudien bei wirklichkeitsgetreuen Flugbedingungen durchzuführen. Hierdurch können Konzepte für umweltfreundliche Flugzeuge, z.B. variable camber, (weiter-)entwickelt und in die Anwendung überführt werden.
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Das Funktionsprinzip ist für die anspruchsvollste, da kleinste geometrische Abmessung von Steuerflächen wie zum Beispiel eines Ailerons an einem Vollmodell im Windkanal anwendbar. Es gibt eine Vielzahl weiterer Einsatzmöglichkeiten wie andere bewegliche Steuerflächen (Ruder, Vorflügel, Spoiler) an Voll- und Halbmodellen. Das Prinzip der Erfindung ist immer dann sinnvoll, wenn es darum gilt, auf begrenztem Raum eine Verriegelung eines Gelenks zu bewerkstelligen und die Verstellung in einem Zustand geringer Belastung unter Wärmezufuhr erfolgen kann.
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Sollte die Belastung bzw. das Drehmoment an dem Gelenk so groß werden, dass die Festigkeit des Blockierelements aus niedrig schmelzender Metalllegierung nicht ausreicht, besteht die Möglichkeit, die Passfeder durch ein eingelegtes Verstärkungselement (Stahlkörper, CFK-Struktur) zu verstärken, wobei dann aber ggf. der Verstellbereich reduziert werden müsste. Das Verstärkungselement trägt im Wesentlichen die Biegelast der Passfeder, während die Metalllegierung hauptsächlich auf Druck belastet wird. Das Verstärkungselement kann auch als integriertes Heizelement ausgebildet werden.
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Die niedrig schmelzende Legierung wird als Werkstoff für eine Passfeder verwendet, welche die Drehung der Steuerfläche blockiert. Zur Veranschaulichung wird in den Ausführungsbeispielen ein Aileron dargestellt, das Konzept lässt sich aber auch auf andere bewegliche Steuerflächen übertragen. Die mechanische Verriegelung der Drehbewegung durch eine Passfeder ist eine mechanisch einfache und platzsparende Möglichkeit, die während des Tests durch die Umströmung auftretenden großen Momente und Kräfte aufzunehmen. Zudem hat dieses Konzept den Vorteil, dass es passiv sicher ist und im kalten Zustand bei Wind-on keinerlei aktive Aktuatoren oder Regelungen benötigt. Die Verstellung des Anstellwinkels kann dann in den kurzen Pausen bei Wind-off erfolgen. Dort sind die auftretenden Kräfte gering und werden nur durch die Haftung und Reibung der Dichtungen bestimmt.
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Die Bewegung der Steuerfläche ohne Wind kann beispielsweise bereits durch die Schwerkraft oder durch den Einsatz von weniger leistungsstarken Aktuatoren erfolgen, was gegenüber einer Verstellung mit Windlast wesentlich einfacher zu realisieren ist. Die Beheizung d.h. Verflüssigung oder Erweichung der niedrig schmelzenden Legierung und die Verstellung erfolgen dann ferngesteuert über eine elektrische Beheizung. Die anschließende Abkühlung und das Erstarren des Blockierelements erfolgt über die Temperaturdifferenz gegenüber dem Windkanal ohne weiteres Zutun.
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Überschlagsmäßige Abschätzungen und auch erste Experimente im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben ergeben, dass das Metall bei den relevanten Temperaturen eine ausreichende Festigkeit besitzt, um der Belastung aufgrund der Strömungskräfte an einem Vollmodell unter den typischen Einsatzbedingungen bezüglich Ma, Re und Druck Stand zu halten.
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Grundsätzlich eignet sich das Prinzip der vorliegenden Erfindung für in ihrer Winkelstellung zu verstellende lasttragende Strukturen in den verschiedensten Anwendungsbereichen, d.h. die Erfindung ist nicht auf Flugzeugmodelle beschränkt. Beispielhaft seien nachfolgend einige Anwendungsbereiche genannt.
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Die Verstellung von Turbinenschaufeln, Verstellung von Kompressorschaufeln;
von Prothesen oder Orthesen (Gelenke, für medizinische Anwendungen);
von Gelenkarmen (beispielsweise an Leuchten oder einer Monitorhalterung) die nur gelegentlich verstellt werden und wo große Kräfte/Momente bei einem kleinen Bauraum auftreten;
von automatisch schließenden oder öffnenden Klappen (Rauchgasklappen, Ventile) oder Schließmechanismen, die beim Überschreiten eine bestimmten Temperatur agieren (diese benötigen keine elektrische Steuerung);
von elektrisch betriebenen bzw. freigegebenen Scharnieren (Türe, Labtop- oder Handy-Monitor, Schlösser, Außenspiegel am Auto, Robotik, immer wenn extrem wenig Bauraum zur Verfügung steht);
von Kupplungen und Verdrehsicherungen, die elektrisch ein- und ausgeschaltet werden können (beispielslweise die Gierbewegung der Gondel einer Windkraftanlage). Der Vorteil ist, dass es sich um ein geschlossenes System handelt, dass sehr wartungsfreundlich ist und keine passgenaue Fertigung erfordert.);
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Weiterhin kommen Anwendungen in der Raumfahrt (sich entfaltende Sonnensegel oder Gelenkarme) in Betracht oder
bei Kugelgelenken für Anwendungen in der Medizin, Kamera-Stative oder Positionieraufgaben in der Mikroskopie).
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Auch ist die Nutzung der Metalllegierung als Heizelement selbst möglich, wenn das Gelenk bzw. die miteinander verbundenen Körper nicht elektrisch leitend sind (Kunststoffe, Keramik) und die Schmelztemperatur ertragen können.
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Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematisch vereinfachte perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Verstellen eines Querruders;
- 2 eine vergrößerte Detailansicht einer Einrichtung ähnlich wie in 1 im teilweisen Schnitt in einer ersten Winkelstellung;
- 3 eine weitere vergrößerte Detailansicht der Einrichtung ähnlich wie in 2 im teilweisen Schnitt, jedoch in einer zweiten Winkelstellung des Querruders;
- 4 eine Draufsicht auf die Halterung (Flügelkorpus) des Querruders mit der Heizvorrichtung;
- 5 eine Ansicht der Halterung (Flügelkorpus) mit der Heizvorrichtung von vorn (entgegen der Strömungsrichtung);
- 6 eine vergrößerte Schnittansicht durch die Halterung (Flügelkorpus) mit Heizvorrichtung mit eingezeichnetem Querruder.
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Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Diese zeigt in vereinfachter perspektivischer Darstellung ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Teil eines Querruders 10 über eine Passfeder 11 in einer Halterung (Flügelkorpus) 12 um eine Achse verstellbar gehalten ist. Die im Querschnitt beispielsweise etwa rechteckige Passfeder 11 ragt einerseits teilweise in eine im Querschnitt rechteckige Nut 13 am proximalen Ende des Querruders 10 und ist außerdem an ihrer anderen Seite teilweise in einer Nut oder Aufnahme in der Halterung (Flügelkorpus) 12 gehalten. Diese Passfeder 11 besteht aus einer niedrig schmelzenden Legierung und dient als Blockierelement, denn wenn das Metall des Legierungselements bei tiefen Temperaturen fest ist, wird das Gelenk blockiert und das Querruder kann nicht schwenken, sondern ist in seiner jeweiligen Winkelstellung festgelegt.
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Auf der Rückseite des Querruders 10 kann man teilweise einen Elektromotor 14 erkennen, der als Aktuator dient, um eine Verstellung der Winkelstellung des Querruders 10 um eine horizontale Achse gegenüber der Halterung (Flügelkorpus) 12 zu bewirken.
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2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht, in der die Passfeder 10 aus der Nut 13 herausgenommen wurde, so dass man hier zum einen die Nut 13 am proximalen Ende des Querruders erkennt als auch die zweite Nut 15 in der Halterung (Flügelkorpus) 12, die sich in der Flucht zu der ersten Nut 13 erstreckt, so dass die in 1 zu sehende Passfeder 11 in beide Nuten 13 und 15 eingreifen kann und die Passfeder das Querruder 10 mit der Halterung (Flügelkorpus) 12 starr verbindet. In dem Verbindungsbereich, in dem das Querruder 10 mit seinem proximalen Ende in die Halterung (Flügelkorpus) 12 eingreift, ist in der Regel eine Dichtung 16 angeordnet (siehe 3).
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Wenn die Passfeder erwärmt wird über ihre Schmelztemperatur hinaus (die beispielsweise bei Verwendung von Fieldschem Metall bei ca. 62 °C liegt), dann wird die Blockierung der gelenkigen Verbindung zwischen Querruder 10 und Halterung (Flügelkorpus) 12 aufgehoben und das Querruder 10 kann in seiner Winkelstellung verstellt werden. Man sieht dies, wenn man die entsprechende Darstellung gemäß 3 mit derjenigen gemäß 2 vergleicht, denn in 3 wurde das Querruder 10 in einem Winkel angehoben, im Vergleich zu der Position von 2. Auf diese Weise ist es möglich, verschiedene Winkelstellungen des Querruders 10 an der Halterung (Flügelkorpus) 12 beispielsweise über den Elektromotor 14 vorzunehmen, wenn die Passfeder 11 geschmolzen ist, wobei nach der Abkühlung wieder eine starre und belastbare Verbindung zwischen Querruder 10 und Halterung 12 hergestellt wird, da dann die Passfeder 11 wieder erstarrt.
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Die Vorrichtung zur Erwärmung der Passfeder 11, um den Werkstoff, aus dem diese besteht, zum Schmelzen zu bringen, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 6 näher erläutert. Die 4 und 5 zeigen die Halterung (Flügelkorpus) 12 ohne das Querruder 10 und ohne die Passfeder 11. Man erkennt die in der Nut 15 der Halterung (Flügelkorpus) 12 liegende Heizvorrichtung, welche einen beispielsweise spiralförmigen Heizdraht 17 umfasst, der um eine Achse 18 gewickelt ist. Die Verbindungsdrähte 19 zu der Heizspirale 17 erstrecken sich im hinteren Bereich der Nut 15 in radialer Richtung zu der Heizspirale und sind zweckmäßig von einer Wärmeisolierung 20 umgeben.
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In der vergrößerten schematischen Schnittdarstellung gemäß 6 ist das Querruder 10 eingezeichnet und man sieht, wie es mit seinem proximalen Ende gelenkig in der Halterung (Flügelkorpus) 12 aufgenommen ist (gelenkig ist die Verbindung sofern die Passfeder weich ist), wobei zur besseren Übersichtlichkeit in 6 die Passfeder 11 nicht dargestellt ist, so dass man die beiden Nuten 13 und 15 sieht, die die Passfeder aufnehmen. Man erkennt hier, dass die Heizvorrichtung 17 in der Halterung (Flügelkorpus) 12 im Bereich der Nut 15 liegt, die die Passfeder 11 aufnimmt, so dass die Heizvorrichtung in der Passfeder liegt und diese über elektrische Energie soweit aufwärmen kann, dass sie schmilzt. Sobald die Passfeder weich wird, ist die Blockierung des Gelenks zwischen Querruder 10 und Halterung (Flügelkorpus) 12 aufgehoben und man kann das Querruder beispielsweise über einen Elektromotor 14 im Winkel verstellen, wie oben erläutert wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Querruder
- 11
- Passfeder
- 12
- Halterung (Flügelkorpus)
- 13
- Nut
- 14
- Elektromotor
- 15
- Nut in der Halterung (Flügelkorpus)
- 16
- Dichtung
- 17
- Heizdraht (Heizspirale)
- 18
- Achse
- 19
- Verbindungsdrähte
- 20
- Wärmeisolierung
