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Zusammenfassung
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Die Erfindung betrifft einen Flügel mit verschwenk- oder verfahrbarer Hinterkantenklappe und einem daran fest oder drehbar befestigten Stopfen, der im ausgefahrenen Zustand einen aerodynamisch günstigen Verschluss der Flügelhinterkante bildet. Im ein- und teilweise ausgefahrenen Zustand hat die Flügel-Klappen-Kombination eine strömungsgünstige Kontur für minimalen Widerstand und im ganz ausgefahrenen Zustand sind Wölbung und Flügelfläche für maximalen Auftriebsgewinn stark vergrößert. Dabei bleibt der Quotient aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert für beide Klappenpositionen etwa gleich.
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Stand der Technik
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Widerstandsarme Flügelprofile haben nur einen verhältnismäßig geringen maximalen Auftriebsbeiwert, weshalb schon früh bewegliche Klappen genutzt wurden, um den maximalen Auftriebsbeiwert zu erhöhen. Dies wirkt sich jedoch in der Regel negativ auf den Widerstandsbeiwert aus, so dass der Quotient aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert, der als eine Gütezahl eines Flügelprofils gelten kann, mit ausgefahrener Klappe schlechter wird.
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Besonders bei Segelflugzeugen ist eine widerstandsgünstige Flügelkonfiguration nahe des maximalen Auftriebsbeiwerts wünschenswert, um beim Kreisen in thermischen Aufwinden besonders enge Kreise fliegen zu können. Zugleich muss beim Fliegen zwischen Aufwinden ein günstiger Quotient aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert möglich sein, um aus einer gegebenen Höhe möglichst weit fliegen zu können.
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Gleichermaßen ist eine widerstandsgünstige Flügelkonfiguration nahe des maximalen Auftriebsbeiwerts für elektrisch angetriebene Motorflugzeuge der allgemeinen Luftfahrt wünschenswert, damit sie kurze Startstrecken und niedrige Minimalfluggeschwindigkeit mit hoher Reisefluggeschwindigkeit bei einem günstigen Quotienten aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert kombinieren können. Während die hohe Energiedichte des konventionellen Kraftstoffs bei durch Verbrennungskraftmaschinen angetriebenen Flugzeugen eine praktisch sinnvolle Reichweite auch mit Reiseflug bei sehr niedrigem Auftriebsbeiwert und damit einem ungünstigen Quotienten aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert möglich macht, würde der Reiseflug eines elektrisch angetriebenen Kleinflugzeugs bei ähnlich geringen Werten des Auftriebsbeiwerts die praktisch erzielbare Reichweite empfindlich reduzieren und diese Antriebsart unattraktiv machen. Hielte man bei unveränderter Flügelform den Auftriebsbeiwert im Reiseflug genügend hoch, um einen günstigen Quotienten aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert zu ermöglichen, würde die Reisegeschwindigkeit merklich geringer ausfallen, was wiederum diese Antriebsart unattraktiv macht.
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In der
GB 2 577 847 A wird eine verfahrbare Klappe vorgestellt, die zur Verminderung des Widerstands bewegliche Abschnitte der Flügelhaut im Bereich der Klappenvorderkante aufweist, die auch bei nach hinten ausgefahrener Klappe auf dieser aufliegen und den Spalt abdecken. Ein wesentliches Verschwenken der Klappe ist damit allerdings nicht möglich und die beweglichen Abschnitte müssen aktiv angesteuert werden, um die jeweils ideale Position einzunehmen. Die damit verbundene Komplexität und der begrenzte, im Wesentlichen nur durch Flächenvergrößerung, nicht aber Wölbungserhöhung, erzielbare Mehrauftrieb machen diese Lösung wenig attraktiv.
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Die
EP 2 743 177 A1 zeigt dagegen eine Klappe, die alleine durch Verschwenken ihre Wirkung erzielt. Hier wird durch eine Ausführung der Klappenvorderkante als Kreisbogenabschnitte eine Spaltminimierung zum Flügel über einen gewissen Bereich des Klappenwinkels ermöglicht. Eine solche Ausführung von Klappenspalten findet sich zum Beispiel seit etwa 60 Jahren in Segelflugzeugen, seitdem die Kunststoffbauweise eine präzise Gestaltung der Bauteile ermöglicht hat. Solche Klappen weisen bei größerem Ausschlag ein Klappenknie auf, also eine hohe lokale Krümmung der Kontur, die eine frühe Strömungsablösung begünstigt. Die damit mögliche, deutlich begrenzte Steigerung des Auftriebs genügt nicht, den weiten Bereich der Auftriebsbeiwerte, die im praktischen Betrieb erflogen werden, mit einem zufriedenstellenden Quotienten aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert abzudecken, sondern erfordern große Flügelflächen zum Erfliegen der gewünschten Minimalgeschwindigkeit. Solche Klappen dienen vorwiegend der Verschiebung der Laminardelle, um beim jeweiligen Auftriebsbeiwert den Reibungswiderstandsbeiwert des Profils zu minimieren. Aber da der Widerstand proportional zum Produkt aus Beiwert und Fläche ist, führt die mit solchen Klappen unvermeidlich große Flügelfläche besonders im Schnellflug auch zu großem Widerstand.
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Aufgabenstellung und Lösung
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Daher besteht Bedarf für eine für Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt geeignete Verstellmöglichkeit der Flügelklappen, die sowohl für den Reiseflug als auch für den Langsamflug gleichermaßen einen günstigen Quotienten aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert ermöglicht.
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Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch einen Flugzeugflügel mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verschwenken der Flügelklappe um einen unter der Profilkontur liegenden Drehpunkt und einen mit der Klappe verbundenen Stopfen, der bei ausgefahrener Klappe den Spalt, den das Ausfahren der Klappe in der Kontur des Flügelprofils hinterläßt, sauber verschließt. Dabei kann der Stopfen entweder fest mit der Klappe oder drehbar mit dieser verbunden sein. Die Klappe selbst kann sich dabei über einen Teil oder die gesamte Spannweite des Flügels erstrecken. Sie kann in Segmenten oder durchgehend ausgeführt werden, wobei die Ausführung in Segmenten eine unterschiedliche Verstellung der Klappen jedes Segments möglich macht.
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Alternativ kann die Klappe auf einer Schienenmechanik verfahren werden, wobei ihr Einstellwinkel mit dem Verfahrweg ansteigt. Wie beim Verschwenken ist ein Stopfen fest oder drehbar mit der Klappe verbunden. Alternativ kann der Stopfen in der Schienenmechanik und getrennt von der Klappe verfahren werden. In allen Fällen ist aber bei der maximalem Ausfahrposition der Klappe der Stopfen so zu verfahren, dass er einen strömungsgünstigen Abschluss des Flügels bildet.
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Die Ausführung einer möglichen Schienenmechanik und die Ansteuerung der Klappe zum Ein- und Ausfahren sind dem geschulten Luftfahrtingenieur hinreichen bekannt, so dass sie hier nicht eigens beschrieben werden müssen.
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Da eine Schienenmechanik und/oder ein getrenntes Verfahren des Stopfens mechanisch aufwendiger sind als ein Verschwenken und eine Kopplung des Stopfens an die Klappe, wird im Weiteren die bevorzugte Lösung des Verschwenkens und eines an die Klappe gekoppelten Stopfens betrachtet, ohne die allgemeine Lösung einzuschränken.
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Eine in Segmente unterteilte Klappe macht es dieser leichter, Verformungen des Flügels infolge Luftlasten zu folgen. Dafür sollten Klappe und Stopfen in Spannweitenrichtung bevorzugt biegeweich ausgeführt werden, damit sich ihnen die Verformung des Flügels ohne große Lasten auf den Klappenbeschlägen und den Führungen des Stopfens aufprägen kann. Diese biegeweiche Ausführung wird bei Bau in Faserverbundbauweise bevorzugt durch die Belegung der Schale von Klappe und Stopfen durch eine oder mehrere Diagonallagen erreicht. Dies erlaubt zugleich eine möglichst torsionssteife Ausführung von Klappe und Stopfen, wodurch es möglich ist, die Anzahl der Klappenantriebe zu reduzieren.
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Um für Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt sinnvoll zu sein, sollte die Betätigung der Klappe bei kleinen Reynoldszahlen bereits gute Ergebnisse erzielen. Die Reynoldszahl ist eine dimensionslose Kennzahl und der Quotient von Trägheitszu Zähigkeitskräften einer Strömung. Im Langsamflug sind Werte um 700.000 bis 1.000.000 für Segelflugzeuge und etwa das Doppelte für Motorflugzeuge typisch. Durch eine Erhöhung des maximalen Auftriebsbeiwerts kann der Flügel verkleinert werden, wodurch die kleinste Reynoldszahl im Langsamflug auf Werte um 500.000 absinken kann.
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Die Flügelgröße wird durch die Vorgabe der Mindestfluggeschwindigkeit bestimmt. Diese Mindestfluggeschwindigkeit beträgt bei Segelflugzeugen etwa 20 m/s und bei Motorflugzeugen der allgemeinen Luftfahrt etwa 31 m/s. Eine Erhöhung des maximalen Auftriebsbeiwerts, der bei beiden Flugzeugtypen etwa 1,6 erreicht, beispielsweise um 50% auf 2,4 kann also die Flügelfläche auf ⅔ des herkömmlichen Werts reduzieren. Die Verkleinerung des Flügels bedeutet eine Verminderung der umspülten Oberfläche, die wiederum über die Reibung ein Maß für die Höhe des Widerstands im Schnell- und Reiseflug ist. Durch die belüftete Flächenklappe kann also der Flügel sowohl von Segelflugzeugen als auch von Motorflugzeugen verkleinert werden, wodurch bei beiden der Widerstand besonders im Schnell und Reiseflug reduziert werden kann.
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Die Verkleinerung sollte nur durch Verkürzung der Flügeltiefe erfolgen, während die Spannweite gleich gehalten werden sollte, um den induzierten Widerstandsanteil nicht anwachsen zu lassen. Damit verringert sich die Reynoldszahl bei Verkleinerung des Flügels linear mit dem Faktor, um den die Flügelfläche reduziert wird, also beispielsweise auf ⅔ bei Steigerung des maximalen Auftriebsbeiwerts von 1,6 auf 2,4 durch Nutzung der belüfteten Flächenklappe.
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Bei nur teilweiser spannweitiger Erstreckung der belüfteten Flächenklappe, beispielsweise zur Anbringung von Querrudern im klappenlosen Bereich, besteht die Gefahr des vorzeitigen Überziehens in diesem Bereich, wenn die belüftete Flächenklappe vollständig ausgefahren wird. Damit lässt sich das Potential der belüfteten Flächenklappe zur Maximierung des Auftriebsbeiwerts nicht vollständig nutzen, weshalb eine bevorzugte Ausführung die Klappe über die gesamte Spannweite und in mehreren Segmenten erstreckt. Die Rollsteuerung ist dabei durch ein teilweises Ein- oder Ausfahren eines Klappensegments oder mehrerer Klappensegmente auf einer Seite möglich.
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Bei eingefahrener Klappe wird beispielsweise das äußerste Segment auf der Seite des anzuhebenden Flügels teilweise ausgefahren. Bei ausgefahrener Klappe wird beispielsweise das äußerste Segment auf der Seite des abzusenkenden Flügels teilweise eingefahren. Dabei wird der Spalt verdeckt, was einen erheblichen Widerstandsanstieg mit sich bringt. Damit kann ein teilweises Einfahren der Klappe nicht nur ein Rollmoment infolge des damit verbundenen Auftriebsverlustes erzeugen, sondern ein zusätzliches, sinnrichtiges Giermoment infolge des ebenso damit verbundenen Widerstandsanstiegs, was im Langsamflug besonders hilfreich ist und die erforderliche Größe des Seitenleitwerks verringert.
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Alternativ kann das äußerste Segment der Klappe eines jeden Flügels eine eigene Wölbklappe tragen, die als Querruder dienen und unabhängig von der belüfteten Flächenklappe und ihrer Position angesteuert werden kann. Die Ausführung einer solchen Querruderklappe an einer Flächenklappe und ihre Ansteuerung sind dem geschulten Luftfahrtingenieur hinreichend bekannt (z. B. von der SB-11 der Akademischen Fliegergruppe Braunschweig), so dass sie hier nicht eigens beschrieben werden müssen.
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Figurenliste
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Alle Abbildungen nutzen einen Drehpunkt zum Verschwenken der Klappe bei 84% der Tiefe der Flügel-Klappen-Kombination in horizontaler Richtung (gerechnet von der Flügelvorderkante, bezogen auf die Tiefe mit eingefahrener Klappe) und -30% der Tiefe in vertikaler Richtung. Der negative Wert in vertikaler Richtung zeigt an, dass der Drehpunkt unterhalb der Flügelkontur liegt. Diese Lage des Drehpunkts ist nur beispielhaft gewählt und soll nicht bedeuten, dass die belüftete Flächenklappe nicht auch mit anderen Werten möglich ist. Bevorzugt sollte der Drehpunkt jedoch unterhalb der Flügelkontur liegen, um beim Verschwenken der Klappe eine Erhöhung der Tiefe der Flügel-Klappen-Kombination zu erzielen. Ebenso ist wie oben ausgeführt ein Verfahren von Klappe und/oder Stopfen mit einer Schienenmechanik möglich.
- 1 zeigt in einem senkrechten Schnitt durch den Flügel und die Klappe eine beispielhafte Ausführung der belüfteten Flächenklappe im eingefahrenen Zustand, wobei die Position
- 1
- den Flügel,
- 2
- die Stützlage der Flügelschale in Sandwichbauweise,
- 3
- die Verklemmung der Flügelschale im Bereich der Flügelvorderkante,
- 4
- die Holmgurte,
- 5
- die in Spannweitenrichtung verlaufenden Stege,
- 6
- die Flügelschale im hinteren Bereich des Flügels auf der Oberseite,
- 7
- die Flügelschale im hinteren Bereich des Flügels auf der Unterseite,
- 8
- eine Stützrippe für die Flügelschale auf der Oberseite, die zugleich eine Führung für den Stopfen der Klappe bildet,
- 9
- eine Stützrippe für die Flügelschale auf der Unterseite, die zugleich eine Führung für den Stopfen der Klappe bildet,
- 10
- die Klappe,
- 11
- den Drehpunkt der Klappe,
- 12
- den Beschlag, der die Klappe mit dem Drehpunkt verbindet,
- 13
- den Stopfen,
- 14
- die Anlenkung des Stopfens an die Klappe,
- 15
- den Bolzen, mit dem die Ablenkung mit der Klappe verbunden ist und der zugleich den Drehpunkt bildet, um den der Stopfen sich relativ zur Klappe dreht,
- 16
- den Klappenträger
- 20
- eine Hilfsklappe, beispielsweise zur Nutzung als Querruder,
- 21
- den Scharnierpunkt der Hilfsklappe 20,
- 22
- eine mögliche obere Ausschlagsposition der Hilfsklappe und
- 23
- eine mögliche untere Ausschlagsposition der Hilfsklappe kennzeichnet.
- 2 zeigt die gleiche Ansicht wie 1 mit um 10° ausgeschlagener Klappe, nur ohne Hilfsklappe. Dabei bildet die Klappenkontur einen knickfreien Übergang zum Flügel 1, da die Kontur der Klappe in dem Bereich, in dem sie über die Hinterkante der oberen Flügelschale 6 streicht, eine Kreisbogenkontur hat, deren Radius der Entfernung der Flügelhinterkante zum Drehpunkt 11 der Klappe 10 entspricht.
- 3 zeigt die gleiche Ansicht wie 2 mit beispielhaft um 26° ausgeschlagener Klappe 10, wobei der Stopfen 13 nun den Spalt an der Hinterkante des Flügels 1 zwischen der oberen Flügelschale 6 und der unteren Flügelschale 7 ausfüllt. Dadurch bilden die Konturen des Stopfens und der Klappe einen Spalt, durch den die Oberseite der Klappe 10 mit unverzögerter Strömung umströmt und so mit einer neuen Grenzschicht versorgt wird, die erheblich größere Druckanstiege ohne Ablösung überwinden und damit eine widerstandsgünstige Umströmung auch bei hohem Auftriebsbeiwert ermöglicht.
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Für den maximalen Verschwenk- oder Ausfahrwinkel sind beliebige Werte möglich. Der für 3 gewählte Wert von 26° hat sich als besonders günstig bei einer Reynoldszahl von 500.000 erwiesen, aber andere Werte sind ebenso möglich, besonders wenn die Kontur des Flügelprofils, der Klappe und/oder des Spaltes sich von der in den 1 bis 3 unterscheidet.
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4 zeigt beispielhaft ein Segelflugzeug in der Draufsicht, wobei die Position
- 1
- den Flügel,
- 10
- die Flächenklappe mit 10a, 10b und 10c in eingefahrenen und 10d, 10e und 10f im ausgefahrenen Zustand,
- 30
- den Rumpf und
- 31
- das Höhenleitwerk
bedeuten. Hier ist die Klappe in 3 Segmenten pro Seite 10a, 10b und 10c bzw. 10d, 10e und 10f ausgeführt.
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5 zeigt einen Schnitt durch den Flügel 1 an einer anderen Spannweitenposition als die 1 bis 3. In 5 liegt der Schnitt am Ende einer Klappe bzw. eines Klappensegments und zeigt an Position
- 8a
- eine Rippe an der Spannweitenposition, an der ein Klappensegment endet, wobei in der Rippe in Position
- 40
- eine Kulisse zu erkennen ist, die der Führung des Stopfens im Flügelinneren beim Ein- und Ausfahren der Klappe dient.
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Eine Führung des Stopfens ist besonders bei einer drehbaren Verbindung zwischen Klappe 10 und Stopfen 13 erforderlich, um den Stopfen sicher auch bei Lastvielfachen in einer definierten Position zu halten.
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6 zeigt eine Draufsicht auf das Ende einer Klappe bzw. eines Klappensegments 10 mit davorliegendem Stopfen 13, an dessen Seitenfläche 41 ein Zapfen 42 hervorsteht, der in die Kulisse 40 taucht und von dieser geführt wird. Ebenso ist ein Rücksprung 43 der Klappe zu erkennen, der eine Aussparung erzeugt, in der die Rippe 8a Platz findet.
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Während die 1 bis 3 einen großen Spalt mit großen Radien der Kontur des Spaltes bilden, was den Betrieb der Klappe 10 bei kleinen Reynoldszahlen begünstigt, können der Spalt und die Radien der Spaltkontur bei höheren Reynoldszahlen kleiner ausfallen. Das hat den Vorteil, dass die Klappe weiter in eine durch die Ober- und Unterschale 6, 7 des Flügels 1 gebildete Tasche einfahren kann. Dies wird in den 7 bis 9 deutlich. Die Klappe ist hier dünner ausgeführt und taucht im eingefahrenen Zustand tief in den Flügel ein, wogegen sie in den 1 bis 3 nur mit ihrem Nasenbereich in den Flügel hineinragt. Dadurch füllt sie auch bei mittleren Ausfahrwinkeln den Spalt zwischen der Ober- und der Unterschale des Flügels aus, so dass sich ein glatter, knickfreier Übergang ergibt. Dafür hat die Unterseite der Klappe an der Stelle
- 17
- einen Konturknick, da hier die
- 18
- kreisbogenförmige Kontur der Unterseite
in die Profilkontur mit eingefahrener Klappe übergeht. 7 zeigt die Klappe im eingefahrenen Zustand, 8 bei 10° und 9 bei 26° Ausfahrwinkel.
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Die Kontur in den 7 bis 9 hat einen kleineren Belüftungsspalt und kleinere Krümmungsradien der Profilkontur des Flügels im Bereich des Stopfens bei maximalem Verschwenk- oder Verfahrweg der Klappe, was sie eher für den Betrieb bei größeren Reynoldszahlen eignet, wie sie beispielsweise bei Motorflugzeugen der allgemeinen Luftfahrt und besonders bei Verkehrsflugzeugen auftreten. Wie in den 1 bis 3 sind die gezeigten Winkelpositionen in den 7 bis 9 beispielhaft gewählt und sollen andere Verschwenkwinkel und/oder Verfahrwege der Klappe nicht ausschließen.
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10 zeigt das Polardiagramm der belüfteten Flächenklappe in der Ausführung gemäß den 1 bis 3 in der Berechnung durch die Programme XFOIL bzw. MSES. Dabei wurden die Reynoldszahlen so gewählt, dass am Punkt des günstigen Quotienten aus Auftriebsbeiwert und Widerstandsbeiwert aller drei Klappenwinkel etwa Verhältnisse wie bei einem Segelflugzeug herrschen. Die Bezugstiefe der Beiwerte ist die Tiefe der Flügel-Klappen-Kombination bei vollständig eingefahrener Position der Klappe.
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11 zeigt diesen Quotienten über dem Anstellwinkel für die drei Klappenwinkel 0°, 10° und 26° bei den gleichen Reynoldszahlen. Es ist zu erkennen, dass die besten Werte bei allen Klappenpositionen in etwa gleich sind und bei ausgefahrener Klappe die höchsten Werte erzielt werden, obgleich hier eine geringere Reynoldszahl für die Berechnung gewählt wurde.
