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Die Erfindung betrifft eine Zusatzfläche für Flugobjekte zur äußeren Befestigung an einer äußeren Oberfläche des Flugobjektes, insbesondere eine äußere Strömungsoberfläche. Die Erfindung betrifft ebenso ein Flugobjekt hierzu.
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Flugobjekte weisen neben den auftriebserzeugenden Profilen (Tragflächen, Rotorblätter, etc.) und Steuerflächen in der Regel ein oder mehrere Zusatzflächen auf, die an der äußeren Oberfläche bzw. Strömungsoberfläche angeordnet sind und dabei keinen oder nur eine geringen aerodynamische Einfluss auf die Auftriebserzeugung haben. Solche Zusatzflächen können bspw. Regenrinnen am Rumpf über den Türen von Flugzeugen sein. Solche Zusatzflächen können aber auch sogenannte Strakes sein, bei denen es sich um aerodynamische Baugruppe zur Beeinflussung der Strömung an den Tragflächen oder Steuerflächen des Flugobjektes handelt.
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Solche Zusatzflächen, wie bspw. Regenrinnen, sind dabei Elemente oder Baugruppen, die von der äußeren Strömungsoberfläche bzw. vom Rumpf des Flugobjektes abstehen bzw. abragen und dadurch im Flugbetrieb eine strömungsbezogene Beeinträchtigung darstellen. Durch solche Zusatzflächen, die keine nennenswerte auftriebserzeugende Eigenschaft besitzen, wird die Anströmung der äußeren Strömungsoberfläche beeinträchtigt und eine der Umschlag von einer laminaren Grenzschichtströmung in eine turbulente Grenzschichtströmung begünstigt.
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Eine Regenrinne an einem Flugobjekt ist dabei ein - meist L-förmiges - Profil, welches ggf. nachträglich an die äußere Strömungsoberfläche angebracht wird. Die Regenrinne dient dazu, dass vom oberen Rumpfbereich nach unten laufende Wasser über den Türeinstiegen des Rumpfes seitlich abzuleiten bzw. abzulenken.
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Aus der
DE 10 2006 040 383 A1 ist eine Vorrichtung zum Ableiten von Regenwasser oder dergleichen an einem Luft- und/oder Raumfahrzeug bekannt, wobei die Vorrichtung einen Ableitabschnitt mit einer Ableitfläche hat, die schwenkbar an der Vorrichtung befestigt ist. Im geschlossenen Zustand der Tür, für die die Regenrinne gedacht ist, wird die Ableitfläche an den Rumpf gedrückt und verschwindet so hinter der Tür. Wird die Tür geöffnet, so klappt die Ableitfläche der Vorrichtung vom Rumpf weg aus und bildet so eine Regenrinne. Nachteil dieser Vorrichtung ist es, dass hierfür spezielle Aufnahmen an der Innenseite der Tür notwendig sind, damit die Ableitfläche beim Schließen der Tür dort aufgenommen und an den Rumpf gedrückt werden kann. Dadurch muss bereits bei der Konstruktion der Tür und der Regenrinne dies vorgesehen sein und kann nur schwer nachträglich installiert werden. Des Weiteren können Vibrationen am Rumpf zu einer Vibration der Ableitfläche führen, wodurch Beschädigungen am Rumpf und der Tür im Flugbetrieb wahrscheinlicher werden.
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Die
WO 2018/083077 A1 offenbart eine formveränderliche Baugruppe an der äußeren Strömungsoberfläche, bspw. als Regenrinne. Hierbei werden elektrisch aktivierbare Polymere verwendet, die bei Strombeaufschlagung eine Formveränderung durchführen. Nachteil hierbei ist, dass ein aktives Aktivierungssignal notwendig ist, um die Formveränderung herbei zu führen und zu halten. Bricht das Aktivierungssignal zusammen, so wird auch die Formveränderung rückgängig gemacht.
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Aus der
US 2014/0077035 A1 ist eine Regenrinne bekannt, die von einer ersten eingefahrenen Form in eine ausgefahrene Form bringbar ist. Hierfür die die Regenrinne so konzipiert, dass im Flugbetrieb auf Grund der Anströmung durch das umgebende Fluid eine Kraft auf die Regenrinne in Richtung Rumpf ausgeübt wird, so dass die Regenrinne an den Rumpf gedrückt wird. Hierdurch soll die strömungsbezogene Beeinträchtigung durch die abstehende Regenrinne verringert werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass es eine gewisse Strömungskraft bedarf, um die Regenrinne an den Rumpf zu drücken. Letztlich kann auch hierdurch die strömungstechnische Beeinträchtigung durch die Regenrinne im Flugbetrieb nicht gänzlich eliminiert werden.
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Aus der
EP 2 687 435 B1 ist ein Luftfahrzeug mit Zusatzflächen bekannt, die an einem als Zeppelin ausgebildeten Luftfahrzeug angeordnet sind. Die Zusatzflächen sind dabei aus einem mit einem Gas gefüllten Schlauch aus einem flexiblen Plattenmaterial gebildet.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Zusatzfläche, insbesondere Regenrinne, für Flugobjekte anzugeben, die leicht bedienbar und im Flugbetrieb nicht störend ist und prozesssicher funktioniert.
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Die Aufgabe wird mit der Zusatzfläche gemäß Anspruch 1 sowie einem Flugobjekt gemäß Anspruch 13 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Zusatzfläche für Flugobjekte zur äußeren Befestigung an einem Flugobjekt vorgeschlagen, wobei die Zusatzfläche einen Befestigungsabschnitt zum Befestigen der Zusatzfläche an einer äußeren Oberfläche des Flugobjektes und einen an dem Befestigungsabschnitt angrenzenden Flächenabschnitt hat, der von einem ersten Formzustand in einen von dem ersten Formzustand verschiedenen zweiten Formzustand und zurück änderbar ist.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Flächenabschnitt hinsichtlich der Änderung des Formzustandes material- und/oder geometriebedingt bistabil ist.
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Der Flächenabschnitt kann dabei insbesondere beweglich bzw. verschwenkbar an dem Befestigungsabschnitt angeordnet sein. Der Befestigungsabschnitt kann dabei so ausgebildet sein, dass die Zusatzfläche nachträglich an der äußeren Oberfläche des Flugobjektes form-, kraft- und/oder stoffschlüssig angeordnet werden kann. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Befestigungsabschnitt mithilfe von Schrauben oder Nieten an der äußeren Strömungsoberfläche befestigt wird. Denkbar ist aber auch, dass der Befestigungsabschnitt klebend an der äußeren Oberfläche befestigt wird, beispielsweise dann, wenn die Zusatzfläche nicht strukturrelevant ist. Denkbar ist aber auch, dass der Befestigungsabschnitt integraler Bestandteil der äu-ßeren Oberfläche des Flugobjektes ist und bereits während der Herstellung des Flugobjektes angeordnet wird.
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Durch das Anordnen des Befestigungsabschnittes an der äußeren Oberfläche des Flugobjektes wird der Flächenabschnitt relativ zu dem Flugobjekt beweglich bzw. verschwenkbar ausgebildet. Hierdurch kann die aerodynamische Eigenschaft der Zusatzfläche verändert werden, indem der Flächenabschnitt von dem ersten Zustand in den zweiten Formzustand überführt wird oder andersherum.
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Die Zusatzfläche ist demnach so ausgebildet, dass der Flächenabschnitt von einem ersten Formzustand in einen von dem ersten Formzustand verschiedenen zweiten Formzustand bringbar ist, bei dem die relative Ausrichtung des Flächenabschnittes in Bezug zu dem Flugobjekt von der relativen Ausrichtung des ersten Formzustandes verschieden ist, wenn die Zusatzfläche mit dem Befestigungsabschnitt einem Flugobjekt angeordnet ist.
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Der Flächenabschnitt kann dabei an dem Befestigungsabschnitt materialschlüssig angeordnet sein, sodass zwischen den Befestigungsabschnitt und dem Flächenabschnitt eine Art Festkörpergelenk gebildet wird.
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Der Flächenabschnitt ist dabei erfindungsgemäß in Bezug auf die Änderung des Formzustandes bistabil, wobei die Bistabilität durch die Form bzw. Geometrie zumindest des Flächenabschnittes und/oder durch das verwendete Material zumindest des Flächenabschnittes gebildet bzw. hervorgerufen wird.
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Eine bistabile Eigenschaft des Flächenabschnittes meint hierbei, dass der Flächenabschnitt ein bistabiles System bildet, bei dem der erste Formzustand einen ersten Gleichgewichtszustand (erster stabiler Zustand) in Bezug auf die Form und Geometrie des Flächenabschnittes hat und der zweite Formzustand einen von dem ersten Gleichgewichtszustand verschiedenen zweiten Gleichgewichtszustand (zweiter stabiler Zustand) in Bezug auf die Form und Geometrie des Flächenabschnittes hat. Zwischen diesen beiden Gleichgewichtszuständen existiert ein Bereich einer Instabilität, innerhalb dessen der Flächenabschnitt die Tendenz hat, wieder in den ersten oder den zweiten Formzustand zurückzukehren.
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Die Bistabilität bzw. bistabile Eigenschaft des Flächenabschnittes ist dabei so ausgebildet, dass unabhängig von äußeren Parametern und Einflüssen der jeweilige stabile Formzustand des bistabilen Systems beibehalten wird. So kann die Bistabilität bzw. bistabile Eigenschaft des Flächenabschnittes den ersten Formzustand wie den zweiten Formzustand unabhängig von dem Betrieb (Boden, Flugbetrieb) des Flugobjektes beibehalten, wobei eine Änderung von dem ersten zu den zweiten Formzustand durch eine unabhängig von der bistabilen Eigenschaft definierte Auslösekraft erfolgt.
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Vielmehr erfolgt die Änderung vom ersten stabilen Formzustand zum zweiten stabilen Formzustand und zurück nur durch einen äußeren Impuls, wobei die stabilen Zustände bei ein und denselben Parameter werden angenommen und gehalten werden können. Der äußere Impuls ändert dabei den Formzustand des Flächenabschnittes, wobei nach Änderung des Formzustandes der äußere Impuls zur Beibehaltung des neuen Formzustandes nicht mehr anliegen bzw. aufrechterhalten werden muss.
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So kann durch eine einmalige äußere Krafteinwirkung der Flächenabschnitt vom ersten Formzustand in den zweiten Formzustand gebracht werden, wobei die einmalige äußere Krafteinwirkung bei Vorliegen des zweiten Formzustandes nicht mehr anliegen muss, um den zweiten Formzustand beizubehalten. Aus diesem Grund wird sowohl der erste Formzustand als auch der zweite Formzustand als stabile Formzustände eines bistabilen Systems bezeichnet.
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Hierdurch wird es möglich, Zusatzfläche für Flugobjekte vorzusehen, deren für die jeweilige Aufgabe wirkenden Flächenabschnitte von einem ersten Formzustand (eingefahrener Formzustand) in einen zweiten Formzustand (ausgefahrene Formzustand) und zurück änderbar sind, wobei aufgrund der Bistabilität des Flächenabschnittes der jeweilige Formzustand ohne äußeren Impuls aufrechterhalten bleibt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zusatzfläche eine am Rumpf des Flugobjektes vorgesehene Regenrinne oder eine aerodynamische Baugruppe zur Beeinflussung der Strömung an den Tragflächen oder Steuerflächen des Flugobjektes.
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So lassen sich mithilfe solcher Zusatzflächen beispielsweise Regenrinnen an Flugzeugen bilden, die am Boden in dem zweiten stabilen Formzustand vorliegen und somit von dem Flugobjekt bzw. der äußeren Oberfläche abtragen und eine für Flüssigkeiten geeignete ab Gleitfläche bilden und die im Flugzustand (in der Luft) in dem ersten stabilen Formzustand vorliegen und dabei an der äußeren Oberfläche anliegen und die Umströmung des Flugobjektes während des Fluges nicht signifikant stören.
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Auch lassen sich mit solchen Zusatzflächen sogenannte Strakes bilden, die zur Beeinflussung der Strömung an den Tragflächen oder Steuerflächen des Flugobjektes vom ersten stabilen Formzustand in den zweiten stabilen Formzustand gebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zusatzfläche derart ausgebildet ist, dass im ersten Formzustand der Flächenabschnitt mit einer erste Seite an der äußeren Oberfläche des Flugobjektes anliegt und mit einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite einen Teil der äußeren Strömungsoberfläche bildet und dass im zweiten Formzustand sowohl die erste Seite als auch die zweite Seite freiliegt.
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Im ersten stabilen Formzustand des Flächenabschnittes liegt der Flächenabschnitt zumindest teilweise an der äußeren Oberfläche des Flugobjektes mit einer ersten Seite einen, wobei die gegenüberliegende zweiten Seite des Flächenabschnittes dann den von dem Flächenabschnitt abgedeckten Teil der äußeren Oberfläche des Flugobjektes bildet.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Flächenabschnitt im ersten stabilen Formzustand in einer Vertiefung der äußeren Oberfläche des Flugobjektes liegt und zumindest der Flächenabschnitt plan mit der umliegenden äußeren Oberfläche des Flugobjektes bündig abschließt. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass am Übergang von der äußeren Oberfläche des Flugobjektes zu der zweiten Seite des Flächenabschnittes keine Stufen oder Kanten gebildet werden, sodass insbesondere eine laminar umströmbare Oberfläche gebildet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zusatzfläche derart ausgebildet ist, dass im zweiten Formzustand der Flächenabschnitt unter einem Winkel von mehr als 45° von der äußeren Oberfläche des Flugobjektes abragt. Der Winkel kann hierbei zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem Flächenabschnitt definiert sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Flächenabschnitt mittels eines Gelenkes an dem Befestigungsabschnitt beweglich angeordnet ist, damit der angrenzenden Flächenabschnitt von dem ersten Formzustand in den zweiten Formzustand und zurück änderbar ist, wobei das Gelenk eine gekrümmte Gelenkachse zur Ausbildung einer geometrischen Bistabilität aufweist.
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Durch das Gelenk, welches bspw. ein Festkörpergelenk sein kann und sich über die gesamte Länge der Zusatzfläche erstrecken kann, wird der formveränderbare Flächenabschnitt von dem ersten Formzustand in den zweiten Formzustand und zurück änderbar. Der Flächenabschnitt ist somit gegenüber dem Befestigungsabschnitt relativ dazu beweglich. Da der Befestigungsabschnitt am Flugobjekt fest angeordnet ist und somit nicht beweglich ist, wird hierdurch der Flächenabschnitt auch gegenüber dem Flugobjekt relativ beweglich.
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Die Gelenkachse ist dabei gekrümmt, bspw. einfach gekrümmt (Krümmung in einer Dimension) oder mehrfach gekrümmt (Krümmung in mehreren Dimensionen), bspw. zweimal gekrümmt. Durch eine solche gekrümmte Gelenkachse kann eine geometrische Bistabilität realisiert werden. Die gekrümmte Gelenkachse kann dabei der Krümmung der äußeren Oberfläche des Flugobjektes folgen, bspw. durch nichtaxiale Ausrichtung der Gelenkachse in Bezug zu der axialen Ausrichtung der Oberfläche des Flugobjektes (bspw. Rumpf). Die axiale Ausrichtung der Oberfläche des Flugobjektes meint hierbei, dass in axialer Ausrichtung der Oberfläche des Flugobjektes keine Krümmung auf der Oberfläche existiert.
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Die Zusatzfläche wird vorteilhafterweise derart auf der Oberfläche des Flugobjektes angeordnet, dass in axialer Ausrichtung der Gelenkachse eine Krümmung auf der Oberfläche des Flugobjektes an der Stelle, wo die Zusatzfläche vorgesehen ist, vorherrscht, so dass die Gelenkachse dieser Krümmung folgt. Die in der Regel gekrümmte Oberfläche der Flugobjekte wird demnach dafür ausgenutzt, eine gekrümmte Gelenkachse für eine geometrische Bistabilität zu erreichen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Flächenabschnitt der Zusatzfläche zur Ausbildung einer geometrischen Bistabilität mehrfach gekrümmt ist. Durch die mehrfache Krümmung des Flächenabschnittes wird der Flächenabschnitt geometrisch bistabil und kann von einem ersten stabilen Formzustand in einen zweiten stabilen Formzustand und zurück geändert werden.
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Hat die Zusatzfläche zur Ausbildung einer Regenrinne eine insbesondere längliche Form und wird diese Zusatzfläche an einem Rumpf eines Flugzeuges angeordnet, so ist es vorteilhaft, wenn die axialer Ausrichtung der Zusatzfläche, insbesondere des Flächenabschnittes bzw. des Gelenkes zwischen Flächenabschnitt und Befestigungsabschnitt, nicht der axialen Ausrichtung des Rumpfes folgt. Da der Rumpf in der Regel gekrümmt ist, erfolgt bei einer Abweichung von der axialen Ausrichtung eine zumindest zweifache Krümmung des Flächenabschnittes, was wiederum zu einer geometrischen Bistabilität führt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Flächenabschnitt der Zusatzfläche ein isotropes Material aufweist, aus einem solchen gebildet ist oder aus einem solchen besteht, welches eine isotrope Materialeigenschaft hat.
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Materialien mit einer isotropen Materialeigenschaft weisen dabei in alle Raumrichtungen dieselben Eigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich des Dehn-, Torsions- und Biegeverhaltens. Insbesondere das Dehn- und/oder Biegeverhalten des isotropen Materials muss dabei so gewählt sein bzw. das Material muss mit Hinblick auf diese Eigenschaften so gewählt sein, dass der durch die Geometrie vorgegebene stabile erste Zustand in den durch die Geometrie des Flächenabschnittes vorgegebene stabile zweite Zustand änderbar ist. Dabei ist denkbar, dass für eine geometrische Bistabilität elastische Bereiche innerhalb des Flächenabschnittes vorgesehen sind, die das isotrope Material ergänzen und einen Wechsel vom ersten stabilen Zustand in den zweiten stabilen Zustand und zurück ermöglichen. Hierdurch kann eine materielle bzw. materialbedingte Bistabilität erreicht werden, die durch eine geometrische Bistabilität ergänzt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Flächenabschnitt der Zusatzfläche ein anisotropes Material aufweist, aus einem solchen gebildet ist oder aus einem solchen besteht, welches eine anisotrope Materialeigenschaft hat. Ein solches anisotropes Material kann beispielsweise ein Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes sein. Anisotrope Materialien bzw. Materialien mit einer anisotropen Materialeigenschaft weisen dabei hinsichtlich wenigstens zweier Raumrichtungen verschiedene Eigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich des Dehn-, Torsions- und Biegeverhaltens. Durch ein anisotropes Material, wie bspw. ein Faserverbundwerkstoff, kann eine materialbedingte Bistabilität erreicht werden bzw. ausgebildet werden. Eine solche materialbedingte Bistabilität kann dabei mit einer geometrischen Bistabilität kombiniert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform hierzu kann vorgesehen sein, dass der Flächenabschnitt der Zusatzfläche aus mehreren Lagen Fasermaterial gebildet ist, die jeweils eine Hauptfaserrichtung aufweisen, wobei mindestens zwei unterschiedliche Lagen Fasermaterial eine voneinander verschiedene Hauptfaserrichtung haben. Durch diese unterschiedlichen Lagen Fasermaterial kann dabei eine verbesserte materialbedingte Bistabilität erreicht werden, die mit einer entsprechenden Geometrie mit einer geometrischen Bistabiliät ergänzt werden kann.
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Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von nicht-symmetrischen Faserlagen (Lagen mit unterschiedlicher Hauptfaserrichtung) sich Eigenspannung nach dem Aushärten des Matrixmaterials in dem Flächenabschnitt bildet, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten in den verschiedenen Richtungen unterschiedlich sind und somit das Bauteil beim Abkühlen nach der Fertigung bzw. während der Abkühlung nach dem Autoklav-/Heizvorgang unterschiedlich „schrumpft“. Dies kann genutzt werden, um basierend auf den fertigungsbedingten Eigenspannungen derartiger Werkstoffe eine materialbedingte und ggf. geometrische Bistabilität zu ermöglichen.
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Es ist in allen diesen Ausführungsformen denkbar, dass der Flächenabschnitt der Zusatzfläche ein oder mehrere elastische Bereiche aus einem elastischen Material hat. Hierdurch können die Kräfte, die zur Änderung von einem stabilen Formzustand in den anderen stabilen Formzustand notwendig sind, reduziert werden und hängen gegebenenfalls ausschließlich von den elastischen Bereichen ab.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zusatzfläche mindestens einen Aktuator hat, der zum Aufbringen einer ersten Verformungskraft auf den Flächenabschnitt derart ausgebildet ist, dass der Flächenabschnitt von dem ersten Formzustand in den zweiten Formzustand änderbar ist, und/oder der zum Aufbringen einer zweiten Verformungskraft auf den Flächenabschnitt derart ausgebildet ist, dass der Flächenabschnitt von dem zweiten Formzustand in den ersten Formzustand änderbar ist.
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Der Aktuator kann dabei so ausgebildet sein, dass die erste Verformungskraft bzw. die zweite Verformungskraft nur zum Ändern des Formzustandes durch den Aktuator aufgebracht wird. Nachdem der Formzustand basierend auf der jeweiligen Verformungskraft geändert wurde, wird durch den Aktuator gegebenenfalls keine weitere Verformungskraft aufgebracht bzw. eine deutlich verringerte Verformungskraft.
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Der Flächenabschnitt ist hinsichtlich der Änderung des Formzustandes material- und/oder geometriebedingt derart bistabil, dass die durch den Aktuator aufgebrachte Verformungskraft nicht benötigt wird, um die Änderung des Formzustandes zu erhalten. Die durch den Aktuator aufgebrachte Verformungskraft wird dabei insbesondere nicht benötigt, um eine Rückänderung in den Ausgangsformzustand zu verhindern. Aufgrund der Bistabilität des Flächenabschnittes wird der Formzustand auch ohne die dafür notwendige Verformungskraft beibehalten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, der mindestens eine Aktuator ein Formgedächtnismaterial aufweist, aus einem solchen gebildet ist oder aus einem solchen besteht. Ein solches Formgedächtnismaterial kann bspw. eine Formgedächtnislegierung und/oder ein Formgedächtnispolymer sein. Mithilfe eines Formgedächtnismaterials können beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur entsprechend die erste Verformungskraft oder die zweite Verformungskraft aufgebracht werden. So haben bspw. Formgedächtnislegierungen temperaturabhängig unterschiedliche Kristallstrukturen und können somit bei einer ersten Temperatur eine erste Form annehmen, die sich bei einer zweiten Temperatur durch eine zweite Form unterscheiden.
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Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der mindestens eine Aktuator temperaturgesteuert derart ausgebildet ist, dass bei Überschreiten eines ersten Temperaturschwellwertes die erste Verformungskraft aufgebracht wird und/oder bei Überschreiten eines zweiten Temperaturschwellwertes die zweite Verformungskraft aufgebracht wird. Der erste Temperaturschwellwert und der zweite Temperaturschwellwert können dabei identisch sein, so dass oberhalb des Temperaturschwellwertes die erste Verformungskraft und unterhalb die zweite Verformungskraft aufgebraucht wird.
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Wird der Aktuator basierend auf einer Formgedächtnislegierung ausgeführt, so kann beim Überschreiten des ersten Temperaturschwellwertes die erste Verformungskraft durch die Formgedächtnislegierung ausgeübt werden, während beim Überschreiten eines zweiten Temperaturschwellwertes die zweite Verformungskraft aufgebracht wird. Hierdurch lässt sich mithilfe einer Formgedächtnislegierung in Form eines Aktuators der bistabile Flächenabschnitt von dem ersten Formzustand in den zweiten Formzustand und zurück in Abhängigkeit der Temperatur ändern.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem beanspruchten Flugobjekt gelöst, wobei das Flugobjekt mindestens eine Zusatzfläche wie vorstehend beschrieben aufweist. Das Flugobjekt kann ein Flugzeug, insbesondere ein Verkehrsflugzeug sein. Die Zusatzfläche kann dabei als Regenrinne an dem Rumpf des Flugzeuges angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Zusatzfläche oberhalb einer Türöffnung am Rumpf des Flugobjektes als Regenrinne angeordnet ist und/oder dass eine Zusatzfläche an mindestens einer Triebwerksgondel als aerodynamische Baugruppe zur Beeinflussung der Strömung an den Tragflächen angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine Zusatzfläche in einer Vertiefung der äußeren Oberfläche angeordnet ist, wobei im ersten Formzustand zumindest der Flächenabschnitt plan mit der umliegenden äußeren Oberfläche des Flugobjektes abschließt.
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Die Erfindung wird mithilfe der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Darstellung einer bistabilen Regenrinne an einem Rumpf eines Flugzeuges;
- 2 Schnittdarstellung durch den Rumpf in zwei verschiedenen Ausführungsformen;
- 3 Schematische Darstellung einer wie stabilen Regenrinne mit Formgedächtnismaterial als Aktuator;
- 4 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zusatzfläche aus einem Faserverbundwerkstoff;
- 5 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zusatzfläche mit elastischen Bereichen;
- 6 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zusatzfläche in einer speziellen Ausführungsform;
- 7 schematische Darstellung eines Trainingsprozesses für ein Formgedächtnismaterial.
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In 1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung den Rumpf 10 eines nicht näher dargestellten Flugobjektes, wobei sich im Rumpf eine Öffnung in Form einer Tür 11 befindet. Oberhalb der Tür 11 ist eine Regenrinne 20 vorgesehen, welche die von oberhalb des Rumpfes 10 herablaufenden Flüssigkeiten (beispielsweise Regenwasser) auffangen und seitlich von der Tür 11 ableiten lassen soll. Hierfür ist die Regenrinne 20 nicht nur oberhalb der Tür 11 angeordnet, sondern auch leicht schräg verlaufend, sodass die aufgefangene Flüssigkeit seitlich der Tür 11 Weg geleitet wird.
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Wie in einer vergrößerten Darstellung rechts daneben in der 1 dargestellt, kann die Regenrinne 20 von einem ersten stabilen Formzustand 21 in einen davon verschiedenen zweiten stabilen Formzustand 22 und zurück geändert werden. Der erste stabile Formzustand der bistabilen Regenrinne 20 ist dabei die Flugposition der Regenrinne 20, bei der die Regenrinne 20 am Rumpf 10 anliegt und somit möglichst wenig Störung in der äußeren Umströmung verursacht, während der zweite stabile Formzustand dabei die Bodenposition der Regenrinne 20 ist, bei der die Regenrinne 20 vom Rumpf 10 des Flugobjektes abstehend und somit die Funktion einer Regenrinne übernehmen können.
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In 2 ist in einer Schnittdarstellung der Aufbau der zuvor beschriebenen Regenrinne 20 näher erläutert. Die Regenrinne 20 weist dabei einen Befestigungsabschnitt 23 auf, mit dem die Regenrinne 20 am Rumpf 10 des Flugobjektes flugsicher befestigt ist. Der nicht befestigte Teil der Regenrinne 20, der sogenannte Flächenabschnitt 24, grenzt dabei an den Befestigungsabschnitt 23 beweglich an (beispielsweise über ein Festkörpergelenk) und kann vom ersten Formzustand 21 in den zweiten Formzustand 22 und zurück verändert werden. Der Flächenabschnitt 24 ist dabei insbesondere nicht mit dem Rumpf 10 des Flugobjektes flächig verbunden, sondern lediglich über den Befestigungsabschnitt 23.
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Die linke Abbildung zeigt dabei eine aerodynamische besonders günstige Anordnung der Regenrinne 20, der in dem Rumpf 10 eine Vertiefung vorgesehen ist, in welche die Regenrinne 20 in dem ersten stabilen Formzustand 21 (Flugposition) vollständig eingebracht ist und somit bündig mit der umliegenden Strömungsoberfläche des Rumpfes 10 abschließt. Aerodynamische Störungen im Flug werden somit weitestgehend vermieden bzw. reduziert. Wechselt der Formzustand von dem ersten stabilen Formzustand 21 in den zweiten stabilen Formzustand 22 (Bodenposition), so ragt der Flächenabschnitt 24 vom Rumpf 10 des Flugobjektes Weg und kann so herablaufendes Regenwasser oder andere Flüssigkeiten auffangen und entsprechend in die gewünschte Richtung ableiten.
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Auf der rechten Seite ist eine Regenrinne 20 gezeigt, die insbesondere nachträglich an dem Rumpf 10 angeordnet werden kann. Hierbei wird die Regenrinne 20 mit ihren Befestigungsabschnitt 23 an der äußeren Strömungsoberfläche des Rumpfes 10 befestigt und besteht somit um die Dicke der flächigen Regenrinne 20 von der umliegenden Oberfläche heraus. Auch hier kann die Regenrinne von einem ersten Formzustand in einen zweiten Formzustand wechselt, indem der Flächenabschnitt 24 von einem ersten stabilen Formzustand 21 in einen zweiten stabilen Formzustand 22 und zurück wechseln kann. Dieser Ausführungsform eignet sich insbesondere zur nachträglichen Installation und weist immer noch bessere aerodynamische Eigenschaften auf als eine starr abstehende Regenrinne.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung zwei Möglichkeiten eines Aktuators, um den Formzustand zu wechseln. Die Regenrinne 20, genauer gesagt der Flächenabschnitt 24, weist eine Mehrzahl von Leitungen 25 auf, die aus einer Formgedächtnislegierung gemacht sind. Diese Leitungen 25 können dabei sowohl horizontale als auch vertikal verlaufen, wie dies in der oberen und unteren Darstellung separat gezeigt ist. Selbst verständlich können die Ausrichtungen der Leitungen aus der Formgedächtnislegierung auch kombiniert werden.
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Die Leitungen 25 aus der Formgedächtnislegierung werden nun durch einen äußeren Impuls bzw. Trigger angeregt, wodurch eine Verformungskraft auf den Flächenabschnitt 24 ausgeübt wird, um den Flächenabschnitt 24 von einen Formzustand in den anderen Formzustand zu überführen. Dabei ist es denkbar, dass ein erster Teil von Leitungen 25 dazu ausgebildet ist, eine erste Verformungskraft auszuüben, um den Flächenabschnitt 24 von dem ersten Formzustand in den zweiten Formzustand zu überführen, während ein zweiter Teil von Leitungen 25 dazu vorgesehen ist, eine zweite Verformungskraft auszuüben, um den Flächenabschnitt 24 von dem zweiten Formzustand in den ersten Formzustand zu überführen. Solche Leitungen 25 aus einem Formgedächtnismaterial können beispielsweise durch einen elektrischen Impuls oder durch Temperatur getriggert werden.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer bistabilen Zusatzfläche, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wurde. Dabei wurden mehrere Lagen Fasermaterial 30 mit einer voneinander verschiedenen Hauptfaserrichtung 31 verwendet, um die Zusatzfläche herzustellen. Dabei kann, wie auf der rechten Seite der 4 gezeigt, vorgesehen sein, dass eine zusätzliche Schicht aus einem metallischen Gewebe oder einer metallischen Folie 32 verwendet wird, um einen Blitzschutz zu realisieren. Aufgrund der Form und Geometrie der Zusatzfläche ist diese Zusatzfläche zumindest geometrisch bistabil und kann von einem ersten stabilen Formzustand in einen zweiten stabilen Formzustand überführt werden.
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5 zeigt in einer schematischen Darstellung einer Ausführungsform, bei der innerhalb des Flächenabschnittes 24 der gezeigten Zusatzfläche 20 Bereiche 40 aus einem elastischen Material vorgesehen sind, sodass bei einer geometrischen oder materialbedingten Bistabilität eine Änderung des Formzustandes möglich ist. Denn aufgrund der geometrischen Form einer geometriebedingten Bistabilität wird durch das Material eine Art selbst erzeugter Formschluss generiert, der eine Formänderung verhindert, auch wenn aufgrund der Geometrie das Bauteil eine mindestzweite Form annehmen kann. Durch die elastischen Bereiche mit elastischen Material 40 kann der instabile Bereich zwischen den beiden stabilen Zuständen überwunden werden.
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6 zeigt in einer Ausführungsform einen Flächenabschnitt 24, der an einer nach außen gerichteten äußeren Ecke 26 so geformt ist, das bei einer Anströmung des Flächenabschnittes 24 eine Verformungskraft auf den Flächenabschnitt 24 ausgeübt wird.
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Im Ausführungsbeispiel der 6 ist der Flächenabschnitt 24 dabei in dem zweiten stabilen Formzustand und somit im ausgefahrenen Zustand bzw. in der Bodenposition. Wird das Flugzeug nun beim Starten beschleunigt, so wird der Flächenabschnitt 24 aufgrund der Geschwindigkeit des Flugzeuges angeströmt, wobei die Ecke 26 dabei so geformt ist, dass die Anströmung des Flächenabschnittes 24 zu einer Verformungskraft führt, die geeignet ist, den Flächenabschnitt 24 in den ersten stabilen Formzustand zu überführen.
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7 zeigt schließlich in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung die Adaption eines Formgedächtnismaterials hinsichtlich der Temperatur. Im ersten Schritt befindet sich der Flächenabschnitt im ersten stabilen Zustand. Im Schritt 2 wird dann der Flächenabschnitt 24 in die zweite stabile Form überführt. Im dritten Schritt wird dann die gewünschte Temperatur auf den Flächenabschnitt 24 aufgebracht, um das Formgedächtnismaterial an diese Temperatur zu adaptieren. Im vierten Schritt wird die Temperatur wieder auf das gewünschte Normalmaß reduziert und der Flächenabschnitt 24 in die erste stabile Form überführt. Anschließend wird dieser Vorgang mehrfach wiederholt (Schritt 5).
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Hierdurch wird es möglich, dass mithilfe des Formgedächtnismaterials, dass in dem Flächenabschnitt 24 integriert ist, eine Temperatursensitivität zu erreichen, sodass der Flächenabschnitt 24 je nach Temperatur automatisch in den ersten stabilen Formzustand oder den zweiten stabilen Formzustand wechselt. So ist es denkbar, dass bei Temperaturen über 0° C (Bodenbetrieb) das Formgedächtnismaterial so trainiert ist, dass sich der Flächenabschnitt 24 immer in den zweiten Formzustand ändert, während bei Temperaturen unter 0° C, vorzugsweise unter -10° C (Flugbetrieb), das Formgedächtnismaterial so trainiert ist, dass sich der Flächenabschnitt 24 immer in den zweiten Formzustand ändert. Damit kann gewährleistet werden, dass im Flug die Regenrinne im ersten Formzustand eingefahren ist und am Boden die Regenrinne immer im zweiten Formzustand ausgefahren ist.
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Dabei ist es selbst verständlich denkbar, dass auch eine Kombination der 6 und 7 realisiert ist. Das Formgedächtnismaterial ist dabei so trainiert, dass sich der Flächenabschnitt 24 bei Temperaturen über 0 °C immer in den zweiten Formzustand ändert, indem eine entsprechende Verformungskraft bei über 0 °C auf den Flächenabschnitt 24 ausgeübt wird. Aufgrund der Anströmung der Ecke 26 wird dann im Flugbetrieb eine weitere Verformungskraft auf den Flächenabschnitt 24 im zweiten Formzustand aufgebracht, der zu einer Änderung in den ersten Formzustand führt.
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Es ist aber immer auch denkbar, dass das Formgedächtnismaterial durch einen elektrischen Impuls angeregt wird, um eine entsprechende Verformungskraft und somit eine Änderung des Formzustandes zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rumpf
- 11
- Tür
- 20
- Regenrinne
- 21
- erster (stabiler) Formzustand
- 22
- zweiter (stabiler) Formzustand
- 23
- Befestigungsabschnitt
- 24
- Flächenabschnitt
- 25
- Leitungen/Aktuatoren/Formgedächtnismaterial
- 26
- aerodynamische Ecke
- 30
- Lagen Fasermaterial
- 31
- Hauptfaserrichtung
- 32
- Blitzschutz
- 40
- elastisches Material
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006040383 A1 [0005]
- WO 2018/083077 A1 [0006]
- US 2014/0077035 A1 [0007]
- EP 2687435 B1 [0008]
