DE102020116350A1

DE102020116350A1 - Transsonischer Flügel mit einem zur Ausbildung eines Shock Control Bump verformbaren Spoiler

Info

Publication number: DE102020116350A1
Application number: DE102020116350.9A
Authority: DE
Inventors: Sven Christian Künnecke; Srinivas Vasista; Johannes RIEMENSCHNEIDER
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-12-23

Abstract

Ein transsonischer Flügel (2) weist einen im Querschnitt formstabilen Flügelhauptkörper (3), einen zu einer Flügelhinterkante (1) hin an den Flügelhauptkörper (3) anschließenden, elastisch verformbaren Spoiler (4), eine im Bereich der Flügelhinterkante (1) verschwenkbar gelagerte Klappe (8), und einen Spoileraktuator (6), mit dem der Spoiler (4) aus Reiseflugstellungen, in denen der Spoiler (4) an der Klappe (8) anliegt, in eine Bremsstellung aufrichtbar ist. Der Spoiler (4) ist weiterhin zwischen einer ersten Reiseflugstellung ohne Shock Control Bump (9, 27) und einer zweiten Reiseflugstellung mit einem von dem Spoiler (4) ausgebildeten Shock Control Bump (9, 27) überführbar. Um dies zu erreichen, ist ein Ausbeulaktuator (10) des Flügels (2) dazu ausgebildet und angeordnet, den Spoiler (4) zwischen einem hauptkörperseitigen ersten Bereich (25) und einem klappenseitigen zweiten Bereich (26) derart zusammenzudrücken, dass die Außenhaut (11) des Spoilers (4) zwischen dem hauptkörperseitigen ersten Bereich (25) und dem klappenseitigen zweiten Bereich (26) unter Ausbildung des Shock Control Bump (9, 27) an einem Beulenwunschort (14, 28) ausbeult.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen transsonischen Flügel mit einem im Querschnitt formstabilen Flügelhauptkörper, einem zu einer Flügelhinterkante hin an den Flügelhauptkörper anschließenden, elastisch verformbaren Spoiler, einer im Bereich der Flügelhinterkante verschwenkbar gelagerten Klappe und einem Spoileraktuator, mit dem der Spoiler aus Reiseflugstellungen, in denen der Spoiler an der Klappe anliegt, in eine Bremsstellung aufrichtbar ist.
Transsonische Flügel sind insbesondere für Flugzeuge mit Geschwindigkeiten im hohen Unterschallbereich vorgesehen. Bei solchen Geschwindigkeiten im hohen Unterschallbereich bilden sich Überschallströmungsgebiete über den Flügeln aus, die zur Flügelhinterkante hin mit einem Verdichtungsstoß abschließen. Dieser Verdichtungsstoß trägt zum Wellenwiderstand des Flügels und damit zum Gesamtströmungswiderstand des Flugzeugs erheblich bei.
Um die Widerstandserhöhung durch einen Verdichtungsstoß abzumindern ist es bekannt, dort, wo der Verdichtungsstoß auf die Flügeloberfläche aufläuft, eine Kontourbeule vorzusehen, die als Shock Control Bump (SCB) bezeichnet wird. Bei Anströmgeschwindigkeiten deutlich unterhalb der Schallgeschwindigkeit, bei denen sich kein Überschallströmungsgebiet über den jeweiligen Flügel ausbildet, ist ein solches Shock Control Bump (SCB) jedoch seinerseits mit einer unerwünschten Erhöhung des Gesamtströmungswiderstands verbunden. Insoweit ist es erstrebenswert, das SCB nur dann auszubilden, wenn es bei transsonischen Geschwindigkeiten zur Reduktion des Gesamtströmungswiderstands sinnvoll ist.
Aus diesem Grund ist der Spoiler eines transsonischen Flügels, wie er Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zwischen einer ersten Reiseflugstellung ohne Shock Control Bump (SCB) und einer zweiten Reiseflugstellung mit einem von einer Außenhaut des Spoilers ausgebildeten Shock Control Bump (SCB) überführbar.
STAND DER TECHNIK
Aus T. Bein et al: An adaptive spoiler to control the transonic shock, Smart Mater. Struct. 9 (2000) 141-148, ist ein Spoiler für einen transsonischen Flügel bekannt, dessen flexible Außenhaut gegenüber einer lasttragenden Spoilerstruktur mit mehreren dazwischen hintereinander angeordneten Aktuatoren verformbar ist. Die Aktuatoren umfassen jeweils ein B-förmiges elastisches Element, das bei Beaufschlagung mit einem Innendruck oder bei Erwärmung über eine Übergangstemperatur einer das Element teilweise ausbildenden Formgedächtnislegierung einen an der flexiblen Außenhaut des Spoilers angreifenden Stringer ausrückt. Je nachdem, welcher der Aktuatoren auf diese Weise betätigt wird, wird ein Shock Control Bump (SCB) an unterschiedlicher Stelle der flexiblen Außenhaut des Spoilers ausgebildet. Der Aufbau des bekannten Spoilers ist insgesamt sehr aufwändig.
Aus L. F. Campanile et al: The „Fish-mouth" Actuator: Design Issues and Test Results, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 15 - September/October 2004, 711-719, ist ein transsonischer Flügel mit vor seiner Flügelhinterkante unterhalb einer flexiblen Außenhaut hintereinander angeordneten sogenannten Fischmaul-Aktuatoren bekannt. Jeder der Fischmaul-Aktuatoren kann betätigt werden, um den an ihm anliegenden Bereich der Außenhaut anzuheben. Die Fischmaul-Aktuatoren weisen jeweils eine im Querschnitt flach ovale oder fischmaulförmige elastische Struktur auf, zwischen deren maximal beabstandeten Punkten ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung gespannt ist. Wenn dieser Draht über die Übergangstemperatur der Formgedächtnislegierung erwärmt wird, zieht er sich zwischen den Schmalseiten der elastischen Anordnung zusammen und drückt damit ihre Längsseiten auseinander. Auch dieser Aufbau zur bedarfsweisen Bereitstellung eines Shock Control Bump (SCB) ist recht aufwändig.
Aus M. Kintscher et al: Generation of a Shock Control Bump by Pressurized Chambers, ICAST2015: 26th International Conference on Adaptive Structures and Technologies, October 14-16, 2015, Kobe, Japan, ist ein Spoiler für einen transsonischen Flügel mit mehreren hintereinander liegenden Druckkammern bekannt. Durch Beaufschlagung der Druckkammern mit einem Innendruck bildet sich über ihnen ein Shock Control Bump (SCB) aus, dessen Höhe und Lage durch die Druckverteilung in den Druckkammern steuerbar ist. Allerdings ist auch dieser Spoiler für einen transsonischen Flügel durch die integrierten Druckkammern und die Einrichtungen zu ihrer Druckbeaufschlagung aufwändig.
Aus L. Hao et al: Numerical analysis on shape memory alloy-based adaptive shock control bump, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2018, Vol. 29(15), 3055-3066, ist es zur vorübergehenden Ausbildung eines Shock Control Bump (SCB) an einer Flügeloberfläche bekannt, dort eine Platte aus einer Formgedächtnislegierung vorzusehen, die beim Erwärmen bis über ihre Übergangstemperatur von einer flachen Form in die Beulenform des Shock Control Bump (SCB) übergeht. Bei der Verwendung von Formgedächtnislegierungen zur vorübergehenden Ausbildung eines SCB kann weder die Höhe noch die Lage des SCB variiert werden. Außerdem kann es je nach der Umgebungstemperatur aufwändig sein, die an der Flügeloberfläche angeordnete Platte aus der Formgedächtnislegierung bis über deren Übergangstemperatur zu erwärmen und bei dieser erhöhten Temperatur zu halten.
Aus J. Kirn et al: Non-discrete spoiler with an adaptive shock control bump, ICAST2016: 27nd International Conference on Adaptive Structures and Technologies, October 3-5, 2016, Lake George, New York, USA, ist ein Flügel mit einem elastisch verformbaren Spoiler und den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Dabei weist der elastisch verformbare Spoiler das Shock Control Bump (SCB) in seinem lastfreien Zustand auf. Durch Verkürzen eines Linearaktuators, der auch als Spoileraktuator dient, wird das SCB aus dem Spoiler herausgeformt, indem der Spoiler zwischen einem an einen Flügelhauptkörper angebundenen ersten Bereich und einem an einer hinteren Klappe des Flügels abgestützten zweiten Bereich nach unten durchgebogen wird, bis er gerade ist. Wenn der Linearaktuator freigegeben wird, formt sich der Spoiler zurück und bildet so das SCB wieder aus. Durch Verlängern des Linearaktuators wird der Spoiler in seine Bremsstellung aufgerichtet. Der Spoiler dieses bekannten transsonischen Flügels ist zwar von einfachem Aufbau. Die Lage des SCB ist aber gar nicht und die Höhe des SCB ist nur in kleinen Grenzen und unter starker Änderung der Anlagekraft des Spoilers an der Klappe veränderbar.
Eine Weiterbildung des transsonischen Flügels von L. Kirn et al. ist aus M. Kintscher et al: Structural Concept of an Adaptive Shock Control Bump Spoiler, SAE Technical Paper 2017-01-2164 bekannt. Hier ist an der Innenseite des Spoilers, auf der Klappenseite eines Angriffspunkts des Spoileraktuators an dem Spoiler ein weiterer Linearaktuator als Beulenbiegeaktuator vorgesehen. Der Beulenbiegeaktuator greift mit Abstand zu einer flexiblen Außenhaut des Spoilers an zwei Hebeln an, die starr an zwei parallel zueinander verlaufende Verstärkungen der Flügelaußenhaut angesetzt sind. Wenn der Beulenbiegeaktuator eingefahren wird, zieht er die freien Enden der beiden Hebel zusammen, dabei biegt der Beulenbiegeaktuator die Außenhaut zwischen den beiden Verstärkungen um. So wird ein Shock Control Bump an einer anderen Stelle als das SCB ausgebildet, das im lastfreien Zustand des Spoilers vorhanden ist und durch Verkürzen des Spoileraktuators beseitigt wird. Bei diesem bekannten transsonischen Flügel kann daher an zwei verschiedenen Stellen zwischen dem Flügelhauptkörper und der Klappe ein Shock Control Bump (SCB) ausgebildet werden. Der Spoileraktuator muss aber zusätzlich auch den Ausbeulaktuator beim Aufrichten des Spoilers verschwenken, und es sind in jedem Fall zwei separate Aktuatoren erforderlich.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen transsonischen Flügel aufzuzeigen, bei dem zumindest die Höhe eines Shock Control Bump (SCB) an einem Beulenwunschort mit geringem Aufwand einstellbar ist.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen transsonischen Flügel mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 1 bis 13 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Flügels. Der Patentanspruch 14 ist auf ein Flugzeug mit einem Paar erfindungsgemäßer Flügel gerichtet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein transsonischer Flügel weist einen im Querschnitt formstabilen Flügelhauptkörper auf. An den Flügelhauptkörper schließt zu einer Flügelhinterkante hin ein elastisch verformbarer Spoiler an. Im Bereich der Flügelhinterkante ist eine Klappe gegenüber dem Flügelhauptkörper verschwenkbar gelagert. Mit einem Spoileraktuator ist der Spoiler aus Reiseflugstellungen, in denen der Spoiler an der Klappe anliegt, in eine Bremsstellung aufrichtbar. Zudem ist der Spoiler zwischen einer ersten Reiseflugstellung ohne Shock Control Bump (SCB) und einer zweiten Reiseflugstellung mit einem von einer Außenhaut des Spoilers ausgebildeten Shock Control Bump (SCB) überführbar. Um diese Überführbarkeit zu realisieren, ist ein Ausbeulaktuator des Flügels dazu ausgebildet und angeordnet, den Spoiler zwischen einem hauptkörperseitigen ersten Bereich und einem klappenseitigen zweiten Bereich, d. h. in Längsrichtung des Spoilers, derart zusammenzudrücken, dass die Außenhaut des Spoilers zwischen dem hauptkörperseitigen ersten Bereich und dem klappenseitigen zweiten Bereich unter Ausbildung des Shock Control Bump ausbeult, und zwar an einem zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich gelegenen Beulenwunschort. Anders gesagt wird mit dem Ausbeulaktuator eine Kraft in Längsrichtung auf den Spoiler ausgeübt. Diese Kraft in Längsrichtung des Spoilers resultiert in eine Druckspannung, die wiederum ein Ausbeulen der Außenhaut unter Ausbildung des SCB an dem Beulenwunschort zur Folge hat. Es versteht sich, dass mit dem Ausbeulen der Außenhaut der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich der des Spoilers erheblich verringert wird. Das genaue Maß der Verringerung dieses Abstands bestimmt die Höhe des SCB und ist mittels des Ausbeulaktuators einstellbar. Anders gesagt kann mit dem Ausbeulaktuator die Höhe des SCB je nach Bedarf eingestellt werden.
Der zum Zusammendrücken des Spoilers zwischen den beiden Bereichen eingesetzte Ausbeulaktuator kann der Spoileraktuator des erfindungsgemäßen Flügels sein. Dann ist der hauptkörperseitige erste Bereich der Flügelhauptkörper selbst, oder er grenzt an diesen an, und der klappenseitige zweite Bereich ist durch einen Angriffspunkt des Spoileraktuators an dem Spoiler vorgegeben. Alternativ kann der Ausbeulaktuator ein von dem Spoileraktuator separater Ausbeulaktuator sein. Dann ist jedoch der klappenseitige zweite Bereich des Spoilers, der von einem klappenseitigen Angriffspunkt des Ausbeulaktuators vorgegeben ist, erfindungsgemäß nicht weiter von dem Flügelhauptkörper entfernt als der klappenseitige Angriffspunkt des Spoileraktuators an dem Spoiler. Der hauptkörperseitige erste Bereich wird in diesem Fall von einem hauptkörperseitigen Angriffspunkt des Ausbeulaktuators vorgegeben.
Der Ausbeulaktuator des erfindungsgemäßen Flügels ist typischerweise ein Linearaktuator. Wenn der Ausbeulaktuator ein separater Ausbeulaktuator ist, kann er gelenkig, insbesondere aber auch starr an seinen klappenseitigen Angriffspunkt und seinen hauptkörperseitigen Angriffspunkt an den Spoiler angebunden sein und den Spoiler zwischen den beiden Angriffspunkten zusammendrücken, um die Außenhaut des Spoilers auszubeulen. Der Spoileraktuator des erfindungsgemäßen Flügels ist typischerweise ein an dem Flügelhauptkörper mit Abstand zu der Außenhaut des Spoilers verschwenkbar abgestützter und in auch in seinem Angriffspunkt an dem Spoiler verschwenkbar gelagerter Linearaktuator. Dies gilt auch dann, wenn der Spoileraktuator zugleich der Ausbeulaktuator ist.
Wenn der an dem Flügelhauptkörper mit Abstand zu der Außenhaut des Spoilers schwenkbar abgestützte Linearaktuator, der zugleich Spoileraktuator und Ausbeulaktuator ist, verkürzt wird, resultiert ein den Spoiler absenkendes Moment um die Anbindung des Spoilers an den Flügelhauptkörper. Dieses Moment wird bei dem erfindungsgemäßen Flügel dadurch abgestützt, dass ein klappenseitiges freies Ende des Spoilers in der zweiten Reiseflugstellung, in der das SCB ausgebildet wird, an der Klappe abgestützt ist. Die dort nicht abgestützte Kraft des Linearaktuators ist die gewünschte Kraft, die den Spoiler zwischen dem Hauptkörperseitigen Bereich und dem klappenseitigen Bereich zusammendrückt, um die Außenhaut des Spoilers zu Ausbildung des SCB auszubeulen.
Um die Ausbildung des SCB an den Beulenwunschort zielsicher einzuleiten, kann der Ausbeulaktuator des erfindungsgemäßen Flügels beim Zusammendrücken des Spoilers auf ein Getriebe einwirken, das die von ihm aufgebrachte Kraft anteilig in eine Normalkraft umlenkt, die an dem Beulenwunschort auf die Außenhaut des Spoilers einwirkt. Unter der Normalkraft ist eine Kraft zu verstehen, die zumindest im Wesentlichen normal zu der Außenhaut verläuft. Das Getriebe, das die Kraft des Ausbeulaktuators anteilig in die Normalkraft umlenkt, kann insbesondere ein Hebelgetriebe sein. Dabei kann die Kraftaufteilung zwischen der Kraft in Längsrichtung auf den Spoiler und der Normalkraft auf dessen Außenhaut durch die Steifigkeit eines elastischen Getriebeglieds des Getriebes oder eines elastischen Elements, über das sich das Getriebe an dem Flügelhauptkörper abstützt, vorgegeben werden. Die Kraftaufteilung kann auch mit Verzögerung einsetzen, indem der Ausbeulaktuator erst nach dem Zusammendrücken des Spoilers über einen gewissen ersten Weg und auch erst nach einem ersten Ausbeulen der Außenhaut des Spoilers an einem ersten Beulenwunschort auf das Getriebe einwirkt, zuvor aber noch nicht. So kann ein zweiter Beulenwunschort definiert werden. Weiterhin kann das Getriebe ein verstellbares Getriebeglied aufweisen, dessen Verstellung den Beulenwunschort, an dem die Normalkraft auf die Außenhaut des Spoilers einwirkt, zwischen dem hauptkörperseitigen ersten und dem klappenseitigen zweiten Bereich verschiebt. Auch bei nicht verstellbarem Beulenwunschort kann das Getriebe über einen Gleitkontaktpunkt auf die Außenhaut einwirken, der sich mit dem Fortschreiten des Zusammendrückens des Spoilers mit dem Ausbeulaktuator zwischem dem hauptkörperseitigen ersten Bereich und dem klappenseitigen zweiten Bereich längs der Außenhaut verlagert.
Weiterhin kann der Ausbeulaktuator beim Zusammendrücken des Spoilers zusätzlich auf einen Hebel einwirken, der an einer Innenseite des Spoilers starr an einen dem Beulenwunschort benachbarten Hebelansatzbereich der Außenhaut des Spoilers angesetzt ist. Dieses Einwirken kann mit dem Zusammendrücken des Spoilers einsetzen oder erst vezögert, nachdem der Ausbeulaktuator den Spoiler bereits über einen gewissen Weg zusammengedrückt hat und auch bereits ein erstes Ausbeulen der Außenhaut des Spoilers an einem ersten Beulenwunschort verursacht hat. Der Hebel lenkt die mit dem Ausbeulaktuator aufgebrachte Kraft in jedem Fall anteilig in ein um den Hebelansatzbereich wirkendes Drehmoment auf die Außenhaut um. Auch auf diese Weise wird das Ausbeulen der Außenhaut des Spoilers in Folge der kontrahierenden Kraft des Ausbeulaktuators gezielt an dem Beulenwunschort eingeleitet oder auf einen neuen zweiten Beulenwunschort umgelenkt. Ein gezieltes Einleiten des Ausbeulens an einem Beulenwunschort kann zwar auch allein durch eine Formgebung des Spoilers bzw. seiner Außenhaut, z. B. durch einen bestimmten Dickenverlauf der Außenhaut, erreicht werden. Hiermit ist aber oft eine unerwünschte lokale Schwächung des Spoilers verbunden, die mit den hier geschilderten Maßnahmen an dem erfindungsgemäßen Flügel nicht einhergeht.
Zur Stabilisierung des Spoilers in seiner ersten Reiseflugstellung ohne SCB und auch beim Aufrichten des Spoilers in seine Bremsstellung kann ein Verriegelungsmechanismus vorgesehen sein, der den Spoiler zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich in seiner SCB-freien Reiseflugstellung verriegelt. Dabei kann ein Betätigen des Ausbeulaktuators den Verriegelungsmechanismus automatisch deaktivieren, so dass der Spoiler zur Ausbildung des SCB zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich in der zweiten Reiseflugstellung ausbeulen kann. Konkret kann die Außenhaut des Spoilers an dem Beulenwunschort von dem Verriegelungsmechanismus entgegen der Ausbeulrichtung festgehalten werden, bis der Verriegelungsmechanismus deaktiviert ist.
Weiterhin kann für mindestens einen Bereich der Außenhaut des Spoilers eine Führung vorgesehen sein, an der der Bereich der Außenhaut beim Zusammendrücken des Spoilers mit dem Ausbeulaktuator insbesondere gegenüber dem Flügelhauptkörper geführt ist. Der derart geführte Bereich kann ein beim Ausbilden des SCB ausbeulender Bereich der Außenhaut oder auch ein Bereich der Außenhaut sein, der mit der Führung gezielt an einem Ausbeulen gehindert wird. Die Führung kann zum Beispiel den jeweiligen Bereich der Außenhaut gegenüber dem Flügelhauptkörper führende Schienen oder Lenker aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Flügel ist der Spoiler mit dem Spoileraktuator vorzugsweise nicht nur von der Klappe weg in seine Bremsstellung aufrichtbar sondern auch in eine Hochauftriebsstellung mit freiem Abstand zu der Klappe von der Klappe weg anhebbar. In der Hochauftriebsstellung verbleibt also gezielt ein Spalt zwischen dem Spoiler und der Klappe.
Ein erfindungsgemäßes Flugzeug mit einem Paar von erfindungsgemäßen Flügeln ist für eine transsonische Reisegeschwindigkeit ausgelegt, bei der eine Steuerung die Ausbeulaktuatoren der Flügel betätigt, um die SCBs an den Beulenwunschorten an den Spoilern auszubilden. Typischerweise handelt es sich bei den Flügeln um Tragflügel des jeweiligen Flugzeugs. Grundsätzlich können aber auch andere Flügel von Flugzeugen oder auch von anderen Fahrzeugen und Vorrichtungen wie Windkraftanlagen erfindungsgemäß ausgebildet werden, ggf. sind dann die verschiedenen Reiseflugstellungen verschiedenen Anströmgeschwindigkeiten des jeweiligen Flügels zugeordnet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Aktuator die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Aktuator, zwei Aktuatoren oder mehr Aktuatoren vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 illustriert wesentliche Teile einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flügels, wobei ein Spoiler in einer ersten Reiseflugstellung ohne SCB mit durchgezogenen Linien und in einer zweiten Reiseflugstellung mit SCB mit punktierten Linien dargestellt ist.
2 zeigt wesentliche Teile einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels mit dem Spoiler in der ersten Reiseflugstellung.
3 zeigt die Teile des erfindungsgemäßen Flügels gemäß 2 mit dem Spoiler in der zweiten Reiseflugstellung.
4 zeigt wesentliche Teile einer gegenüber den 2 und 3 abgewandelten ersten Variante der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels, wobei der Spoiler erneut in der ersten Reiseflugstellung mit durchgezogenen Linien und in der zweiten Reiseflugstellung mit punktierten Linien dargestellt ist.
5 zeigt die Teile der ersten Variante der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels gemäß 4, wobei der Spoiler erneut mit durchgezogenen Linien in der ersten Reiseflugstellung und mit punktierten Linien in einer weiteren zweiten Reiseflugstellung des Spoilers mit im Vergleich zu der zweiten Reiseflugstellung gemäß 4 näher an dem Flügelhauptkörper liegendem SCB dargestellt ist.
6 zeigt wesentliche Teile einer gegenüber den 2 und 3 abgewandelten zweiten Variante der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels, wobei erneut der Spoiler in der ersten Reiseflugstellung mit durchgezogenen Linien und in der zweiten Reiseflugstellung mit punktierten Linien dargestellt ist.
7 zeigt wesentliche Teile einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels, wobei wieder der Spoiler mit durchgezogenen Linien in seiner ersten Reiseflugstellung ohne SCB und mit punktierten Linien in seiner zweiten Reiseflugstellung mit SCB dargestellt ist.
8 zeigt wesentliche Teile einer gegenüber 7 abgewandelten Variante der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels, wobei erneut der Spoiler in der ersten Reiseflugstellung mit durchgezogenen Linien und in der zweiten Reiseflugstellung mit punktierten Linien dargestellt ist.
9 zeigt wesentliche Teile einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels, wobei auch hier die erste Reiseflugstellung des Spoilers mit durchgezogenen Linien und die zweite Reiseflugstellung des Spoilers mit punktierten Linien dargestellt ist.
10 zeigt die Teile des erfindungsgemäßen Flügels gemäß 9, wobei hier mit durchgezogenen Linien erneut die erste Reiseflugstellung des Spoilers, mit punktierten Linien aber eine Bremsstellung des Spoilers dargestellt ist.
11 zeigt wesentliche Teile einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels, wobei wieder mit durchgezogenen Linien die erste Reiseflugstellung des Spoilers ohne SCB und mit punktierten Linien die zweite Reiseflugstellung des Spoilers mit SCB dargestellt ist; und
12 zeigt die Teile des erfindungsgemäßen Flügels gemäß 11, wobei mit durchgezogenen Linien erneut die erste Reiseflugstellung des Spoilers ohne SCB, mit punktierten Linien aber eine weitere zweite Reiseflugstellung des Spoilers mit im Vergleich zu der zweiten Reiseflugstellung gemäß 11 näher an dem Flügelhauptkörper liegendem und höherem SCB dargestellt ist.

FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt die an eine Flügelhinterkante 1 angrenzenden Teile eines erfindungsgemäßen transsonischen Flügels 2, beispielsweise eines transsonischen Tragflügels eines Flugzeugs. Der Flügel 2 weist einen im Querschnitt formstabilen Flügelhauptkörper 3 auf. An dem Flügelhauptkörper 3 schließt zu einer an der Flügelhinterkante 1 schwenkbar gelagerten Klappe 8 hin ein Spoiler 4 an. Eine Flügeloberfläche 5 läuft unterbrechungsfrei über den Flügelhauptkörper 3 und den Spoiler 4 durch. Der Spoiler 4 ist elastisch verformbar. Hierdurch wird eine Beweglichkeit des Spoilers 4 gegenüber dem Flügelhauptkörper 3 erreicht. So ist der Spoiler 4 mit Hilfe eines Spoileraktuators 6 gegenüber dem Flügelhauptkörper 3 in eine Bremsstellung aufrichtbar. Der Spoileraktuators 6 ist ein verschwenkbar an dem Flügelhauptkörper 3 abgestützter und in einem Angriffspunkt 12 an dem Spoiler 4 angreifender Linearaktuator 7. 1 zeigt aber keinen Spoiler 4, der aus seiner mit durchgezogenen Linien dargestellten ersten Reiseflugstellung, in der er mit seinem freien Ende an der Klappe 8 anliegt, in seine Bremsstellung aufgerichtet ist. Vielmehr ist mit gestrichelten Linien eine zweite Reiseflugstellung des Spoilers 4 dargestellt, in der der Spoiler 4 ein Shock Control Bump 9 zur Abminderung des Wellenwiderstands eines Verdichtungsstoßes ausbildet. Ein solcher Verdichtungsstoß schließt ein bei transsonischen Geschwindigkeiten über dem Flügel 2 auftretendes, begrenztes Überschallströmungsgebiet nach hinten ab. Der Wellenwiderstand des Verdichtungsstoßes wird durch das Shock Control Bump 9 abgemindert, wenn das Shock Control Bump 9 mit ausreichender Höhe im Bereich des Auftreffens des Verdichtungsstoßes auf die Flügeloberfläche 5 ausbildet wird. Für diese Ausbildung des SCB 9 drückt der Linearaktuator 7, der hier auch als Ausbeulaktuator 10 dient, den Spoiler 4 zwischen einem hauptkörperseitigen ersten Bereich 25, hier dem Flügelhauptkörper 3 selbst, und einem klappenseitigen zweiten Bereich 26, hier dem Angriffspunkt 12, zusammen. Dadurch wird eine Außenhaut 11 des Spoilers 4 zwischen den Bereichen 25, 26 mit einer in Längsrichtung des Spoilers 4 verlaufenden Kraft auf Druck beaufschlagt, was zum Ausbeulen der Außenhaut 5 in Form des SCB 9 führt. Ein in Folge des Zusammenziehens des Linearaktuators 7 um den Anbindungsbereich des Spoilers 4 an den Flügelhauptkörper 3 wirkendes Drehmoment auf den Spoiler 4 wird dabei an der Klappe 8 abgestützt. Die Höhe des SCB 9 ist durch das Maß des Zusammenziehens des Ausbeulaktuators 10 einstellbar. Der Ort des SCB 9 kann durch eine Verteilung der Steifigkeit der Außenhaut 11 zwischen dem Angriffspunkt 12 und dem Flügelhauptkörper 3 als Beulenwunschort 14 festgelegt werden.
2 und 3 zeigen, wie der Beulenwunschort 14 mit Hilfe eines Getriebes 13 vorgegeben werden kann, indem das Getriebe 13 einen Teil der Kraft des Ausbeulaktuators 10 in eine Normalkraft senkrecht zum Verlauf der Außenhaut 11 umlenkt. Das Getriebe 13 ist hier ein Hebelgetriebe und weist einen Kniehebel 15 auf, dessen eines äußeres Ende an den Ausbeulaktuator 10 angelenkt ist und dessen anderes äußeres Ende über ein elastisches Element 16 an dem Flügelhauptkörper 3 abgestützt ist. Beim Zusammenziehen des Linearaktuators 7 zwischen seiner Stellung gemäß 2 und seiner Stellung gemäß 3 leitet das Getriebe 13 in kontrollierter Weise die Ausbildung des SCB 9 an dem Beulenwunschort 14 ein. Anders als dargestellt kann der Ort, an dem das Getriebe an der Innenseite des Spoilers 4 eine Normalkraft an dem Beulenwunschort 14 auf die Außenhaut 11 ausübt mit dem Zusammenziehen des Ausbeulaktuators 10 über die Außenhaut 11 wandern und entsprechend ein Gleitkontakt zwischen dem Kniehebel 15 und der Außenhaut 11 ausgebildet sein.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels 2 gemäß den 4 und 5, die eine Variante der Ausführungsform gemäß den 2 und 3 ist, wirkt der Ausbeulaktuator 10 zu Beginn des Zusammendrückens des Spoilers 4 noch nicht auf das Getriebe 13 ein, sondern ein Mitnehmer 30 des Ausbeulaktuators 10 muss sich erst über einen Weg 31 bewegen, bevor dieses Einwirken einsetzt. Dabei beult die Außenhaut 4 gemäß 4 zunächst ohne Unterstützung durch das Getriebe 13 an dem Beulenwunschort 14 zu dem SCB 9 aus. Wenn dann das Getriebe 13 nach dem Überwinden des Wegs 31 von dem Mitnehmer 30 aktiviert wird, bildet sich unter Einwirkung des Getriebes 13 an einem weiter vorne liegenden Beulenwunschort 28 ein SCB 27 aus, dessen Höhe durch weiteres Zusammendrücken des Spoilers 4 mit dem Ausbeulaktuator 10 weiter anwächst.
Die Ausführungsform des Flügels 2 gemäß 6 ist ebenfalls eine Variante der Ausführungsform gemäß den 2 und 3. Hier sind statt des das Getriebe 13 an dem Flügelhauptkörper elastisch abstützenden elastischen Elements 16 zwei Getriebeglieder 29, das sind die gelenkig miteinander verbundenen Hebel des Kniehebels 15, elastisch, das heißt im konkreten Fall biegsam ausgebildet, um den Anteil der Kraft des Ausbeulaktuators 10 beim Zusammendrücken des Spoilers 4 zu definieren, der über das Getriebe 13 als Normalkraft von der Innenseite des Spoilers 4 auf die Außenhaut 4 ausgeübt wird, um deren Ausbeulen an dem Beulenwunschort 14 zu unterstützen.
Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flügels 2 gemäß 7 ist neben dem Spoileraktuator 6 ein separater, ebenfalls als Linearaktuator 7 ausgebildeter Ausbeulaktuator 10 vorgesehen, der in einem hauptkörperseitigen Angriffspunkt 17 in dem ersten Bereich 25 und einem klappenseitigen Angriffspunkt 18 in dem zweiten Bereich 26 an der Außenhaut 11 des Spoilers 4 angreift. Dabei ist der klappenseitige Angriffspunkt 18 des Ausbeulaktuators 10 näher an dem Flügelgrundkörper 3 als der Angriffspunkt 12 des Spoileraktuators 6 an dem Spoiler 4. Wenn der Spoiler mit dem Ausbeulaktuator 10 zwischen den hier durch die Angriffspunkte 17 und 18 definierten Bereichen der Außenhaut 11 zusammengedrückt wird, beult die Außenhaut 11 unter Ausbildung des SCB aus. Dabei nähert sich neben dem Angriffspunkt 18 des Ausbeulaktuators auch der Angriffspunkt 12 des Spoileraktuators 6 an den Flügelgrundkörper 3 an. Anders gesagt muss zum Überführen des Spoilers 4 zwischen seiner ersten Reiseflugstellung ohne SCB und seiner zweiten Reiseflugstellung mit SCB 9 nicht nur der Ausbeulaktuator 10 sondern auch der Spoileraktuator 6 auf ein Zusammenziehen angesteuert werden. Dabei kann das Zusammenziehen des Spoileraktuators 6 den Ausbeulaktuator 10 unterstützen, so dass dieser kleiner dimensioniert werden kann.
8 zeigt eine Variante des Flügels 2 gemäß 7 mit anderer Anordnung des Ausbeulaktuators 10 zwischen seinen Angriffspunkten 17 und 18 an der Außenhaut 11 des Spoilers 4. Die grundsätzliche Funktion ist aber dieselbe wie in 7.
Bei dem in den 9 und 10 dargestellten Flügel 2 ist der Linearaktuator 7 wieder sowohl als Spoileraktuator 6 als auch als Ausbeulaktuator 10 vorgesehen. In seiner Funktion als Ausbeulaktuator 10 wird der Linearaktuator 7 gemäß 9 auf ein Zusammenziehen angesteuert, wobei die Außenhaut 11 unter Ausbildung des SCB 9 ausbeult. Zur Betätigung als Spoileraktuator 6 wird der Linearaktuator 7 auf ein Auseinanderfahren angesteuert. Das Auseinanderfahren des Spoileraktuators 6 überführt den Spoiler 4 in seine Bremsstellung gemäß 10. Dabei ist zwischen der Außenhaut 11 des Spoilers 4 und einer Aktuatorstange 19 des Linearaktuators 7 ein Verriegelungsmechanismus 20 mit zwei Riegelelementen 21 und 22 ausgebildet. Der Verriegelungsmechanismus 20 ist hier so ausgebildet, dass er beim Überführen des Spoilers 4 in seine aufgerichtete Bremsstellung wirksam wird, die in 10 mit punktierten Linien dargestellt ist. Hingegen ist der Verriegelungsmechanismus 20 bereits in der ersten Reiseflugstellung des Spoilers 4, die in beiden 9 und 10 mit durchgezogenen Linien dargestellt ist, entriegelt. Insbesondere lässt er das Ausformen des SCB 9 unter Ausbeulen der Außenhaut 11 zu, wie es mit punktierten Linien in 9 dargestellt ist. Der Verriegelungsmechanismus 20 könnte aber auch dazu ausgebildet sein, zwischen der ersten und der zweiten Reiseflugstellung des Spoilers 4 zu entriegeln.
Demgegenüber ist ein in den 11 und 12 dargestellter Verriegelungsmechanismus 20 so ausgebildet, dass er in seiner ersten Reiseflugstellung unverriegelt ist und dass er zwar bei einem anfänglichen Zusammenziehen des Ausbeulaktuators 10, wie es mit punktierten Linien in 11 wiedergegeben ist, noch nicht verriegelt, aber dann bei einem stärkeren Zusammenziehen des Ausbeulaktuators 10 verriegelt, wie es mit punktierten Linien in 12 wiedergegeben ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Außenhaut 11 des Spoilers 4, dort, wo sie zunächst gemäß 11 zur Ausbildung des flachen SCB 9 gemäß 11 ausbeulte, nicht weiter ausbeulen kann. Entsprechend beult sie bei dem stärkeren Zusammenziehen des Ausbeulaktuators 10 gemäß 12 zu einem höheren SCB 27 an einem näher an dem Flügelgrundkörper 3 liegenden Beulenwunschort 28 stärker aus. Dabei dient das Riegelelement 21 als Hebel 23, an dem der Ausbeulaktuator 10 mittels des Riegelelements 22 angreift und so ein um einen Hebelansatzbereich 24 wirksames Drehmoment auf die Außenhaut 11 ausübt, wobei der Hebelansatzbereich 24 dem Beulenwunschort 28 des SCB 27 klappenseitig benachbart ist.
Bezugszeichenliste

1: Flügelhinterkante
2: Flügel
3: Flügelhauptkörper
4: Spoiler
5: Flügelfläche
6: Spoileraktuator
7: Linearaktuator
8: Klappe
9: Shock Control Bump (SCB)
10: Ausbeulaktuator
11: Außenhaut
12: Angriffspunkt des Spoileraktuators
13: Getriebe
14: Beulenwunschort
15: Kniegelenk
16: Elastisches Element
17: Angriffspunkt des Ausbeulaktuators
18: Angriffspunkt des Ausbeulaktuators
19: Aktuatorstange
20: Verriegelung
21: Riegelelement
22: Riegelelement
23: Hebel
24: Hebelansatzbereich
25: Hauptkörperseitiger erster Bereich
26: Klappenseitiger zweiter Bereich
27: Shock Control Bump (SCB)
28: Beulenwunschort
29: Elastisches Getriebeglied
30: Mitnehmer
31: Weg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. Bein et al: An adaptive spoiler to control the transonic shock, Smart Mater. Struct. 9 (2000) 141-148 [0005]
L. F. Campanile et al: The „Fish-mouth“ Actuator: Design Issues and Test Results, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 15 - September/October 2004, 711-719 [0006]
M. Kintscher et al: Generation of a Shock Control Bump by Pressurized Chambers, ICAST2015: 26th International Conference on Adaptive Structures and Technologies, October 14-16, 2015 [0007]
L. Hao et al: Numerical analysis on shape memory alloy-based adaptive shock control bump, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2018, Vol. 29(15), 3055-3066 [0008]
J. Kirn et al: Non-discrete spoiler with an adaptive shock control bump, ICAST2016: 27nd International Conference on Adaptive Structures and Technologies, October 3-5, 2016 [0009]
L. Kirn et al. ist aus M. Kintscher et al: Structural Concept of an Adaptive Shock Control Bump Spoiler, SAE Technical Paper 2017-01-2164 [0010]

Claims

Transsonischer Flügel (2) mit - einem im Querschnitt formstabilen Flügelhauptkörper (3), - einem zu einer Flügelhinterkante (1) hin an den Flügelhauptkörper (3) anschließenden, elastisch verformbaren Spoiler (4), - einer im Bereich der Flügelhinterkante (1) verschwenkbar gelagerten Klappe (8) und - einem Spoileraktuator (6), mit dem der Spoiler (4) aus Reiseflugstellungen, in denen der Spoiler (4) an der Klappe (8) anliegt, in eine Bremsstellung aufrichtbar ist, - wobei der Spoiler (4) zwischen einer ersten Reiseflugstellung ohne Shock Control Bump (9, 27) und einer zweiten Reiseflugstellung mit einem von einer Außenhaut (11) des Spoilers (4) ausgebildeten Shock Control Bump (9, 27) überführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausbeulaktuator (10) des Flügels (2) dazu ausgebildet und angeordnet ist, den Spoiler (4) zwischen einem hauptkörperseitigen ersten Bereich (25) und einem klappenseitigen zweiten Bereich (26) derart zusammenzudrücken, dass die Außenhaut (11) des Spoilers (4) zwischen dem hauptkörperseitigen ersten Bereich (25) und dem klappenseitigen zweiten Bereich (26) unter Ausbildung des Shock Control Bump (9, 27) an einem Beulenwunschort (14, 28) ausbeult.
Flügel (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass der Ausbeulaktuator (10) der Spoileraktuator (6) ist oder - dass der Ausbeulaktuator (10) ein von dem Spoileraktuator (6) separater Ausbeulaktuator (10) ist, wobei der klappenseitige zweite Bereich (26) des Spoilers (4) nicht weiter von dem Flügelhauptkörper (3) entfernt ist als ein klappenseitiger Angriffspunkt (12) des Spoileraktuators (6) an dem Spoiler (4).
Flügel (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbeulaktuator (10) ein Linearaktuator (7) ist und/oder dass der Spoileraktuator (6) ein an dem Flügelhauptkörper (3) schwenkbar abgestützter Linearaktuator (7) ist.
Flügel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein klappenseitiges freies Ende des Spoilers (4) in der zweiten Reiseflugstellung an der Klappe (8) abgestützt ist.
Flügel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbeulaktuator (10) beim Zusammendrücken des Spoilers (4) weiterhin auf ein Getriebe (13) einwirkt, das eine mit dem Ausbeulaktuator (10) aufgebrachte Kraft anteilig in eine Normalkraft umlenkt, die auf der Innenseite des Spoilers (4) an dem Beulenwunschort (14) auf die Außenhaut (11) des Spoilers (4) einwirkt.
Flügel (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (13) ein Hebelgetriebe ist.
Flügel (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (13) eine elastisches Getriebeglied (29) aufweist und/oder über ein elastisches Element (16) an dem Flügelhauptkörper (3) abgestützt ist.
Flügel (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (13) ein verstellbares Getriebeglied aufweist, dessen Verstellung den Beulenwunschort (14), an dem die Normalkraft auf die Außenhaut (11) des Spoilers (4) einwirkt, zwischen dessen erstem Bereich (25) und dessen zweitem Bereich (26) verschiebt.
Flügel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbeulaktuator (10) beim Zusammendrücken des Spoilers (4) auf einen Hebel (23) einwirkt, der an einer Innenseite des Spoilers (4) starr an einen dem Beulenwunschort (28) benachbarten Hebelansatzbereich (24) der Außenhaut (11) des Spoilers (4) angesetzt ist, wobei der Hebel die mit dem Ausbeulaktuator (10) aufgebrachte Kraft anteilig in ein um den Hebelansatzbereich (24) wirksames Drehmoment auf die Außenhaut (11) umlenkt.
Flugzeugflügel (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbeulaktuator (10) erst nach dem Zusammendrücken des Spoilers (4) über einen vorgegebenen Weg und nach dem Ausbeulen der Außenhaut des Spoilers (4) beim Zusammendrücken des Spoilers (4) an einem Beulenwunschort (24) auf das Getriebe (13) oder den Hebel (23) einwirkt, um die Außenhaut an einem anderen Beulenwunschort (28) auszubeulen.
Flügel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verriegelungsmechanismus (20) den Spoiler (4) zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich in der ersten Reiseflugstellung verriegelt und dass ein Betätigen des Ausbeulaktuators (10) den Verriegelungsmechanismus (20) deaktiviert, so dass die Außenhaut des Spoilers (4) zur Ausbildung des Shock Control Bump (9, 27) zwischen dem ersten Bereich (25) und dem zweiten Bereich (26) in der zweiten Reiseflugstellung ausbeulen kann.
Flügel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spoiler (4) mit dem Spoileraktuator (6) in eine Hochauftriebsstellung mit freiem Abstand zu der Klappe (8) von der Klappe (8) abhebbar ist.
Flügel (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flügeloberfläche (5) unterbrechungsfrei über den Flügelhauptkörper (3) und den Spoiler (4) durchläuft.
Flugzeug mit einem Paar von Flügeln (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer transsonischen Reisegeschwindigkeit, bei der eine Steuerung die Ausbeulaktuatoren (10) der Flügel (2) betätigt, um die Shock Control Bumps (9, 27) an den Beulenwunschorten (14, 28) an den Spoilern (4) auszubilden.