-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Flügel-Vorderkantenbauteil, einen Flügel mit einem festen Flügelkörper und einem Flügel-Vorderkantenbauteil sowie ein Flugzeug.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Aerodynamische Komponenten eines Flugzeugs sind so ausgelegt, dass sie mehrere aerodynamische Anforderungen des jeweiligen Flugzeugs erfüllen, was zu einer bestimmten Form führt, die einem Luftstrom ausgesetzt ist. Um das Gewicht des Flugzeugs zu optimieren, werden in der Regel Hohlstrukturen verwendet, die durch eine Innenstruktur versteift werden. Zum Beispiel kann eine Vorderkante eines Strömungskörpers, der in einem Verkehrsflugzeug verwendet wird, eine Haut und Rippen aufweisen, die an einer Innenseite der Haut befestigt sind.
-
Neben den Anforderungen an Aerodynamik und Gewicht ist auch der Vogelschlag ein dimensionierendes Szenario für Vorderkantenbereiche eines Strömungskörpers eines Flugzeugs. Beispielsweise ist bekannt, eine verstärkende Paneelstruktur an dem Vorderkantenbereich vorzusehen, um einem Aufprall weitgehend standzuhalten. Ein Riss der Außenhaut eines Strömungskörpers im Vorderkantenbereich infolge eines Aufpralls sollte vermieden werden. Zum Beispiel zeigt
EP 3 318 481 A1 eine Paneelstruktur für ein Flugzeug mit verbesserter Schlagfestigkeit.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines alternativen Vorderkanten-Bauteils, das verbesserte Aufpralleigenschaften zur Vermeidung oder Verzögerung von Brüchen einer durch eine Innenstruktur versteiften Hautplatte aufweist.
-
Die Aufgabe wird durch ein Vorderkanten-Bauteil für ein Flugzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar.
-
Ein Vorderkanten-Bauteil für ein Flugzeug wird gezeigt, aufweisend mindestens einen Teil eines Strömungskörpers mit einer vorderen Haut und einer Rippe, wobei die vordere Haut einen oberen Abschnitt, einen unteren Abschnitt und eine dazwischen angeordnete Vorderkante aufweist, wobei sich die Rippe von dem unteren Abschnitt zu dem oberen Abschnitt erstreckt, wobei die Rippe einen Flansch aufweist, der die Rippe zumindest teilweise umgibt, wobei der Flansch an einer Innenseite der vorderen Haut befestigt ist, wobei der Flansch eine mit der vorderen Haut gekoppelte Kontaktfläche und mindestens eine direkt angrenzende Randfläche aufweist, und wobei sich die mindestens eine Randfläche von der Kontaktfläche nach innen in den Strömungskörper und weg von der Innenseite der vorderen Haut erstreckt oder einen geschwächten Verbindungsbereich mit der Kontaktfläche umschließt, um sich bei einem Aufprall auf die vordere Haut an oder benachbart zu der mindestens einen Randfläche nach innen in den Strömungskörper zu biegen.
-
Das Vorderkanten-Bauteil kann jede Komponente sein, die an der Vorderkante eines Flugzeugs angeordnet werden kann. Zum Beispiel kann es sich um ein festes Vorderkanten-Bauteil als Teil eines Flügels, eines Höhenleitwerks oder eines Seitenleitwerks handeln. Es kann aber auch ein bewegliches Bauteil sein, wie z.B. ein Vorflügel oder ähnliches, das so konstruiert ist, dass es sich relativ zu einem festen Teil des Flugzeugs bewegen kann.
-
Im Zusammenhang mit der Erfindung kann der Strömungskörper als ein aerodynamischer Körper betrachtet werden, der eine Vorderkante besitzt, die einer Luftströmung ausgesetzt werden kann und der entsprechend der Erfindung konstruiert ist. Daher kann das Vorderkanten-Bauteil einen Teil des Strömungskörpers umfassen, wie z.B. einen Teil einer festen Vorderkante eines Flügels, oder es kann den gesamten Strömungskörper umfassen, wie z.B. eine bewegliche Oberfläche, die einer Luftströmung ausgesetzt ist.
-
Die vordere Haut kann auf einem flächenartigen Bauteil basieren, das eine signifikante Krümmung um eine Spannweitenachse aufweist, um einen aerodynamisch vorteilhaften Vorderkantenbereich zu bilden. Beispielsweise ist die vordere Haut um deutlich mehr als 45° gekrümmt, zum Beispiel um mindestens 90°. Im Verlauf dieser Krümmung trennt eine Vorderkante einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt. Die Vorderkante ist eine Linie, die in einem bestimmten Flugzustand, wie z.B. im Reiseflug, nahe an einem Staupunkt liegen kann.
-
Eine Rippe ist ein Versteifungsbauteil, das in der Regel parallel zu einer Profilsehnen-Achse des Vorderkanten-Bauteils angeordnet ist, die parallel zur x-Achse, d.h. zur Längsachse des Flugzeugs, oder senkrecht zum Pfeilungswinkel des Strömungskörpers verlaufen kann. Objekte, die die Vorderkante eines Flugzeugs treffen, können eine Verformung des Materials an der Vorderkante verursachen. Durch eine Rippe mit der erfindungsgemäßen Gestaltung ist die vordere Haut in der Lage, eine geführte, große und harmonische Verformung zu bewirken. Dadurch können Brüche in der vorderen Haut direkt neben den Flanschen der Rippe oder Brüche durch eine Reihe von Verbindungslöchern für Nieten zwischen der vorderen Haut und den Flanschen weitgehend vermieden oder zumindest deutlich verzögert werden.
-
Die Kontaktfläche des Flansches kann ein Abschnitt einer Randfläche des Flansches sein. Die mindestens eine Randfläche schließt sich direkt an die Kontaktfläche an und erstreckt sich von dieser in einer seitlichen Richtung. Dabei kann sie sich auch von der Innenseite der vorderen Haut an sich oder bei einem Aufprall auf die vordere Haut weg erstrecken. Ein Übergang zwischen der Kontaktfläche und der mindestens einen Randfläche kann eine deutliche Kante oder einen Knick aufweisen oder abgerundet sein. Die mindestens eine Randfläche kann jedoch auch eine Krümmung in seitlicher Richtung aufweisen. Sie kann jedoch auch eine flache Außenfläche, z. B. in Form eines Streifens, aufweisen, die entlang der jeweiligen seitlichen Begrenzung der Kontaktfläche verläuft. Die mindestens eine Randfläche erstreckt sich von der Kontaktfläche in Form einer abgeschrägten Kante. Durch die Bereitstellung der mindestens einen Randfläche, die leicht von der Innenseite der vorderen Haut absteht, wird eine scharfe Kante als seitliche Begrenzung des Flansches vermieden. Wenn also ein Fremdkörper in der Nähe der Rippe auf die Haut auftrifft, kann sich die vordere Haut entlang der mindestens einen Randfläche falten, anstatt an einer Kante des Flansches eine deutliche Scherkraft zu erfahren, die zu einem Bruch entlang des Flansches führen kann.
-
Die Randfläche kann jedoch einfach auf die Kontaktfläche in seitlicher Richtung folgen, während zwischen der Randfläche und der Kontaktfläche ein geschwächter Verbindungsbereich vorgesehen ist. Der Verbindungsbereich kann so gestaltet werden, dass sich die Randfläche bei einem Aufprall nach innen in den jeweiligen Strömungskörper biegt. Er sollte jedoch so konstruiert sein, dass er sich nur biegt, wenn ein ausreichend starker Stoß mit einer vorgegebenen Energie auftritt. Daher kann der Flansch einfacher zu fertigen sein, vermeidet aber auch eine scharfe Kante zwischen der Kontaktfläche und der vorderen Haut, um Brüche zu vermeiden oder zu verzögern.
-
In einer bevorzugten Ausführung ist ein Übergang zwischen der mindestens einen Randfläche und der Kontaktfläche abgerundet. Dadurch wird eine scharfe Kante oder ein Knick verhindert und die vordere Haut wird in diesem Bereich harmonischer verformt.
-
Es ist vorteilhaft, wenn die Randfläche von der Innenseite der vorderen Haut abgewinkelt oder weggebogen ist. So kann sich die vordere Haut von der Kontaktfläche aus geführt verformen und sich auf die mindestens eine Randfläche legen, wobei die Tiefe einer auftretenden Wölbung in die Innenseite kontinuierlich zunimmt.
-
Vorteilhafterweise schließen die Randfläche und die Kontaktfläche zumindest bereichsweise lokale Winkel von mindestens 10° und insbesondere von mindestens 20° ein. Damit ist die mindestens eine Randfläche in dem seitlichen Maß begrenzt und bietet eine ausreichende Führungsfunktion für eine sich verformende vordere Haut.
-
Vorzugsweise weist der Flansch zwei Randflächen auf, die im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander sind. Somit bietet jede Seite des jeweiligen Flansches die vorteilhafte Funktion gemäß der Erfindung, einen Bruch der vorderen Haut zu vermeiden oder zumindest zu verzögern. Die Randfläche einer Seite kann jedoch etwas anders gestaltet sein, um einer Zunahme einer profilsehnenweisen Verlängerung der jeweiligen Rippe infolge eines Pfeilungswinkels der Vorderkante des Strömungskörpers oder einer Verjüngung Rechnung zu tragen.
-
Darüber hinaus kann der Flansch eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweisen und ist gebogen oder gekrümmt, um die Kontaktfläche und die mindestens eine Randfläche zu bilden. Daher kann der Flansch eine relativ große Oberfläche bereitstellen, die die Kontaktfläche und die mindestens eine Randfläche umfasst, mit einem möglichst geringen Gewicht. Die mindestens eine Randfläche kann in einem separaten Teil realisiert werden, das mit einem Teil, das eine Kontaktfläche enthält, verbunden wird, oder zumindest der Flansch kann als ein einziges Teil vorgesehen werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführung werden die Randflächen durch Abtragen von Material des Flanschs durch ein Materialabtragverfahren erzeugt. Auf diese Weise kann eine Vielzahl unterschiedlicher Formen des Flansches erreicht werden. Das Materialabtragverfahren kann Schneiden, Fräsen, Laserabtragung oder andere Verfahren umfassen.
-
Darüber hinaus kann eine der Kontaktfläche und der mindestens einen Randfläche gegenüberliegende Unterseite des Flansches flach sein. Bei der mindestens einen Randfläche, die sich von der Innenseite der vorderen Haut weg erstreckt, nimmt folglich die Dicke des Flansches in seitlicher Richtung ab. Der Flansch neigt daher, wenn überhaupt, nur in seitlich äußeren Bereichen zur Verformung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die mindestens eine Randfläche so gestaltet, dass sie eine Scherspannung der vorderen Haut beim Aufprall eines sich bewegenden Objekts auf die vordere Haut reduziert. So kann der Flansch abgerundete Kanten und einen harmonischen Übergang von der Kontaktfläche in eine seitlich nach außen gerichtete Richtung aufweisen. Die gesamte Gestaltung mindestens der der mindestens einen Randfläche kann unter Fokussierung auf das Scherspannungsverhalten durchgeführt werden.
-
Optional ist das Bauteil so konzipiert, dass es ein festes Bauteil ist, das starr an einer Struktur befestigt werden kann. Ein solches Bauteil kann etwa eine feste Vorderkante eines Flügels, eine feste Vorderkante eines Höhenleitwerks oder eine feste Vorderkante eines Seitenleitwerks sein. Es sind jedoch auch viele andere Arten von Bauteilen denkbar.
-
Das Vorderkanten-Bauteil kann jedoch auch so konstruiert sein, dass es ein bewegliches Bauteil mit einer im Wesentlichen geschlossenen Oberfläche ist. Es kann eine hinter der vorderen Haut angeordnete hintere Haut aufweisen. Das bewegliche Bauteil kann z.B. eine Vorderkantenklappe eines Flügels und damit Teil eines Hochauftriebssystems sein. Das Bauteil kann in Form einer Klappnase, eines Vorflügels oder jedes anderen denkbaren Elements ausgeführt sein.
-
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Flügel für ein Flugzeug, das gemäß der obigen Beschreibung ein Vorderkanten-Bauteil aufweist.
-
In einer vorteilhaften Ausführung weist der Flügel ferner eine feste Vorderkante auf, wobei das Vorderkanten-Bauteil zwischen einer eingefahrenen Position direkt vor der festen Vorderkante und mindestens einer ausgefahrenen Position in einem weiteren Abstand zur festen Vorderkante bewegbar ist. Wie vorangehend erläutert, kann das Vorderkanten-Bauteil eine Vorderkantenklappe sein, die relativ zu einer festen Vorderkante des Flügels beweglich ist. Es kann eine „Droop Nose“ oder ein Vorflügel der Vorderkante sein, der in der Lage ist, eine Translations- und Rotationsbewegung auszuführen.
-
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Flugzeug mit mindestens einem Flügel gemäß der vorangehenden Beschreibung oder mit mindestens einem Vorderkanten-Bauteil gemäß der vorangehenden Beschreibung. Bei dem Flugzeug kann es sich vorzugsweise um ein Verkehrsflugzeug, ein Transportflugzeug oder ein Militärflugzeug handeln. Es kann mindestens ein Turbofan- oder Turboprop-Triebwerk aufweisen, was zu einer signifikanten Reisegeschwindigkeit und damit zu höheren zu erwartenden Aufprallgeschwindigkeiten von Fremdkörpern führt.
-
Figurenliste
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebigen Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder ihren Rückbezügen zu anderen Ansprüchen. Darüber hinaus werden identische oder ähnliche Gegenstände durch die gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Vorderkanten-Bauteils für ein Flugzeug in einer Schnittdarstellung.
- 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Vorderkanten-Bauteils für ein Flugzeug in einer Schnittansicht.
- 3 und 4 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiels eines Vorderkanten-Bauteils mit faltbarem Anschlussbereich.
- 5 zeigt ein Flugzeug mit mindestens einem solchen Vorderkanten-Bauteil.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 zeigt einen Ausschnitt eines Vorderkanten-Bauteils 2 für ein Flugzeug. Dabei weist das Vorderkanten-Bauteil 2 zumindest teilweise einen Strömungskörpers 4 mit einer vorderen Haut 6 und einer Rippe 8 auf. Die vordere Haut 6 weist einen oberen Abschnitt 10, einen unteren Abschnitt 12 und eine dazwischen angeordnete Vorderkante 14 auf. Wie ersichtlich, hat die vordere Haut 6 eine signifikante Krümmung und wird durch die Rippe 8 versteift, die sich vom unteren Abschnitt 12 zum oberen Abschnitt 10 und zur Vorderkante 14 hin erstreckt.
-
Die Rippe 8 weist einen Flansch 16 auf, der die Rippe 8 zumindest teilweise umgibt. Sie ist an einer Innenseite 18 der vorderen Haut 6 befestigt und weist eine Kontaktfläche 20 auf, die direkt mit der vorderen Haut 6 gekoppelt ist. Der Flansch 16 kann durch Verbindungsmittel 22, wie Nieten oder Bolzen, mit der vorderen Haut 6 verbunden sein. In diesem Beispiel liegen zwei Randflächen 24 direkt an beiden Seiten der Kontaktfläche 20 bzw. der Rippe 8 an. Sie erstrecken sich von der Kontaktfläche 20 in seitlicher Richtung weg und erstrecken sich auch von der Innenseite 18 der Fronthaut 6 weg.
-
Diese Konstruktion führt zu einer geführten Deformation der vorderen Haut 6 beim Aufprall eines Fremdkörpers. In 1 ist eine Deformation 26 dargestellt, die durch den Aufprall entsteht. Die vordere Haut 6 wird so deformiert, dass sie auf der Randfläche 24 in der Zeichenebene rechts aufliegt. Daher gibt es keine scharfe Kante zwischen der vorderen Haut 6 und dem Flansch 16, die hohe Scherspannungen verursacht, die zu einem Bruch der vorderen Haut 6 führen können. Stattdessen hat die Verformung 26 eine harmonischere Form und erfährt eine geringere Scherspannung.
-
Ein Bereich aus einem Übergang 28 zwischen der Kontaktfläche 20 und den Randflächen 24 sowie die Randflächen 24 führen zu einer Entspannung der vorderen Haut 6 und einer geführten Deformation 26 in die Innenseite 30 des Strömungskörpers 4. Dadurch wird die Absorption der Aufprallenergie verbessert und Brüche können weitgehend vermieden oder zumindest verzögert werden.
-
In diesem Beispiel weist der Flansch 16 eine im Wesentlichen konstante Dicke d auf und die Randflächen 24 erscheinen daher als geknickte oder gebogene Enden des Flansches 16.
-
In 2 ist ein Vorderkanten-Bauteil 31 mit einem Flansch 32 dargestellt, der ebenfalls eine Kontaktfläche 20, zwei Randflächen 24, zwei Verbindungsmittel 22 und eine flache Unterseite 34 gegenüber der Kontaktfläche und den Randflächen 24 aufweist. Der Flansch 32 kann durch ein Materialabtragverfahren, wie z.B. Fräsen oder Schneiden, hergestellt werden. Ausgehend von einem etwas voluminöseren Querschnittsprofil werden die Randflächen 24 durch Wegschneiden der Ecken 36 erzeugt. Das Verformungsverhalten der vorderen Haut 6 ist jedoch im Wesentlichen dasselbe wie beim Flansch 16 in 1.
-
3 und 4 zeigen eine weitere beispielhafte Ausführungsform in Form eines Vorderkanten-Bauteils 37. Hier ist ein Flansch 38 vorgesehen, der eine Kontaktfläche 20, zwei Verbindungsmittel 22 und eine Randfläche 40 aufweist, die mit der Kontaktfläche 20 einen geschwächten Verbindungsbereich 42 umschließt. Beim Aufprall eines Fremdkörpers auf die vordere Haut 6 kann sich daher die Randfläche 40 gegenüber der Kontaktfläche 20 verformen, d.h. falten. Bei einer bündigen Ausrichtung der Randfläche 40 und der Kontaktfläche 20 kann eine ähnliche Anordnung der Randfläche 40 und der Kontaktfläche 20 wie in 1 erreicht werden. Durch den Faltvorgang wird bereits ein Teil der Aufprallenergie absorbiert und auch die Deformation 26 deutlich in die Innenseite 30 des Strömungskörpers 4 geleitet.
-
5 zeigt ein Flugzeug 44 mit Flügeln 46, einem Höhenleitwerk 48, einem Seitenleitwerk 50 und Triebwerken 52. Jedes dieser Elemente kann entsprechend den vorstehenden Abbildungen eine Vorderkanten-Bauteil 2, 31 oder 37 aufweisen.
-
Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt und „ein“ oder „eine“ eine Mehrzahl nicht ausschließt. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass Merkmale oder Schritte, die unter Bezugnahme auf eines der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen zu interpretieren.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Vorderkanten-Bauteil
- 4
- Strömungskörper
- 6
- vordere Haut
- 8
- Rippe
- 10
- oberer Abschnitt
- 12
- Unterer Abschnitt
- 14
- Vorderkante
- 16
- Flansch
- 18
- Innenseite
- 20
- Kontaktfläche
- 22
- Verbindungsmittel
- 24
- Randfläche
- 26
- Verformung
- 28
- Übergang
- 30
- Innenseite
- 31
- Vorderkanten-Bauteil
- 32
- Flansch
- 34
- Unterseite
- 36
- Ecke
- 37
- Vorderkanten-Bauteil
- 38
- Flansch
- 40
- Randfläche
- 42
- Verbindungsbereich
- 44
- Flugzeuge
- 46
- Flügel
- 48
- Höhenleitwerk
- 50
- Seitenleitwerk
- 52
- Triebwerk
- d
- Dicke des Flansches
-
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
-
