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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Bereitstellung eines veränderlichen Strömungsprofils
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, insbesondere
bei einem in einer kryogenen Umgebung angeordneten Windkanalmodell.
Bei dem Profilelement kann es sich beispielsweise um eine Klappe
oder einen Vorflügel
eines Flügelmodells
handeln.
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Um in Windkanälen mit gegenüber der
Realität
verkleinerten Windkanalmodellen bezüglich der Reynoldszahl realistische
Simulationsbedingungen zu schaffen, muss ein gasförmiges Strömungsmedium,
beispielsweise Luft, stark abgekühlt
werden. Derartige Windkanäle
werden als Kryo-Windkanäle bezeichnet,
weil in ihnen eine kryogene Umgebung herrscht. Der Abkühlvorgang
eines Kryo-Windkanals nimmt erhebliche Zeit in Anspruch.
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Derzeit werden unterschiedliche Klappen- und
Vorflügelstellungen
bei Windkanalmodellen in der Regel durch unterschiedliche Festbeschläge an dem
Windkanalmodell simuliert. Um einen solchen Festbeschlag auszutauschen,
muss ein Kryo-Windkanal zunächst
aufgewärmt
und anschließend
wieder abgekühlt
werden. D.h., der Ausfall an Messzeit ist ganz erheblich, was die
Kosten jeder einzelnen Messung erhöht. Es wäre daher wünschenswert, eine Vorrichtung
der eingangs beschriebenen An zu haben, mit der die Lage eines Profilelements
bei einem Strömungskörper verändert werden
kann und die dabei auch unter den Bedingungen eines Kryo-Windkanals funktionsfähig ist. Übliche Aktuatoren
verlieren ihre Funktion bei den niedrigeren Temperaturen in einem
Kryo-Windkanal.
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Aus der
DE 42 25 152 A1 ist eine
Arbeitskammer zum Herunterkühlen
eines in einem Kryo-Windkanal
zu testenden Kryomodells auf die Windkanaltemperatur und zur Durchführung von Montage-
und Veränderungsarbeiten
an dem Kryomodell bekannt. In die Arbeitskammer wird getrocknete
Warmluft eingeleitet, so dass sich Personen in ihr aushalten können. Die
Arbeitskammer enthält eine
Isolierbox aus wärmeisolierendem
Material, die an ihrer Oberseite offen ist und in die Kaltluft eingeleitet
wird. Die Isolierbox nimmt das Kryomodell unter Kaltluftbedingen
auf. Personen können über den Rand
der Isolierbox hinweg an dem Kryomodell hantieren. Das Kryomodell
wird mit einem Halter gehalten, der nach oben aus der Isolierbox
herausgehoben werden kann. Das Entfernen des Kryomodells aus der
Arbeitskammer erfolgt durch Öffnen
einer Deckentür.
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Aus der
FR 1569075 A ist es bekannt,
das Strömungsprofil
eines Strömungskörpers in
einem Windkanal mit Hilfe eines außerhalb des Windkanals angeordneten
Aktuators zu verändern,
der eine Kurbel verdreht, an die eine Lenkerstange angelenkt ist. Die
Lenkerstange tritt in den Windkanal ein und ist dort an ein verschwenkbar
gelagertes Profilelement des Strömungskörpers angelenkt,
um dessen Schwenkstellung zu verändern.
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Aus der
US 2,652,995 A ist eine Vorrichtung zur
Bereitstellung eines veränderlichen
Strömungsprofils
bei einem Flugkörper
bekannt. Dabei wird über einen
Seilzug das Verschwenken einer ersten Kurbel angesteuert, die benachbart
einem verschwenkbaren Profilelement des Strömungskörpers, beispielsweise einem
Höhenruder,
angeordnet ist. Die Kurbel ist über
ein Paar von gegenläufigen
Lenkerstangen an das verschwenkbare Profilelement angekoppelt, um
dieses zu verschwenken.
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Aus der
FR 887770 A ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bei einem Flugzeug bekannt.
Dabei sind die Kurbeln durch jeweils eine Lenkerstange miteinander
verbunden. Ebenso wirkt eine Lenkerstange zwischen der jeweils letzten
Kurbel und dem schwenkbar gelagertem Profilelement.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen,
die zum Einsatz bei Windkanalmodellen in einem Kryo-Windkanal geeignet
ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
Vorrichtung zur Bereitstellung eines veränderlichen Strömungsprofils
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung
sind in den Unteransprüchen
2 bis 10 beschrieben.
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Kerngedanke der Erfindung ist es,
einen außerhalb
der kryogenen Umgebung angeordneten Linearaktuator zu verwenden.
Mit anderen Worten liegt die Temperatur im Bereich des Linearaktuators
deutlich über
der Temperatur in einer kryogenen Umgebung des Strömungskörpers. Sie
ist so hoch, dass der jeweilige Linearaktuator störungsfrei
arbeiten kann. Die Längenveränderung
des Linearaktuators wird über
eine kinematische Kette auf das Profilelement, dessen Lage zu verändern ist, übertragen,
wobei diese kinematische Kette in die kryogene Umgebung hinein verläuft und
von ihrem Aufbau an die besonderen Materialbelastungen in der kryogenen
Umgebung angepasst ist. Die kinematische Kette umfasst eine erste
Kurbel, auf die der Linearaktuator einwirkt und von der sich zwei
Lenkerstangen zu einer zweiten Kurbel erstrecken. Die Lenkerstangen sind
in soweit gegenläufig,
als dass immer nur eine von beiden immer auf Zug beansprucht wird.
Anders gesagt, befinden sie sich auf gegenüberliegenden Seiten einer Verbindungslinie
der beiden Schwenkachsen der beiden Kurbeln. Die Konstruktion der
beiden Kurbeln mit dem Paar von Lenkerstangen ist auch unter kryogenen
Arbeitsbedingungen funktionsfähig.
Die linearen Kräfte,
die mit den Lenkerstangen übertragen
werden, können
durch den Abstand der Anlenkung der Lenkerstangen an die Kurbeln
zu den Schwenkachsen der Kurbeln variiert und insbesondere begrenzt
werden. Spiel in der kinematischen Kette, das insbesondere durch
Kältekontraktionen des
verwendeten Materials auftreten kann, kann durch ein Verspannen
der Lenkerstangen gegeneinander beseitigt werden. Die Grenze zwischen
der nicht-kryogenen Umgebung des Linearaktuators und der kryogenen
Umgebung des Strömungskörpers verläuft im Bereich
der Lenkerstangen.
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Der Linearaktuator ist bei der neuen
Vorrichtung vorzugsweise an seinem einen Ende in einem ortsfesten
Gelenk und an seinem anderen Ende gelenkig an der ersten Kurbel
gelagert. Durch seine Längenveränderung
wird so die Kurbel verschwenkt, ohne dass es zu irgendwelchen Verspannungen kommt.
Der Linearaktuator kann als Elektromotor mit einem nachgeschalteten
Getriebe ausgebildet sein, indem eine auf einer Spindel angeordnete
Mutter durch die Drehbewegung der Spindel aus- bzw. eingefahren
wird.
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Der Linearaktuator kann bei der neuen
Vorrichtung sowohl außerhalb
als auch innerhalb des Strömungskörpers angeordnet
sein. Eine Anordnung des Linearaktuators außerhalb des Strömungskörpers bedeutet
in aller Regel eine Anordnung außerhalb des Windkanals. Umgekehrt
bedeutet die Anordnung des Linearaktuators innerhalb des Strömungskörpers, dass
dort durch Isolation und in der Regel auch Beheizung des Linearaktuators
eine nicht-kryogene Enklave geschaffen wird.
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Zur eigentlichen Veränderung
der Lage des Profilelements kann an der zweiten Kurbel ein Ende einer
Koppelstange angelenkt sein, das mit ihrem anderen Ende an das Profilelement
angelenkt ist.
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Für
das Profilelement selbst kann eine Kulissenführung vorgesehen sein. Das
Profilelement kann mit der Koppelstange aber auch um eine Schwenkachse
verschwenkt werden. Insbesondere bei größeren Profilelementen oder
mehreren Profilelementen, deren Lage synchron verändert werden
soll, ist es sinnvoll, wenn die zweite Kurbel über ein weiteres Paar von gegenläufigen Lenkerstangen
mit einer weiteren Koppel gekoppelt ist. Von der weiteren Kurbel
kann dann, beispielsweise über
eine Koppelstange, eine Übertragung
der Bewegung an einer anderen Stelle auf dasselbe Profilelement
bzw. auf ein weiteres Profilelement erfolgen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert und
beschrieben, dabei zeigt
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1 die
Anordnung der neuen Vorrichtung bei einem Windkanalhalbmodell eines
Flugzeugs, wobei das Modell nur teilweise und geschnitten dargestellt
ist,
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2 ein
Detail der Vorrichtung gemäß 1 im Bereich ihres Linearaktuators,
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3 ein
weiteres Detail der Vorrichtung gemäß 1 im Bereich eines Profilelements, dessen Lage
zu verändern
ist,
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4 eine
erste Stellung des Profilelements,
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5 eine
zweite Stellung des Profilelements, und
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6 ein
Prinzipschaubild einer Erweiterung der Vorrichtung gemäß 1.
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Das in 1 teilweise
und geschnitten dargestellte Windkanalhalbmodell 1 eines
Flugzeugs umfasst eine Rumpfschale 2 und einen Flügel 3,
die senkrecht zur Rumpf mittelebene in Spannweitenrichtung des Flügels 3 geschnitten
wiedergegeben sind. Innerhalb der Rumpfschalen 2 ist an
einem Strukturelement 4 ein Formkörper 5 gelagert, der noch
innerhalb der Rumpfschale 2 einen Hohlraum 6 und
außerhalb
der Rumpfschale 2 die Hauptstruktur des Flügels 3 ausbildet.
In dem Hohlraum 6 ist ein Linearaktuator 7 angeordnet,
der auf eine um eine Schwenkachse 8 verschwenkbar in dem
Hohlraum 6 gelagerte Kurbel 9 einwirkt. D.h.,
mit dem Linearaktuator 7 ist die Schwenkstellung der Kurbel 9 um
die Schwenkachse 8 einstellbar. Diese Schwenkstellung der
Kurbel 9 wird über
zwei Lenkerstangen 11 und 12 auf eine der Kurbel 9 äquivalente
zweite Kurbel 10 übertragen,
die in dem Flügel 3 um
eine Schwenkachse 13 verschwenkbar gelagert ist. Die Lenkerstangen 11 und 12 sind
mit ihren Enden an die Kurbeln 9 und 10 angelenkt,
und sie sind auf einander gegenüberliegenden
Seiten einer durch die beiden Schwenkachsen 8 und 13 definierten
Ebene angeordnet. Die Lenkerstangen 11 und 12 verlaufen
aus dem Hohlraum 6 heraus und innerhalb des Flügels 3 bis
zu der Kurbel 10. Hierbei treten die Lenkerstangen in eine
kryogene Umgebung ein, wenn das Windkanalhalbmodell 1 in
einem kryogenen Windkanal angeordnet ist. Der Hohlraum 6 stellt
demgegenüber eine
nicht kryogene Enklave dar, in der der Linearantrieb 7 durch
eine hier nicht separat dargestellte Heizung und die durch den Formkörper 5 bewirkte
Isolierung auf einer nicht-kryogenen Temperatur gehalten wird, um
seine Funktion sicherzustellen. Innerhalb der kryogenen Umgebung
wird die auf die Kurbel 10 übertragene Bewegung des Linearaktuators 7 über eine
an die Kurbel 10 angelenkte Koppelstange 14 auf
ein hier nicht weiter dargestelltes Profilelement des Flügels 3 übertragen,
um dessen Lage zu verändern.
Dabei ist für
das Profilelement eine in 1 angedeutete
Kulissenführung 15 vorgesehen,
die einen an die Koppelstange 14 angelenkten Schlitten 16 führt.
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2,
zeigt Details der in 1 dargestellten
kinematischen Kette im Bereich des Linearaktuators 7. Der
Linearaktuator 7 ist an seinem einen Ende um eine ortsfeste
Schwenkachse 17 verschwenkbar gelagert. An seinem anderen
Ende ist er um eine Schwenkachse 18 verschwenkbar an der
Kurbel 9 gelagert. An der Kurbel 9 wiederum sind
um Schwenkachsen 19 und 20 herum verschwenkbar die
Lenkerstangen 11 und 12 gelagert. Der Linearaktuator 7 ist
als Elektromotor 21 ausgebildet, dem ein Getriebe 22 nachgeschaltet
ist, welches zumindest eine drehangetriebene Spindel 23 und
eine darauf angeordnete, linear geführte Mutter 24 aufweist.
Zusätzlich
kann das Getriebe 22 auch noch eine Untersetzung für den Elektromotor 21 umfassen.
Durch das mehr oder weniger weite Ausfahren der Mutter 24 aus
einem Gehäuse 25 des
Linearaktuators 7 wird die effektive Länge des Linearaktuators zwischen seinen
Enden, d.h. zwischen den Schwenkachsen 17 und 18 variiert.
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Die hieraus resultierende Schwenkbewegung
der Kurbel 9 wird über
die Lenkerstangen 11 und 12 auf die Kurbel 10 übertragen,
die detaillierter in 3 wiedergegeben
ist. Die um Schwenkachsen 26 und 27 verschwenkbar
an die Kurbel 10 angelenkten Lenkerstangen 11 und 12 verdrehen
die Kurbel 10 um. deren Schwenkachse 13. Hierdurch
wird die Koppelstange 14, die um zwei Schwenkachsen 28 und 29 verschwenkbar,
d.h. frei verschwenkbar, an der Kurbel 10 gelagert ist,
entlang einer Kulisse 30 der Kulissenführung 15 vor- und
zurückbewegt.
An den Schlitten 16 ist die Koppelstange 14 um Schwenkachsen 36 und 37 herum
verschwenkbar angelenkt. So nimmt die Koppelstange 14 den
Schlitten 16 mit, der mit Führungsbolzen 31 an
Führungsflächen
32, 33 der
Kulissenführung 15 geführt ist.
Um Spiel zwischen den Kurbeln 9 und 10 zu eliminieren, können die
Lenkerstangen 11 und 12 gegeneinander verspannt
sein. So wird jede Längenänderung
des Linearaktuators 7 gemäß 2 identisch auf die Kurbel 10 gemäß 3 übertragen.
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Die Prinzipskizze gemäß 4 zeigt eine Klappe 34 des
Flügels 3 als
Beispiel für
ein Profilelement 35, dessen Lage zu dem Flügel 3 in
einer kryogenen Umgebung verändert
werden soll. Die Klappe 34 ist an dem Schlitten 16 gelagert,
dessen Führungsbolzen 31 durch
die Führungsflächen 32 und 33,
die hier von Langlöchern
ausgebildet werden.
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5 zeigt
die ausgefahrene Stellung der Klappe 34 gemäß 4. Nachdem mit Hilfe der
Kurbel 10 die Koppelstange 14 zurückgestoßen wurde, wodurch
sich der Schlitten 16 entlang der Führungsflächen 32 und 33 nach
hinten unten gelegt hat, hat die Klappe 34 die gewünschte ausgefahrene
Stellung erreicht.
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6 zeigt
die Erweiterung der bisher dargestellten Vorrichtung um eine weitere
Kurbel 38, die über
ein weiteres Paar von Lenkerstangen 39 und 40 an
die Kurbel 10 angekoppelt ist und die eine weitere Koppelstange 41 betätigt. Dabei
können
die Koppelstangen 39 und 40 starre Fortsetzungen
der Koppelstangen 11 und 12 sein. Eine größere Variabilität der Vorrichtung
ergibt sich aber, wenn die Lenkerstangen 39 und 40 nicht
nur gegenüber
der Kurbel 10 sondern auch gegenüber den dort angelenkten Lenkerstangen 11 und 12 gelenkig
gelagert sind. Es können
natürlich
auch noch weitere Kurbeln mit weiteren Lenkerstangen und Koppelstangen
ergänzt
werden.
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- 1
- – Windkanalmodell
- 2
- – Rumpfschale
- 3
- – Flügel
- 4
- – Strukturelement
- 5
- – Formkörper
- 6
- – Hohlraum
- 7
- – Linearaktuator
- 8
- – Schwenkachse
- 9
- – Kurbel
- 10
- – Kurbel
- 11
- – Lenkerstange
- 1.2
- – Lenkerstange
- 13
- – Schwenkachse
- 14
- – Koppelstange
- 15
- – Kulissenführung
- 16
- – Schlitten
- 17
- – Schwenkachse
- 18
- – Schwenkachse
- 19
- – Schwenkachse
- 20
- – Schwenkachse
- 21
- – Elektromotor
- 22
- – Getriebe
- 23
- – Spindel
- 24
- – Mutter
- 25
- – Gehäuse
- 26
- – Schwenkachse
- 27
- – Schwenkachse
- 28
- – Schwenkachse
- 29
- – Schwenkachse
- 30
- – Kulisse
- 31
- – Führungsbolzen
- 32
- – Führungsfläche
- 33
- – Führungsfläche
- 34
- – Klappe
- 35
- – Profilelement
- 36
- – Schwenkachse
- 37
- – Schwenkachse
- 38
- – Kurbel
- 39
- – Lenkerstange
- 40
- – Lenkerstange
- 41
- – Koppelstange