DE102021113202A1

DE102021113202A1 - Rumpf für ein Luftfahrzeug mit rumpfintegriertem Höhenleitwerk

Info

Publication number: DE102021113202A1
Application number: DE102021113202.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Stangl; Robert Osterhuber; Philipp Ernstberger
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-02-10

Abstract

Es ist ein Rumpf (3) für ein Luftfahrzeug (1) beschrieben. Der Rumpf weist ein Steuerelement (20) mit einem integrierten Triebwerksauslass (23) auf. Das Steuerelement (20) ist an einem hinteren Ende (2) des Rumpfes (3) integriert, so dass das Steuerelement (20) in Umfangsrichtung des Rumpfes (3) bündig mit einer Außenhaut (4) des Rumpfes abschließt. Eine Außenwand (40) des Steuerelements (20) umgibt den Triebwerksauslass (23), so dass der Triebwerksauslass (23) in Richtung einer offenen Rückseite (6) des Steuerelements (20) gerichtet ist. Das Steuerelement (20) ist so mit dem Rumpf (3) verbunden, dass das Steuerelement (20) gemeinsam mit dem Triebwerksauslass (23) um eine Drehachse (26) mit Bezug zu dem Rumpf (3) schwenkbar ist. Die Drehachse (26) verläuft quer zu einer Längsrichtung (8) des Rumpfes (3) und das Steuerelement (20) fungiert bei einer Schwenkbewegung um die Drehachse (26) als Höhenleitwerk.

Description

Technisches Gebiet
Die Beschreibung betrifft allgemein den Aufbau eines Luftfahrzeugs. Insbesondere betrifft die Beschreibung den Aufbau eines Rumpfes mit daran sich anschließenden Steuerelementen mit integriertem Triebwerksauslass. Der Rumpf eignet sich insbesondere für die Verwendung in Strahlflugzeugen und insbesondere Überschallflugzeugen wie militärischen Kampfflugzeugen.
Technischer Hintergrund
Strahltriebwerke weisen einen Triebwerksauslass auf und werden verwendet, um eine Antriebsleistung für ein Luftfahrzeug zur Verfügung zu stellen. Die Triebwerksauslässe sind üblicherweise im Heckbereich eines Flugzeugs angeordnet.
Gerade im militärischen Umfeld werden an Flugzeuge verschiedenartige Anforderungen gestellt. Diese Anforderungen reichen von der Fähigkeit der Bewaffnung und Ausrüstung über Flugeigenschaften, um bestimmte Flugmanöver oder Missionsprofile ausführen zu können, bis hin zu Tarneigenschaften, um gegen Aufklärungsmaßnahmen, insbesondere Aufklärungsmaßnahmen unter Verwendung von elektromagnetischen Wellen, wie sie von Radar-Systemen verwendet werden, weitestgehend getarnt zu sein.
Je nach Wellenlängenbereich der Aufklärungsmaßnahmen, gegen die ein Flugzeug getarnt bzw. „unsichtbar“ sein soll, müssen die entsprechenden Tarnmaßnahmen anders ausgestaltet werden. Ganz allgemein kann jedoch festgehalten werden, dass ein Flugzeug, um gegen Radar-Aufklärung unsichtbar bzw. schwer endeckbar zu sein, eintreffende Radarsignale so wegreflektieren soll, dass alle vom Flugzeug zurückgeworfenen Radarsignale in enge und ausgewählte Winkelbereiche fallen, welche in einem ausreichend großen Winkel zum absendenden Radar liegen. Wenn dies nicht erreicht werden kann, so müssen jene Bauteile am Luftfahrzeug baulich mit Absorbern so getarnt werden, dass sie die eintreffenden Radarsignale absorbieren und weitestgehend wegdämpfen.
Konstruktionsprinzipien, welche diese Anforderungen erfüllen, ist unter anderem die Ausgestaltung des Flugzeugs so, dass seine Außenhaut möglichst lange Kanten hat und dass die Kanten und Flächen nach Möglichkeit parallel zueinander verlaufen. Somit, wenn Radar-Signale von der Außenhaut eines Flugzeugs reflektiert werden, werden diese nicht breit gestreut, sondern von den parallel verlaufenden Flächen in dieselbe Richtung reflektiert, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Radar-Signale zu einem entsprechenden Empfänger gelangen, reduziert wird. In anderen Worten werden die Radar-Signale nur dann zurück zu der Quelle reflektiert, wenn diese senkrecht auf die Kanten und Flächen auftreffen, so dass ein Flugzeug nur in einem sehr kleinen Winkelbereich von einer Radar-Aufklärung erfasst werden kann.
Ausgehend von diesen Prinzipien sind bestimmte Bereiche eines Flugzeugs nachteilig für seine Tarnung gegen Radar-Aufklärung, nämlich Bereiche mit kurzen Kanten, insbesondere dann, wenn die Länge einzelner Kanten nahe an der Wellenlänge von Radaren liegt, Bereiche mit einfach oder mehrfach gekrümmten Flächen, Bereiche mit mehreren Elementen, deren Kanten in unterschiedlichen Winkeln zueinander stehen.
Während die Tragflächen und der vordere sowie seitliche Rumpf relativ gut gegen Radar-Aufklärung getarnt werden kann, stellt der Heckbereich mit den Triebwerken und Triebwerksauslässen sowie den Steuerflächen (Seitenleitwerk, Höhenleitwerk, etc.) eine größere Herausforderung dar, weil insbesondere die Triebwerksauslässe mit ihrem Düsenmechanismus, welcher eine Querschnittseinstellung erlaubt, eine Vielzahl von gekrümmten Flächen und kleinen Elementen mit in verschiedenen Richtungen verlaufenden Kanten haben, und diese sich auch durch Absorber aufgrund der dort vorherrschenden hohen Temperaturen nur schwer tarnen lassen.
Beschreibung der Erfindung
Es kann als Aufgabe betrachtet werden, einen Rumpf für ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Strahlflugzeug, anzugeben, der sich durch eine reduzierte Radar-Signatur im Heckbereich auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Die Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass die Funktion des Höhenleitwerks und die Triebwerksauslässe in einer Baugruppe (diese Baugruppe wird im Fortgang der Beschreibung als Steuerelement bezeichnet) kombiniert werden. Diese Baugruppe ist mit Bezug zu dem Rumpf um eine Querachse schwenkbar, so dass die Baugruppe die Funktion des Höhenleitwerks erfüllt. Die Triebwerksauslässe sind in der Baugruppe integriert. Damit werden mehrere Vorteile in Bezug auf die Tarnung gegen Radar-Aufklärung erreicht: die Anzahl der gesonderten Elemente im Heckbereich des Rumpfes wird reduziert und die allgemein gegen Radar-Aufklärung schwierig zu tarnenden Triebwerksauslässe werden von der Außenwand der Baugruppe umgeben und eine direkte Sichtlinie hierauf wird aus einem Großteil der Blickwinkel unterbunden.
Gemäß einem Aspekt ist ein Rumpf für ein Luftfahrzeug angegeben. Der Rumpf weist ein Steuerelement mit einem integrierten Triebwerksauslass auf. Das Steuerelement ist an einem hinteren Ende des Rumpfes integriert, so dass das Steuerelement in Umfangsrichtung des Rumpfes bündig mit einer Außenhaut des Rumpfes abschließt. Eine Außenwand des Steuerelements umgibt den Triebwerksauslass, so dass der Triebwerksauslass in Richtung einer offenen Rückseite des Steuerelements gerichtet ist. Das Steuerelement ist so mit dem Rumpf verbunden, dass das Steuerelement gemeinsam mit dem Triebwerksauslass um eine Drehachse mit Bezug zu dem Rumpf schwenkbar ist, wobei die Drehachse quer zu einer Längsrichtung des Rumpfes verläuft und das Steuerelement bei einer Schwenkbewegung um die Drehachse als Höhenleitwerk fungiert.
Das Steuerelement schließt in Umfangsrichtung bündig mit dem Rumpf ab, wobei sich die Umfangsrichtung auf die Längsachse des Rumpfes bezieht und die Umfangsrichtung quer zu der Längsachse verläuft. Das Steuerelement stellt damit eine Verlängerung des Rumpfes nach hinten dar.
Als Rumpf wird vorliegend der Körper des Luftfahrzeugs verstanden, abgesehen von Steuerflächen und Tragflächen. Der Rumpf geht in das Steuerelement über, an der Übergangsstelle haben Rumpf und Steuerelement einen einander entsprechenden Querschnitt bzw. eine einander entsprechende Form. Die Breite und Höhe des Steuerelements entsprechen an der Übergangsstelle von Rumpf zu Steuerelement der Breite und Höhe des Rumpfes.
Das Steuerelement erfüllt die Aufgabe eines Höhenleitwerks. Das Steuerelement verfügt über Oberflächen, welche eine ausreichende Größe haben, um die Funktion eines Höhenleitwerks zu erfüllen. Weiterhin ist das Steuerelement ausreichend weit von einem Schwerpunkt des Rumpfes bzw. des gesamten Luftfahrzeugs entfernt, damit es die Aufgabe eines Höhenleitwerks erfüllen kann, wenn es aus einer Ausgangsposition (in der Regel ist die Ausgangsposition so definiert, dass der Triebwerksauslass entlang einer Längsrichtung des Rumpfes verläuft) um die Drehachse nach oben oder nach unten geschwenkt wird. Wenn das Steuerelement aus der Ausgangsposition herausgeschwenkt wird, dann übt eine obere Fläche bzw. eine untere Fläche des Steuerelements ein ausreichendes Moment um eine Querachse des Rumpfes aus, um während des Betriebs eine Bewegung des Luftfahrzeugs um die Querachse zu verursachen. Das Steuerelement ersetzt ein komplettes Höhenleitwerk, welches üblicherweise gesondert von dem Triebwerk bereitgestellt wird, beispielsweise als Steuerflächen am Heck des Luftfahrzeugs (entweder am hinteren Ende des Rumpfes oder der Tragflächen) oder vor den Tragflächen (sog. Entenflügel bzw. Canard).
Weil die Triebwerksauslässe in dem Steuerelement integriert sind, wird der Triebwerksauslass ebenfalls geschwenkt, wenn das Steuerelement mit Bezug zu dem Rumpf um die Drehachse geschwenkt wird. Damit fungiert der Triebwerksauslass als Schubvektordüse. Weil die Richtung des Triebwerksauslasses verändert wird, wird hierdurch zusätzlich zu den Flächen des Steuerelements ein höheres Moment um die Querachse erzeugt.
Der hier beschriebene Aufbau eignet sich insbesondere für ein Strahl- oder Düsentriebwerk. Als Triebwerksauslass wird vorliegend ein Abschnitt des Triebwerks verstanden, der sich entlang der Längsrichtung des Rumpfes zumindest innerhalb des Steuerelements erstreckt. Der Triebwerksauslass kann sich abschnittsweise aus dem Steuerelement auch in den Rumpf hinein erstrecken. Der Triebwerksauslass beinhaltet damit mindestens die rückwärtige Auslassöffnung des Triebwerks und weitere Elemente, die sich vor der Auslassöffnung befinden. Das hintere Ende des Triebwerksauslasses befindet sich bevorzugt vor der hinteren Kante der Außenwand des Steuerelements oder maximal auf gleicher Höhe mit der hinteren Kante der Außenwand.
Der Rumpf kann ein einzelnes Triebwerk oder mehrere Triebwerke, insbesondere zwei Triebwerke, aufweisen. Die Triebwerksauslässe aller Triebwerke sind von der Außenwand des Steuerelements umgeben. Nach außen hin ist also nur ein Element zu sehen, was die Radarsignatur niedrig hält.
In anderen Worten kombiniert das hier beschriebene Steuerelement die Funktion von aerodynamischen Steuerflächen, insbesondere eines Höhenleitwerks, und des Triebwerksauslasses in einem Element, welches in das hintere Ende des Rumpfes integriert ist und dort um eine Querachse geschwenkt werden kann, um seine vorgesehene Funktion zu erfüllen. Das Steuerelement schließt sich bündig an den Rumpf an. Durch diesen Aufbau wird die Anzahl der Bauteile, insbesondere der Bauteile mit einer signifikanten Radarsignatur bzw. der Bauteile, die nur mit vergleichsweise hohem Aufwand gegen Radaraufklärung getarnt werden können, am Heck des Rumpfes reduziert. Die Außenwand des Steuerelements umrahmt den Triebwerksauslass, so dass die Anzahl der Kanten im Heckbereich des Rumpfes reduziert wird und die verbleibenden von außen sichtbaren Kanten darüber hinaus länger sind, so dass die Tarnung gegen Radaraufklärung verbessert wird.
Das Steuerelement wird als primäre und vollwertige Steuerfläche des Luftfahrzeugs betrachtet und wird bevorzugt in allen Belangen redundant angesteuert, d.h. es sind mindestens zwei Aktuatoren vorgesehen, welche die Bewegung des Steuerelements um dessen Querachse mit Bezug zu dem Rumpf veranlassen. Die Aktuatoren üben eine Kraft auf das Steuerelement bevorzugt über voneinander unabhängige und getrennte Mechaniken aus, so dass das Steuerelement auch dann noch angesteuert werden und seine Funktion als Höhenleitwerk ausüben kann, wenn ein Aktuator und/oder eine zugehörige Mechanik ausfällt. Im Gegensatz dazu ist bei einer herkömmlichen Runddüse die Verstellung der die konvergente und divergente Düse bildenden Platten oder Blätter üblicherweise einfach und nicht redundant ausgestaltet. Die Platten oder Blätter, welche den konvergenten und/oder divergenten Düsenabschnitt bilden, sind damit keine primäre Steuerfläche des Luftfahrzeugs.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Triebwerksauslass als Schubvektordüse ausgestaltet.
Die Orientierung des Triebwerksauslasses kann variiert werden. Damit verändert sich der Schubvektor, so dass im Betrieb ein entsprechendes Moment auf den Rumpf ausgeübt wird. Die Schubvektordüse unterstützt damit die Funktion des Steuerelements in seiner Aufgabe als Höhenleitwerk.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Triebwerksauslass einen konvergenten Düsenabschnitt und einen in Längsrichtung dahinter angeordneten divergenten Düsenabschnitt auf.
Der Abgasstrahl des Triebwerks durchströmt zunächst den konvergenten Düsenabschnitt und dann den divergenten Düsenabschnitt. Der divergente Düsenabschnitt ist näher an der rückwärtigen Auslassöffnung des Triebwerks angeordnet als der konvergente Düsenabschnitt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der konvergente Düsenabschnitt zwei Steuerblätter auf, welche relativ zueinander verstellbar sind, so dass ein Querschnitt des konvergenten Düsenabschnitts veränderbar ist.
Es ist auch denkbar, dass der konvergente Düsenabschnitt mehr als zwei Steuerblätter aufweist, um den Querschnitt des konvergenten Düsenabschnitts zu verändern. Wobei die bevorzugte Variante jedoch mit zwei Steuerblättern ausgestaltet ist. Die zwei Steuerblätter befinden sich beispielsweise lateral und einander gegenüberliegend an dem Triebwerksauslass und können aufeinander zu oder voneinander weg geschwenkt werden. Hierbei verändert sich ein Verhältnis der Querschnitte auf der Einlassseite des konvergenten Düsenabschnitts und auf der Auslassseite des konvergenten Düsenabschnitts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der divergente Düsenabschnitt zwei Steuerblätter auf, wobei die Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts relativ zueinander verstellbar sind, so dass ein Querschnitt des divergenten Düsenabschnitts veränderbar ist, oder wobei die Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts gemeinsam so verstellbar sind, dass ein Querschnitt des divergenten Düsenabschnitts gleichbleibt und eine Auslassrichtung des Triebwerksauslasses verändert wird.
Der divergente Düsenabschnitt wird in der Regel in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck angepasst und steuert das Druckverhältnis zwischen Innendruck und Außendruck. Der divergente Düsenabschnitt wird zumeist an die Flughöhe angepasst.
In dem vorliegenden Zusammenhang mit einer Integration des Triebwerksauslasses in das Steuerelement besteht der konvergente und der divergente Düsenabschnitt jeweils aus zwei schwenkbaren Steuerblättern. Wenn nur zwei schwenkbare Steuerblätter verwendet werden, anstatt mehreren Klappen wie bei einer herkömmlichen Runddüse, wird die Radar-Signatur zusätzlich reduziert.
Der divergente Düsenabschnitt kann ebenso wie der konvergente Düsenabschnitt mehr als zwei Steuerblätter aufweisen oder bevorzugt genau zwei Steuerblätter aufweisen. Diese zwei Steuerblätter können so bewegt werden, dass sich ein Verhältnis der Querschnitte auf der Einlassseite des divergenten Düsenabschnitts und auf der Auslassseite des divergenten Düsenabschnitts verändert. Alternativ können die Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts so bewegt werden, dass dieses Verhältnis der Querschnitte auf Einlassseite und Auslassseite gleichbleibt und die Steuerblätter gemeinsam in eine Seitenrichtung des Rumpfes geschwenkt werden und hierbei die Ausströmrichtung des Abgasstrahls aus dem divergenten Düsenabschnitts seitlich verändert wird, um ein Drehmoment um die Hochachse des Luftfahrzeugs hervorzurufen, was eine sog. Gierbewegung herbeiführt. Dies kann dazu beitragen, die Wirkung eines Seitenleitwerks des Luftfahrzeugs zu verstärken bzw. das Seitenleitwerk in seiner Funktion zu unterstützen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Querschnitt des konvergenten Düsenabschnitts unabhängig von dem Querschnitt des divergenten Düsenabschnitts veränderbar.
Bei der Bewegung der Steuerblätter des konvergenten Düsenabschnitts können sich die Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts so bewegen, dass die Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts unter Beibehaltung ihres Winkels aufeinander zu oder voneinander weg verschoben werden. Beispielsweise werden die Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts parallel aufeinander zu oder voneinander weg verschoben, wenn die Steuerblätter des konvergenten Düsenabschnitts bewegt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts abgewinkelt und jedes Steuerblatt des divergenten Düsenabschnitts trifft in einem von 90° abweichenden Winkel auf die Außenwand des Steuerelements.
Die Steuerblätter sind nicht eben und flach, sondern sind in Form eines stumpfen Winkels ausgestaltet, dessen Konturen den Konturen der Seitenfläche des Steuerelements entsprechen. Somit wird vermieden, dass im Inneren des Steuerelements ein sog. Eck-Reflektor gebildet wird, wodurch die Radar-Signatur des Luftfahrzeugs weiter reduziert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine rückwärtige Kante der Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts gezackt.
Durch diese Ausgestaltung wird die Luft am Triebwerksauslass verwirbelt, was zu einer besseren Durchmischung des heißen Abgasstrahls mit der kühleren Umgebungsluft führt und eine Wärmesignatur des Luftfahrzeugs reduziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Steuerelement beidseitig eine laterale Düsenabdeckung auf, wobei jede laterale Düsenabdeckung mit einem Steuerblatt des divergenten Düsenabschnitts verbunden ist und von dem Steuerblatt des divergenten Düsenabschnitts mitgeführt wird, wenn dieses sich bewegt.
Die laterale Düsenabdeckung bildet die seitliche äußere Oberfläche der Außenwand des Steuerelements und verschließt eine Sichtlinie auf die Steuerblätter des konvergenten und divergenten Düsenabschnitts sowie auf die Mechanik zum Bewegen der entsprechenden Steuerblätter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Triebwerksauslass mindestens abschnittsweise doppelwandig ausgestaltet, so dass ein Kühlfluid durch den doppelwandigen Abschnitt geführt werden kann.
Bevorzugt ist der Triebwerksauslass zwischen dem Triebwerk und bis einschließlich des konvergenten Düsenabschnitts doppelwandig ausgestaltet. Es wird damit ein Hohlraum gebildet, welcher das Triebwerk und den Triebwerksauslass umgibt. Durch diesen Hohlraum kann ein Kühlfluid, beispielsweise kühle Umgebungsluft, geführt werden, um das Triebwerk und den Triebwerksauslass sowie die zugehörigen Komponenten zu kühlen. Am Übergang von dem konvergenten Düsenabschnitt zu dem divergenten Düsenabschnitt tritt die Kühlluft aus dem Hohlraum aus und strömt entlang der Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts, so dass auch die Steuerblätter des divergenten Düsenabschnitts gekühlt werden.
Ein Flugzeug, das mit einem Rumpf wie hier beschrieben ausgestattet ist, hat aus verschiedenen Perspektiven eine geringe Radarsignatur, und zwar nicht nur von vorne, sondern auch von der Seite und auch von hinten. Obwohl der Triebwerksauslass als Schubvektordüse ausgestaltet ist, was eine Vielzahl von beweglichen Elementen erfordert, wird durch die Integration des Triebwerksauslasses in das Steuerelement die Radar-Signatur gering gehalten. Der Rumpf wie hier beschrieben kann insbesondere auch für überschallfähige Kampfflugzeuge Verwendung finden.
Figurenliste
Weitere Details werden mit Bezug zu den Figuren beschrieben. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Luftfahrzeugs.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Luftfahrzeugs mit einem Rumpf, der gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien aufgebaut ist.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuerelements mit integriertem Triebwerksauslass.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Steuerelements mit integriertem Triebwerksauslass, wobei das Steuerelement in verschiedenen Positionen gezeigt ist.
5 zeigt eine schematische Darstellung des konvergenten und divergenten Düsenabschnitts des Triebwerksauslasses.
6 zeigt eine schematische Darstellung des konvergenten Abschnitts des Triebwerksauslasses.
7 zeigt eine schematische Darstellung des Triebwerksauslasses mit einem Hohlraum für vorbeiströmende Kühlluft.
8 zeigt eine schematische Darstellung des Triebwerksauslasses mit einer Vorrichtung zur Schubumkehr.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt ein Luftfahrzeug 1 in Form eines Strahlflugzeugs mit zwei Triebwerken. Es ist zu verstehen, dass die Bezugnahme auf ein Flugzeug auch stets bedeutet, dass die entsprechende Aussage sich allgemein auf ein Luftfahrzeug beziehen kann.
Das Luftfahrzeug 1 weist einen Rumpf 3 mit seitlich daran angeordneten Tragflächen 5 auf. Daneben weist das Luftfahrzeug 1 noch Steuerflächen (Höhenleitwerk, Seitenleitwerk, Landeklappen, etc.) auf, welche an dem Rumpf oder den Tragflächen angeordnet sind. Beispielhaft gezeigt sind hier die Seitenleitwerke 12 sowie das Höhenleitwerk 13 an der hinteren Kante der Tragflächen 5.
An dem Rumpf sind Lufteinlassöffnungen 7 angeordnet, typischerweise seitlich an dem Rumpf und unterhalb der Tragflächen 5. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Positionierung der Lufteinlassöffnungen hier lediglich beispielhaft gezeigt wird und nicht maßgeblich für die Ausgestaltung der beschriebenen Lufteinlassvorrichtung ist.
Die Lufteinlassöffnungen 7 nehmen Luft aus der Umgebung auf und leiten diese unter anderem an das Triebwerk 10 oder die Triebwerke 10 weiter. Die Luft wird von der Lufteinlassöffnung 7 über einen Kanal zu dem Triebwerk 10 bzw. seiner ersten Verdichterstufe geführt.
Um die Radarsignatur eines Luftfahrzeugs gering zu halten, werden mitunter verschiedene Maßnahmen ergriffen. Eine davon ist, eine direkte Sichtlinie von vorne auf das Triebwerk und seine erste Verdichterstufe zu vermeiden, weil das Triebwerk bzw. dessen erste Verdichterstufe ein sehr starker Reflektor für Radarsignale ist. Solche Maßnahmen betreffend die Lufteinlassöffnung 7 dienen als Tarnung gegen Radar-Aufklärung von vorne. Andere Maßnahmen sind die Ausgestaltung der Außenkontur des Flugzeugs nach bestimmten Konstruktionsprinzipien (lange Kanten, parallelverlaufende Kanten und Flächen, wie oben bereits beschrieben).
Der Fokus dieser Beschreibung liegt auf der Ausgestaltung des Hecks des Flugzeugs 1, welche dergestalt ausfällt, um eine Radar-Signatur des Hecks und der Triebwerksauslässe zu reduzieren.
1 zeigt ein Flugzeug mit zwei Triebwerken 10. Es ist zu erkennen, dass die obere Fläche des Rumpfes eine mehrfach gekrümmte Fläche ist, was aus dem Vorhandensein der zwei Triebwerke sowie von zwei Triebwerksauslässen am Heck des Flugzeugs resultiert.
In 2 ist ein Flugzeug 1 mit einem Rumpf 3 gezeigt, dessen hinteres Ende 2 nach den hier beschriebenen Prinzipien ausgestaltet ist.
Am hinteren Ende des Rumpfes 3 schließt sich ein Steuerelement 20 mit integrierter Schubvektordüse an. Das Flugzeug 1 ist grundsätzlich ähnlich zu dem Flugzeug 1 aus 1 aufgebaut. 2 unterscheidet sich von 1 lediglich durch die Verwendung des Steuerelements 20 sowie einigen weiteren Anpassungen an der Form des Rumpfes 3. Während die Oberfläche des Rumpfes 3 in 1 an der Oberseite des Rumpfes eine mehrfach gekrümmte Form annimmt, um in die Form der Triebwerksauslässe 10 überzugehen, hat der Rumpf 3 in 2 eine nahezu ebene und höchstens geringfügig gekrümmte obere Fläche an der Außenhaut 4. Durch die Verwendung des Steuerelements 20 kann also die Außenhaut 4 zu einem großen Teil eben und flach ausgestaltet werden, anstatt mehrfach gekrümmte Abschnitte wie in 1 zu enthalten. Ebenso kann der Rumpf 3 der 2 auf der Unterseite des Rumpfes eben und flach ausgestaltet sein, wie auch an der Außenhaut 4 für die obere Fläche gezeigt und beschrieben.
Das Seitenleitwerk 12 führt einen Luftstrom entlang der oberen Fläche des Rumpfes zu dem Steuerelement 20, so dass das Steuerelement mit dessen oberen Steuerfläche als Höhenleitwerk fungieren und ein Moment um eine Querachse des Rumpfes (sog. Nickbewegung) erzeugen kann. Dasselbe gilt für die unter Fläche des Rumpfes, welche einen Luftstrom zu der unteren Steuerfläche des Steuerelements 20 führt. Damit hat das Steuerelement 20 eine gute aerodynamische Wirkung, wenn es als Höhenleitwerk verwendet wird und aus seinem Ausgangszustand, der in 2 gezeigt ist, ausgelenkt wird.
Die Tragflächen 5 können weitere Steuerflächen 13 an deren Hinterkante aufweisen. Diese Steuerflächen 13 können beispielsweise als Landeklappen eingesetzt werden. Die Steuerflächen 13 können aber auch zusätzlich als Höhenleitwerk fungieren, wenn in einem besonderen Manöver ein stärkeres Moment um die Querachse des Rumpfes 3 erzeugt werden muss. Weiterhin können die Steuerflächen 13 verwendet werden, um ein Moment um die Längsachse des Rumpfes zu erzeugen (sog. Rollbewegung), beispielsweise indem eine Steuerfläche 13 an einer Tragfläche nach oben und eine Steuerfläche der anderen Tragfläche nach unten ausgelenkt wird. Der 2 ist auch zu entnehmen, dass die Außenkontur des Rumpfes nahtlos in die Außenkontur des Steuerelements 20 übergeht und dass das Steuerelement 20 sehr wenigen außen sichtbaren Kanten und Flächen hat (im Vergleich zu einer Runddüse mit mehreren in Umfangsrichtung der Runddüse beweglich angeordneten Platten).
3 zeigt eine Ansicht von hinten auf das Steuerelement 20. Das Steuerelement 20 weist eine Außenwand 40 auf, welche die Elemente des Steuerelements in Umfangsrichtung umgibt. Das Steuerelement 20 weist eine obere Steuerfläche 21 und eine untere Steuerfläche 22 auf. Die Triebwerksauslässe 23 sind als rückwärtige Öffnungen der Triebwerksdüse zu erkennen. Die Triebwerksauslässe 23 sind jeweils von zwei Düsensteuerblättern 24 seitlich begrenzt. Die Düsensteuerblätter 24 sind so schwenkbar, dass ein Querschnitt der rückwärtigen Öffnung der Triebwerksauslässe 23 verändert werden kann, indem die Düsensteuerblätter 24 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden.
Die Düsensteuerblätter 24 sind abgewinkelt und ihre oberen und unteren Kanten treffen in einem von 90° abweichenden Winkel auf den oberen und unteren Abschnitt der Außenwand 40. Insbesondere sind die Düsensteuerblätter 24 in einem solchen Winkel abgewinkelt, dass sie dem Winkel des seitlichen Abschnitts der äußeren Oberfläche der Außenwand entsprechen, um dem Konstruktionsprinzip der zueinander parallel verlaufenden Kanten zu entsprechen.
4 zeigt eine Seitenansicht des Steuerelements 20 sowie einen Abschnitt des Triebwerks 10, der in das Steuerelement 20 übergeht. Der das Triebwerk 10 umgebende Rumpf ist in dieser Darstellung nicht gezeigt. 4 zeigt das Steuerelement 20 in drei verschiedenen Zuständen A, B, C.
Als Ausgangszustand des Steuerelements 20 kann der Zustand B bezeichnet werden. Das Steuerelement 20 ist so ausgerichtet, dass es parallel zu der Längsrichtung 8 bzw. Längsachse des Rumpfes verläuft. In diesem Zustand wird während des Betriebs des Flugzeugs von dem Steuerelement 20 kein Moment um die Querachse erzeugt.
Aus dem Ausgangszustand B kann das Steuerelement 20 nach oben (Zustand A) oder nach unten (Zustand C) bewegt werden, und zwar mit Hilfe eines Aktuators 25, der ein Ansteuersignal von einem Flugsteuercomputer erhält, wobei das Ansteuersignal von einem Autopiloten oder einem Steuerelement, das von einem menschlichen Piloten bedient wird, ausgegeben wird. Der Aktuator 25 übt eine Kraft auf das Steuerelement 20 aus, so dass das Steuerelement 20 eine Schwenkbewegung um die Drehachse 26 ausführt.
Auch wenn in 4 lediglich ein Aktuator 25 gezeigt ist, sollte verstanden werden, dass aus Redundanzgründen mehr als ein Aktuator mitsamt zugehöriger Mechanik vorgesehen sein kann, um die Position des Steuerelements 20 zu verändern.
In Zustand A erzeugt die über die obere Steuerfläche 21 strömende Luft ein Moment, welches den Rumpf um seine Querachse dreht. Wenn das Steuerelement 20 in den Zustand A bewegt wird, schiebt sich die obere Fläche 21 rumpfseitig unter eine Mantelfläche 27 und die untere Steuerfläche ist immer noch von der Mantelfläche 27 bedeckt, so dass keine Öffnung in der Außenhaut des Flugzeugs entsteht, wenn die Steuerfläche 20 aus dem Ausgangszustand B in einen ausgelenkten Zustand A, C bewegt wird. Das Gleiche gilt im Zustand C für die obere und untere Steuerfläche des Steuerelements 20.
Die Mantelfläche 27 kann Teil des Rumpfes 3 oder Teil des Steuerelements 20 sein. Jedenfalls bewegt sich die Mantelfläche 27 nicht um die Drehachse 26, sondern ist statisch mit Bezug zu dem Rumpf. Die obere und untere Steuerfläche 21, 22 des Steuerelements schieben sich unter die Mantelfläche bzw. werden darunter herausgezogen, wenn das Steuerelement 20 seine Schwenkbewegung um die Drehachse 26 ausführt.
In 4 sind die seitlichen Abschnitte der Außenwand nicht zu sehen, um den Blick auf den Aktuator 25, die Drehachse 26 und die Düsensteuerblätter 24 zu ermöglichen. Es sollte jedoch verstanden werden, dass diese Elemente im Betrieb des Luftfahrzeugs von der Außenwand verdeckt sind.
5 zeigt eine schematische Darstellung des Triebwerksauslasses in der Draufsicht mit dem konvergenten Düsenabschnitt 28 und dem divergenten Düsenabschnitt 29. Der Triebwerksauslass ist seitlich von den Düsenabdeckungen 30 abgedeckt.
In 5 sind zwei Triebwerksauslässe gezeigt, in Übereinstimmung mit 2 und 3. Es sollte jedoch erkannt werden, dass die hier beschriebenen Prinzipien für ein einzelnes Triebwerk oder mehrere Triebwerke Verwendung finden können.
Ein Steuerelement 20 wie hierin beschrieben kann auch gesondert für jeweils ein Triebwerk bereitgestellt werden. Wenn diese beiden Triebwerke mit einem gewissen Abstand von einer Mittelachse des Rumpfes entfernt sind, dann kann mittels zweier Steuerelemente, welche voneinander getrennt und beabstandet sind, über eine separate Ansteuerung auch ein Drehmoment um die Längsachse (Rollen) des Rumpfes erzeugt werden, indem beispielsweise das eine Steuerelement nach oben und das andere Steuerelement nach unten ausgelenkt wird.
Mit Bezug auf das in 5 obere Triebwerk werden die Details des konvergenten Düsenabschnitts 28 und des divergenten Düsenabschnitts 29 erläutert. Der konvergente Düsenabschnitt 28 wird von zwei einander gegenüberliegenden Steuerblättern 31 gebildet. Diese laufen in Richtung Auslassöffnung (nach rechts) konisch zu, d.h. der Querschnitt der Düse wird in dem konvergenten Düsenabschnitt reduziert. Ein Aktuator 34 ist über Verbindungsstangen mit den Steuerblättern 31 verbunden und ist ausgeführt, die Steuerblätter 31 zu bewegen, so dass ein Verhältnis des Querschnitts A₇ (Einlassseite des konvergenten Düsenabschnitts) zu dem Querschnitt A₈ (Auslassseite des konvergenten Düsenabschnitts) variiert werden kann. Zusätzlich ist ein Aktuator 35 mit den Steuerblättern 32 des divergenten Düsenabschnitts 29 verbunden und ausgestaltet, die Steuerblätter 32 zu bewegen, um ein Verhältnis des Querschnitts A₈ (Einlassseite des divergenten Düsenabschnitts) zu dem Querschnitt A₉ (Auslassseite des divergenten Düsenabschnitts) zu variieren.
Der Aktuator 35 für den divergenten Düsenabschnitt 29 ist über Verbindungsstangen 33 mit den Steuerblättern 31 und der Außenwand des Steuerelements verbunden.
Somit werden die Steuerblätter 32 des divergenten Düsenabschnitts 29 mitgeführt, wenn die Steuerblätter 31 des konvergenten Düsenabschnitts 28 bewegt werden.
Auch wenn die Steuerblätter 32 des divergenten Düsenabschnitts 29 in 5 parallel zueinander verlaufen, können diese Steuerblätter 32 verschiedene Stellungen zueinander und bezogen auf das Steuerelement einnehmen. Die Steuerblätter 32 können in eine Position gebracht werden, dass der Querschnitt A₉ größer ist als der Querschnitt A₈. Die Steuerblätter 32 beider Triebwerksauslässe können beide gleichzeitig seitlich in dieselbe Richtung oder unterschiedliche Richtungen geschwenkt werden (in der Darstellung der 5 nach oben oder nach unten, also in Richtung einer Düsenabdeckung). Werden beide Steuerblätter 32 beider Triebwerksauslässe gemeinsam und gleichzeitig in Richtung der oberen oder unteren Düsenabdeckung 30 geschwenkt, wird hierdurch ein Moment um die Hochachse des Flugzeugs (Gierbewegung) erzeugt. Werden die beiden Steuerblätter 32 des oberen Triebwerksauslasses seitlich in eine erste Richtung ausgeschwenkt (weg von der Mittelachse des Rumpfes) und die beiden Steuerblätter 32 des unteren Triebwerksauslasses seitlich in die andere Richtung, entgegengesetzt zu der ersten Richtung, seitlich ausgeschwenkt, dass ein Abstand 38 zwischen den inneren Steuerblättern 32 vergrößert oder maximal wird, so kann eine Bremswirkung erzeugt werden. Die Steuerflächen 32 des divergenten Düsenabschnitts 29 können auch so ausgelenkt werden, dass ein Abstand 38 zwischen den inneren Steuerblättern 32 minimal wird. Durch diesen reduzierten Abstand zwischen den beiden Triebwerksauslässen wird die Radar-Signatur ebenfalls reduziert.
6 zeigt eine schematische isometrische Darstellung der Steuerblätter 31 des konvergenten Düsenabschnitts 29. In dem Beispiel der 6 werden zwei Paar Steuerblätter 31 gezeigt, wobei jeweils ein Paar Steuerblätter 31 einem Triebwerk zugeordnet sind. Die Steuerblätter 31 eines Triebwerks werden mittels des Aktuators 34 über ein Gestänge oder ein Getriebe so aufeinander zu bewegt, dass das in 5 gezeigte Verhältnis der Querschnitte A₇ und A₈ variiert wird. Die Aktuatoren 34 werden von einem Flugsteuerungscomputer gesteuert.
Sämtliche hierin beschriebenen Aktuatoren 25, 34, 35 können als hydraulischer, elektrischer oder elektrohydraulischer Antrieb ausgestaltet sein. Die Aktuatoren erzeugen eine Bewegung, die auf ein zu bewegendes Element mittels einer Mechanik, beispielsweise in Form eines Gestänges und/oder Getriebes, übertragen wird. Die Aktuatoren können eine Linearbewegung oder eine Drehbewegung ausführen.
Fig, 7 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des Triebwerks 10 und des Steuerelements 20. In 7 ist das Steuerelement 20 ohne Auslenkung um die Drehachse gezeigt, also in demselben Zustand wie in 4, B. Das bedeutet, dass die obere Steuerfläche 21 und die untere Steuerfläche 22 eine entlang der Außenhaut des Rumpfes strömende Luft nicht ablenken und damit kein Moment um die Querachse des Luftfahrzeugs erzeugen.
Wie der 7 entnommen werden kann, ist eine hintere Kante der Steuerblätter 32 des divergenten Düsenabschnitts zick-zack-förmig und bildet keine einzelne, durchgängige, und geradlinige Abrisskante. Das erhöht die effektive Länge der gesamten hinteren Kante und sorgt auch dafür, dass die heißen Abgase aus dem Triebwerk besser mit der Umgebungsluft vermischt werden, um eine Wärmesignatur des Luftfahrzeugs zu reduzieren.
Die äußere Wand des Triebwerks 10 ist doppelwandig mit einem Kühlluftkanal 36 gestaltet. In dem Kühlluftkanal 36 strömt kühle Luft aus der Umgebung entlang der Längsachse des Triebwerks in Richtung des Triebwerksauslasses. Diese Luft kühlt das Triebwerk. Im Bereich des konvergenten Düsenabschnitts und der zugehörigen Steuerblätter strömt die Kühlluft aus dem Kühlluftkanal 36 nach innen, beispielsweise durch Öffnungen in der inneren Wand des Kühlluftkanals. Die kühle Luft aus dem Kühlluftkanal kann sich an dieser Stelle mit den heißen Abgasen des Triebwerks durchmischen und die Abgase abkühlen. Die aus dem Kühlluftkanal austretende Luft strömt auf Grund der Druck- und Strömungsverhältnisse in dem Triebwerksauslass nahe der Wand des Triebwerksauslasses in Richtung der Auslassöffnung. Daher strömt die kühle Luft auch entlang der Steuerblätter 32 des divergenten Düsenabschnitts und kühlt diese ebenfalls.
8 zeigt eine weitere Funktion des Triebwerks 10. In Zustand A ist das Triebwerk so gezeigt wie auch in 7 oben, d.h. ohne Auslenkung des Steuerelements 20 um die Drehachse.
Das Triebwerk 10 ist jedoch um zwei innere Umlenkplatten 37A (und einem zugehörigen Antrieb, beispielsweise in Form eines Aktuators/Motors samt Getriebe und Gestänge) erweitert, welche von unten bzw. oben aufeinander zu bewegt werden können, um den Abgasstrom des Triebwerks umzulenken, so dass eine Schubumkehr bewirkt wird.
Der Zustand der Schubumkehr ist in 8 unten, gekennzeichnet mit dem Buchstaben B, gezeigt. Die inneren Umlenkplatten 37A sind nach unten bzw. oben geschwenkt und liegen so aneinander an, dass sie den Weg der Treibwerkabgase zu der hinteren Auslassöffnung blockieren und die Abgase nach oben bzw. unten umlenken, wie durch die beiden Pfeile veranschaulicht.
Wenn die inneren Umlenkplatten 37A aus dem Zustand A der 8 in den Zustand B der 8 geschwenkt werden, werden Öffnungen an den Außenwänden des Triebwerks freigegeben, indem äußere Umlenkplatten 37B aus einer geschlossenen Position (Zustand A) in eine geöffnete Position (Zustand B) geschwenkt werden und die Abgase gegen die Flugrichtung aus des Luftfahrzeugs auslassen. Die von den äußeren Umlenkplatten 37B geschlossenen bzw. freigegebenen Öffnungen sind vor den inneren Umlenkplatten 37A angeordnet sind. Somit bewirken die Umlenkplatten 37A, 37B eine Schubumkehr.
Es wird darauf hingewiesen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte und auch keine höhere Anzahl an Elementen und Schritten als explizit angegeben ausschließt, als in den Ansprüchen und/oder der Beschreibung angegeben. „Ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, können auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Luftfahrzeug
2.: hinteres Ende
3: Rumpf
4: Außenhaut
5: Tragflächen
6: Rückseite
7: Lufteinlassöffnung
8: Längsrichtung
9: Lufteinlasskanal
10: Triebwerk
12: Seitenleitwerk
13: Steuerflächen
20: Steuerelement mit integrierter Schubvektordüse
21: obere Steuerfläche
22: unter Steuerfläche
23: Triebwerksauslass, Triebwerksdüse
24: Düsensteuerblatt
25: Aktuator
26: Drehachse
27: Mantelfläche
28: konvergenter Düsenabschnitt
29: divergenter Düsenabschnitt
30: Düsenabdeckung
31: Steuerblatt des konvergenten Düsenabschnitts
32: Steuerblatt des divergenten Düsenabschnitts
33: Verbindungsstange
34: Aktuator des konvergenten Düsenabschnitts
35: Aktuator des divergenten Düsenabschnitts
36: Kühlluftkanal
37: Umlenkplatten
38: Abstand
40: Außenwand

Claims

Rumpf (3) für ein Luftfahrzeug (1), der Rumpf aufweisend: ein Steuerelement (20) mit einem integrierten Triebwerksauslass (23), wobei das Steuerelement (20) an einem hinteren Ende (2) des Rumpfes (3) integriert ist, so dass das Steuerelement (20) in Umfangsrichtung des Rumpfes (3) bündig mit einer Außenhaut (4) des Rumpfes abschließt; wobei eine Außenwand (40) des Steuerelements (20) den Triebwerksauslass (23) umgibt, so dass der Triebwerksauslass (23) in Richtung einer offenen Rückseite (6) des Steuerelements (20) gerichtet ist; wobei das Steuerelement (20) mit dem Rumpf (3) so verbunden ist, dass das Steuerelement (20) gemeinsam mit dem Triebwerksauslass (23) um eine Drehachse (26) mit Bezug zu dem Rumpf (3) schwenkbar ist; wobei die Drehachse (26) quer zu einer Längsrichtung (8) des Rumpfes (3) verläuft und das Steuerelement (20) bei einer Schwenkbewegung um die Drehachse (26) als Höhenleitwerk fungiert.
Rumpf (3) nach Anspruch 1, wobei der Triebwerksauslass (23) als Schubvektordüse ausgestaltet ist.
Rumpf (3) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Triebwerksauslass (23) einen konvergenten Düsenabschnitt (28) und einen in Längsrichtung dahinter angeordneten divergenten Düsenabschnitt (29) aufweist.
Rumpf (3) nach Anspruch 3, wobei der konvergente Düsenabschnitt (28) zwei Steuerblätter (31) aufweist, welche relativ zueinander verstellbar sind, so dass ein Querschnitt des konvergenten Düsenabschnitts veränderbar ist.
Rumpf (3) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der divergente Düsenabschnitt (29) zwei Steuerblätter (32) aufweist; wobei die Steuerblätter (32) des divergenten Düsenabschnitts relativ zueinander verstellbar sind, so dass ein Querschnitt des divergenten Düsenabschnitts veränderbar ist; oder wobei die Steuerblätter (32) des divergenten Düsenabschnitts gemeinsam so verstellbar sind, dass ein Querschnitt des divergenten Düsenabschnitts gleichbleibt und eine Auslassrichtung des Triebwerksauslasses verändert wird.
Rumpf (3) nach Anspruch 5, wobei der Querschnitt des konvergenten Düsenabschnitts unabhängig von dem Querschnitt des divergenten Düsenabschnitts veränderbar ist.
Rumpf (3) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuerblätter (32) des divergenten Düsenabschnitts abgewinkelt sind und jedes Steuerblatt (32) des divergenten Düsenabschnitts in einem von 90° abweichenden Winkel auf die Außenwand (40) des Steuerelements trifft.
Rumpf (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei eine rückwärtige Kante der Steuerblätter (32) des divergenten Düsenabschnitts gezackt ist.
Rumpf (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Steuerelement (30) beidseitig eine laterale Düsenabdeckung (30) aufweist; wobei jede laterale Düsenabdeckung (30) mit einem Steuerblatt (32) des divergenten Düsenabschnitts (29) verbunden ist und von dem Steuerblatt (32) des divergenten Düsenabschnitts (29) mitgeführt wird, wenn dieses sich bewegt.
Rumpf (3) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Triebwerksauslass (23) mindestens abschnittsweise doppelwandig ausgestaltet ist, so dass ein Kühlstrom durch den doppelwandigen Abschnitt geführt werden kann.