DE102018206428A1

DE102018206428A1 - Verfahren zur Nutzung der Grenzschichtabsaugung bei einem Flugkörper

Info

Publication number: DE102018206428A1
Application number: DE102018206428.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Mönig
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2019-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Grenzschichtabsaugung bei einem Flugkörper, insbesondere bei einem Flugzeug, zur Unterstützung des Vortriebs des Flugkörpers. Den Flugkörper (10) umströmende Luft wird aus deren dem Flugkörper (10) benachbarten Grenzschicht durch Öffnungen in einer Außenhaut (14) des Flugkörpers (10) angesaugt. Die angesaugte Luft wird zu einem Strahltriebwerk (26) des Flugkörpers (10) geführt und von dem Strahltriebwerk (26) gegebenenfalls zusätzlich zu weiterer von dem Strahltriebwerk (26) angesaugter Außenluft als Schubstrahl (24) ausgestoßen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Grenzschichtabsaugung bei einem Flugkörper, insbesondere bei einem Flugzeug, zur Unterstützung des Vortriebs des Flugkörpers.
Heutige Flugzeuge weisen aufgrund der turbulenten Rumpf-, Tragflügel- und Leitwerksgrenzschichten einen relativ hohen Widerstand auf, der durch einen entsprechend hohen Schub der Triebwerke kompensiert werden muss. Es existieren aber theoretische und experimentelle Untersuchungen, die zeigen, dass man durch perforierte Oberflächen und entsprechende Grenzschichtabsaugung die Grenzschichten laminar halten und damit den Widerstand signifikant reduzieren kann (siehe z. B. US 2,650,781 und US 6,216,982 B1 ). Entsprechende Experimente wurden u.a. vom DLR am Seitenleitwerk des DLR-Forschungsflugzeug ATRA durchgeführt. Die abgesaugte Luft wurde an geeigneter Stelle wieder in die Atmosphäre ausgeblasen.
Darüber existiert eine aktuelle Veröffentlichung „Nils Beck, Tim Landa, Arne Seitz, Loek Boermanns, Yaolong Liu und Rolf Radespiel, Drag Reduction by Laminar Flow Control, Energies 2018, 11, 252; doi: 10.3390/en11010252“, die zeigt, dass eine Laminarisierung der Rumpfgrenzschicht zu einer erheblichen Widerstandsverminderung führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Effektivität der Grenzschichtabsaugung bei einem Flugkörper weiter zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Nutzung der Grenzschichtabsaugung bei einem Flugkörper vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren

- den Flugkörper umströmende Luft aus deren dem Flugkörper benachbarten Grenzschicht durch Öffnungen in einer Außenhaut des Flugkörpers angesaugt wird,
- die angesaugte Luft zu einem Strahltriebwerk des Flugkörpers geführt wird und
- die angesaugte Luft von dem Strahltriebwerk gegebenenfalls zusätzlich zu weiterer von dem Strahltriebwerk angesaugter Außenluft als Schubstrahl ausgestoßen wird.

Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, die aus der Grenzschichtabsaugung stammende Luft einem Strahltriebwerk zuzuführen, mit dem die angesaugte Luft verdichtet und als Schubstrahl ausgestoßen wird. Damit kann, anders als im Stand der Technik, die Luft der Grenzschichtabsaugung für den Vortrieb des Flugkörpers genutzt werden.
Unter „Strahltriebwerk“ wird im Sinne dieser Erfindung ein Triebwerk verstanden, dass Luft verdichtet und mit erhöhter Geschwindigkeit ausstößt. Ein „Strahltriebwerk“ in diesem Sinne muss also nicht notwendigerweise ein mit Brennstoff betriebenes Kerntriebwerk aufweisen. Gegenstand eines „Strahltriebwerks“ im Sinne der Erfindung ist also der Fan, d.h. der Verdichter, der Luft verdichtet, so dass diese verdichtete Luft mit erhöhter Geschwindigkeit als Schubstrahl ausgestoßen wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Außenhaut des Flugkörpers doppelwandig ausgeführt ist und eine Außenwand sowie eine Innenwand aufweist und dass die angesaugte Luft durch den Zwischenraum zwischen der Außenwand und der Innenwand zum Strahltriebwerk strömt. Zweckmäßig kann es also sein, die Grenzschichtabsaugungsluft durch den Zwischenraum zwischen einer doppelwandigen Außenhaut des Flugkörpers hindurchzuleiten, und zwar bis zum Strahltriebwerk.
Alternativ ist es möglich, dass sich von jeder Öffnung in der Außenhaut aus oder jeweils von einer Gruppe von Öffnungen in der Außenhaut aus ein separater Kanal erstreckt, der in Fluidverbindung mit dem Strahltriebwerk steht.
Neben der Luft aus der Grenzschichtabsaugung kann das besagte Strahltriebwerk auch noch mit weiterer Luft, insbesondere mit von außerhalb des Flugzeugs einströmender Luft versorgt werden. So ist es beispielsweise möglich, dass der Flugkörper einen z. B. und insbesondere in Flugrichtung weisenden Lufteinlass aufweist, der in Fluidverbindung mit dem Strahltriebwerk steht, so dass neben der Luft aus der Grenzschichtabsaugung auch noch Luft zum Strahltriebwerk gelangt, die über den separaten Lufteinlass einströmt.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Strahltriebwerk ein mit Brennstoff betriebenes Kerntriebwerk für den Verdichter (Fan) oder einen Elektromotor aufweist, der den Fan (Verdichter) antreibt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Schubstrahl zur Reduzierung von Impulsverlusten in dem Strömungsnachlauf hinter dem Flugkörper einströmt, und zwar insbesondere über das hintere Ende der von Luft umströmten Außenhaut des Flugkörpers. Hierbei können Druckunterschieden zwischen der Luft der Grenzschichtabsaugung, die ja mit Unterdruck angesaugt werden muss, und der Luft, die über den Lufteinlass einströmt, existieren. Sofern derartige Druckunterschiede zu befürchten sind, ist es zweckmäßig, zunächst die Luft aus der Grenzschichtabsaugung zu verdichten und dieser einen höheren Druck zu verleihen, um dann bei im Wesentlichen Druckgleichheit beider Luftströme diese zusammen zum Strahltriebwerk zu führen.
Die Grenzschichtabsaugung kann an der Außenhaut des Flugkörpers im Bereich des Rumpfes, im Bereich einer Tragfläche und/oder im Bereich eines Leitwerks (Höhen- und/oder Seitenleitwerk) des Flugzeugs erfolgen.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung betrifft diese einen Flugkörper, insbesondere Flugzeug, mit

- einer Außenhaut und
- einem Strahltriebwerk,
- wobei die Außenhaut perforiert ist und Öffnungen für eine Grenzschichtabsaugung aufweist und
- wobei die Öffnungen in der Außenhaut durch einen Kanal oder durch mehrere Kanäle in Fluidverbindung mit dem Triebwerkeinlass des Strahltriebwerks stehen.

Der Flugkörper ist ausgelegt zur Nutzung der Grenzschichtabsaugung als Unterstützung des Vortriebs des Flugkörpers gemäß einem oder mehreren Merkmalen, wie oben beschrieben.
Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, eine poröse oder geeignet perforierte Rumpf- oder andere Flugkörperteiloberfläche mit einer doppelwandigen oder mit geeigneten Kanälen versehene Struktur zu nutzen und über einen durch einen Fan erzeugten Unterdruck die benötigte Grenzschichtabsaugmenge zur Laminarhaltung der Rumpfgrenzschicht zu realisieren. Die abgesaugte Luft wird über einen Ansaugkanal einem z. B. im Heckbereich des Flugzeugs angeordneten Flugtriebwerk zugeführt. Über einen ein- oder mehrstufigen Fan wird der notwendige Druck zur Beschleunigung der Luft und zur Ausblasung am Heck erzeugt. Der Fan kann von einem konventionellen Kerntriebwerk angetrieben sein. Alternativ kann auch ein Antrieb über einen Elektromotor erfolgen. Der Schubstrahl wird am Heck des Flugzeugs ausgeblasen und kann so - zumindest teilweise - den Nachlauf der Grenzschichtströmung auffüllen und damit Impulsverluste reduzieren sowie zum Vortrieb des Flugzeugs beitragen. Ggf. kann dem Triebwerk über einen zusätzlichen Lufteinlauf zusätzliche Luft zugeführt werden, um eine ausreichend Triebwerksgröße zu realisieren und einen ausreichenden Zusatzschub zu realisieren.
Zweckmäßig ist es, wenn die aus der Grenzschichtabsaugung stammende Luft aus dem Strahltriebwerk zur Reduzierung von Impulsverlusten infolge von Luftströmungsgeschwindigkeitsdefiziten in dem Nachlauf der Strömung hinter einer angeströmten Fläche des Flugkörpers ausgestoßen wird. In diesem Zusammenhang kann der Flugkörper in weiterer Verbesserung seiner aerodynamischen Eigenschaften ein oder mehrere der Merkmale aufweisen, die Gegenstand der am heutigen Tage unter dem Aktenzeichen 10 2018 206 421.0 eingereichten Patentanmeldung desselben Anmelders sind, deren Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gehört.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, wie es in der Zeichnung gezeigt ist.
Die Zeichnung zeigt ein Flugzeug 10 als Beispiel für einen Flugkörper, der einen porösen Rumpf 12 für eine Grenzschichtabsaugung aufweist (angedeutet durch die Pfeile). Der Rumpf 12 weist eine doppelwandig ausgeführte Außenhaut 14 auf, der eine poröse Außenwand 16 und eine insoweit geschlossene Innenwand 18 aufweist. Durch den Zwischenraum 20 zwischen diesen beiden Wänden gelangt nun mittels Unterdruck angesaugte Außenluft aus der Grenzschicht hinein und wird durch den Zwischenraum 20 bis zu einem Verdichter 22 geführt. In dem Verdichter 22 wird die angesaugte Grenzschichtluft verdichtet und kann danach als Schubstrahl 24 ausgestoßen werden. Der Verdichter ist Teil eines Strahltriebwerks 26 und weist demzufolge entweder ein mit Brennstoff betriebenes Kerntriebwerk oder aber einen Elektromotor auf.
In der Zeichnung nicht dargestellt ist der Fall, dass in den Zwischenraum 20 zusätzlich auch selbsttätig in den Rumpf anströmende Außenluft gelangt, die dann zusammen mit der Grenzschichtabsaugungsluft dem Verdichter 22 zugeführt wird. Hier muss eventuell für eine Druckangleichung beider Luftströme gesorgt werden, was beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass die Grenzschichtabsaugungsluft zunächst auf einen höheren Druck verdichtet wird, um dann gemeinsam mit dem weiteren Luftstrom dem Verdichter 22 zugeführt zu werden.
Bezugszeichenliste

10: Flugzeug
12: Rumpf
14: Außenhaut
16: Außenwand
18: Innenwand
20: Zwischenraum
22: Verdichter
24: Schubstrahl
26: Strahltriebwerks

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2650781 [0002]
US 6216982 B1 [0002]

Claims

Verfahren zur Nutzung der Grenzschichtabsaugung bei einem Flugkörper, insbesondere bei einem Flugzeug, zur Unterstützung des Vortriebs des Flugkörpers, wobei bei dem Verfahren - den Flugkörper (10) umströmende Luft aus deren dem Flugkörper (10) benachbarten Grenzschicht durch Öffnungen in einer Außenhaut (14) des Flugkörpers (10) angesaugt wird, - die angesaugte Luft zu einem Strahltriebwerk (26) des Flugkörpers (10) geführt wird und - die angesaugte Luft von dem Strahltriebwerk (26) gegebenenfalls zusätzlich zu weiterer von dem Strahltriebwerk (26) angesaugter Außenluft als Schubstrahl (24) ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (14) des Flugkörpers (10) doppelwandig ausgeführt ist und eine Außenwand (16) sowie eine Innenwand (18) aufweist und dass die angesaugte Luft durch den Zwischenraum (20) zwischen der Außenwand (16) und der Innenwand (18) zum Strahltriebwerk (26) strömt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die angesaugte Luft verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich von jeder Öffnung in der Außenhaut (14) aus oder jeweils von einer Gruppe von Öffnungen in der Außenhaut (14) aus ein separater Kanal erstreckt, der in Fluidverbindung mit dem Strahltriebwerk (26) steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahltriebwerk (26) zum Antrieb des Fan bzw. Verdichters ein mit Brennstoff betriebenes Kerntriebwerk oder einen Elektromotor aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubstrahl (24) zur Reduzierung von Impulsverlusten in dem Strömungsnachlauf hinter dem Flugkörper (10) einströmt, und zwar insbesondere über das hintere Ende der von Luft umströmten Außenhaut (14) des Flugkörpers (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (14) ein Rumpf (12), eine Tragfläche, ein Höhen- oder ein Seitenleitwerk des Flugzeugs (10) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahltriebwerk (26) ferner mit einem in der Außenhaut (14) ausgebildeten Lufteinlass in Fluidverbindung steht, wobei die über den Lufteinlass einströmende Außenluft zusammen mit der Luft der Grenzschichtabsaugung zum Strahltriebwerk (26) gelangt.
Flugkörper, insbesondere Flugzeug, mit - einer Außenhaut (14) und - einem Strahltriebwerk (26), - wobei die Außenhaut (14) perforiert ist und Öffnungen für eine Grenzschichtabsaugung aufweist und - wobei die Öffnungen in der Außenhaut (14) durch einen Kanal oder durch mehrere Kanäle in Fluidverbindung mit dem Triebwerkeinlass des Strahltriebwerks (26) stehen.
Flugkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flugkörper (10) ausgebildet ist zur Nutzung der Grenzschichtabsaugung als Unterstützung des Vortriebs des Flugkörpers (10) gemäß den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8.