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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Luftauslassventil für ein Flugzeug.
Mit ihr wird ein Luftauslassventil vorgestellt, das im Bereich eines
Luftauslasses in der Außenhaut
eines Flugzeuges positioniert ist, mit welchem ein optimiertes Ausströmen der Rumpfluft
aus dem Rumpfinneren des Flugzeuges hinsichtlich dem Erreichen eines
verbesserten Schubrückgewinns
umgesetzt wird. Dabei wird eine Maximierung der Luftgeschwindigkeit
der ventilaustretenden Luftströmung
angestrebt, die gleichermaßen eine
Reduzierung der Strömungsgeräusche dieser Luftströmung umfasst.
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In
modernen Flugzeugen werden die Luftauslässe in der Regel mit in der
Flugzeug-Außenhaut eingebauten
Auslassventilen ausgestattet, die über eine oder mehrere Klappen
die Rumpfluft aus dem Flugzeuginneren ausströmen lassen, sofern ein positiver
Differenzluftdruck zwischen einem Innenluftdruck der Rumpfluft,
mit dem der Innenbereich eines Flugzeugrumpfes beaufschlagt wird,
und einem atmosphärischen
Außenluftdruck,
der auf dem klappenbegrenzten Öffnungsbereich
des Luftauslasses lastet, wirkt. Es wird (der Vollständigkeit
halber) mit erwähnt,
dass in Abhängigkeit
der Stellung der Klappen anderenfalls auch der Innenluftdruck der Rumpfluft
im Flugzeuginneren eingestellt wird, sofern ein negativer Differenzluftdruck
wirkt. Diese Luftauslassventile sind in der Regel mit Klappen ausgerüstet, die
eine ebenflächige
(gerade) oder eine an die Flugzeugaußenhaut angepasste Kontur aufweisen, welche
im Reiseflug einen Spalt bilden, durch den die Rumpfluft aus dem
Flugzeuginneren nach außerhalb des
Flugzeuges strömt.
Aufgrund der Tatsache, dass die ausströmende Rumpfluft das betrachtete
Ventil entgegen der Flugrichtung des Flugzeuges verlassen wird und
mit einer hohen Geschwindigkeit am Ventilausgang ausströmen wird,
wird ein gewisser Schubrückgewinn
umgesetzt. Ventile der vorgestellten Bauart haben den Nachteil erheblicher
Geräuschemmision
im unterkritischen Druckbereich und eines nur geringen Schubrückgewinns
im überkritischen
Druckverhältnis,
da im Spalt zwischen den geöffneten Klappen
die meiste Energie in Form von auftretenden Verdichtungsstößen und
Luftturbulenzen verloren gehen wird. Der Fachwelt sind derartige
Auslassventile (Druckregelventile), die beispielsweise in den beigegebenen 1 bis 3 mit
einer voneinander abweichenden Klappenkonstruktion dargestellt werden,
bekannt. Danach wird der Fachmann in der 1 ein Druckregeiventil
erblicken, das in dem Flugzeugtyp: „A320/A340" installiert ist, wogegen er in der 2 ein
Druckregelventil erkennen wird, das in dem Flugzeugtyp: „Boeing
777" und in der 3 ein
Druckregelventil, das in dem Flugzeugtyp: „Boeing 737" installiert ist,
wobei diesen bekannten Ventilen gleichermaßen die angegebenen Nachteile
anhaften.
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US 3,426,984 A offenbart
ein Luftauslassventil mit einer besonders einfach aufgebauten konvergent-
divergenten Schubdüse.
Das Luftauslassventil kann mit geringen Bedienkräften angesteuert werden, zusätzlich wird
Stauluft im Bereich des Luftauslasses abgeschirmt, so dass das Austreten
von Luft aus dem Flugzeuginneren durch Stauluft nicht behindert
wird.
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In
DE 197 13 125 A1 wird
ein Luftauslassventil mit mehreren voneinander getrennten Ventilstufen
offenbart, das sich besonders gut an verschiedene Flugzustände anpassen
lässt,
die insbesondere durch unterschiedliche Differenzdrücke zwischen dem
Flugzeuginnern und der Umgebung repräsentiert werden.
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Ferner
zeigt
US 3,387,804 A ein
Luftauslassventil, bei dem die Ventilklappen zum Minimieren des aufzubringenden
Bedienmoments eine spezielle Formgebung aufweisen.
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Dementsprechend
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für ein Luftauslassventil eines
Flugzeuges bereitzustellen, mit dem bei einem positiv wirkenden
Differenzluftdruck zwischen einem druckbelüfteten Innenbereich und der
Außenumgebung
eines Flugzeuges eine strömungsoptimierte
Luftströmung
der ventilaustretenden Rumpfluft zugunsten einer Steigerung der
Schubwirkung durch diese Luftströmung
und der Minderung von deren Strömungsgeräusche umgesetzt
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. In den
weiteren Ansprüchen
werden zweckmäßige Weiterbildungen
und Ausgestaltungen dieser Merkmale angegeben.
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Die
beigefügten
Zeichnungen 1 bis 3 vermitteln einen Eindruck über bekannte Lösungen,
bei denen es sich nicht um ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
handelt, sondern um den einleitend angegebenen Stand der Technik,
die das Verständnis
der Erfindung erleichtern. Dazu zeigen
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1 ein
Druckregelventil, das in dem Luftauslaß eines Flugzeuges vom Typ: „Airbus A320/A340" installiert ist;
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2 ein
Druckregelventil, das in dem Luftauslaß eines Flugzeuges vom Typ: „Boeing
777" installiert
ist;
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3 ein
Druckregelventil, das in dem Luftauslaß eines Flugzeuges vom Typ: „Boeing
737" installiert
ist.
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Die
Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel
anhand der beigefügten
Zeichnung 4 näher
erläutert.
Hierzu zeigt
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4 ein
Luftauslassventil, dessen Klappenanordnung und -stellung einen schuboptimierten, regelbaren
Luftauslaß realisiert.
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Aus
der Darstellung der 4 wird man ein Luftauslassventil
für ein
Flugzeug entnehmen, das im Bereich eines Luftauslasses installiert
ist. Der Aufbau des Luftauslassventiles basiert in der Hauptsache auf
zwei Klappen 1, 3, die ein unterschiedliches Aussehen
besitzen. Danach besitzt eine erste Klappe 1 eine untere
Strömungskante 11 und
eine obere Strömungskante 10,
die (ausgenommen dem Klappenbereich ihrer schwenkbaren Befestigung)
weitestgehend einen trapezförmigen
Klappenquerschnitt einschließen.
Dieser Klappenquerschnitt ist über
die Länge
der ersten Klappe 1 mit einem prismenartigen Klappenkörper(bereich)
fortgesetzt, an dessen Klappenquerschnitt (im Grundflächenbereich
des Prismenkörpers)
eine Klappennase 9 angeformt ist. Letztere verfügt über eine
sogenannte Strömungsrundkante 8,
deren Rundkantenenden mit den Kantenenden der unteren und oberen
Strömungskante 10, 11 des
Prismenkörpers
verbunden ist. Dem Deckflächenbereich
des Prismenkörpers
folgt ein Befestigungsbereich dieser Klappe 1, der ausgangs
mit einem abgerundeten Nasenkantenbereich abschließt. Der
Klappenquerschnitt des bezeichneten Befestigungsbereiches ist in
einem ersten Angelpunkt 2 (innerhalb und randseitlich dem
Luftauslaß),
der rumpfaußenseitig
betrachtet stromabwärts
gelegen ist, beweglich (drehbar oder beispielbezogen schwenkbar)
gelagert. Die obere Strömungskante 10 der
ersten Klappe 1 wendet sich dem Innenbereich des Flugzeugrumpfes
zu und ist in der Bewegungsrichtung 21 schwenkbar gelagert.
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Eine
zweite Klappe 3 besitzt eine untere Strömungskante 16 und
eine obere Strömungskante 15,
die einen spitzen Winkel einschließen und weitestgehend einen
(figurlich dargestellten) Klappenquerschnitt von dreieckartiger
Form begrenzen. Weitestgehend deshalb, weil die beiden dargestellten Enden
der Strömungskanten 15, 16 (genau
betrachtet) eigentlich mit den Enden einer stromabwärts befindlichen
und abgeschrägten
Gerade verbunden sind, wobei die Neigung der Geraden von der unteren Strömungskante 16 zur
oberen Strömungskante 15 verläuft. Letztere
Betrachtungen werden an dieser Stelle zunächst nicht weiter verfolgt.
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Der
Klappenquerschnitt der zweiten Klappe 3 ist (innerhalb
und randseitlich dem Luftauslaß)
in einem zweiten Angelpunkt 4, der gegenüberliegend dem
ersten Angelpunkt 2 angeordnet ist und der rumpfaußenseitig
betrachtet stromaufwärts
gelegen ist, beweglich (drehbar oder beispielbezogen schwenkbar)
gelagert.
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Es
wird erwähnt,
dass die obere und untere Strömungskante 10, 11 der
ersten Klappe 1 und die obere und untere Strömungskante 15, 16 der
zweiten Klappe 1 gerade verlaufend ausgebildet sind, deshalb
sind die entsprechenden Klappenoberflächen ebenflächig gestaltet, wobei die untere
Strömungskante 11 der
ersten Klappe 1 und die obere Strömungskante 15 der
zweiten Klappe 3 durchaus auch gekrümmt (konkav gewölbt) verlaufend
ausgebildet sein kann.
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Zurückkommend
auf das Luftauslassventil lässt
sich vervollständigen
(zusammenfassen), dass letzteres im Bereich eines Luftauslasses
in der Außenhaut 14 des
Flugzeuges positioniert ist. Es ist vorgesehen, dass die zwei (von
flugzeugintern mit einer Kontrolleinheit) regelbaren Klappen 1, 3,
die dem Luftauslassventil integriert sind, durch eine (in Bewegungsrichtung 21 – für die erste
Klappe 1 und in Bewegungsrichtung 41 – für die zweite
Klappe 3) gerichtete Klappenbewegung im geöffneten
Zustand einen Öffnungsbereich
[des Luftauslasses] einschließen. Sofern
ein positiver Differenzluftdruck ΔP
zwischen einem Innenluftdruck Pi, mit dem
ein Innenbereich des Flugzeugrumpfes beaufschlagt wird, der mit
einer (runipfinternen) Rumpfluft gefüllt ist, und einem atmosphärischen
Umgebungsluftdruck Pa herrscht, der auf
dem Bereich des Luftauslasses lastet, welcher von einer das Flugzeug
rumpfabwärts
umströmenden
Außenluft
umgeben ist, wird durch die erwähnte
geregelte Klappenbewegung ein zwischen den beiden Klappen 1, 3 gelegener Öffnungsbereich (wenigstens
Spalt) freigegeben, durch den die unter einem Überdruck befindliche Rumpfluft
nach außerhalb
des Flugzeugrumpfes ausströmen
wird.
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Dem
wird hinzugefügt,
dass die untere Strömungskante 11 der
ersten Klappe 1 und die oberer Strömungskante 15 der
zweiten Klappe 3 einen Strömungsquerschnitt der ausströmenden Rumpfluft 5 (einen
sogenannten Überlappungsquerschnitt)
begrenzen, deren zugeordnete Klappenoberflächen, die sich einander zuwenden,
den erwähnten Öffnungsbereich
einschließen.
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Die
erste Klappe 1 ist an dem rumpfaußenseitig stromabwärts angeordneten
ersten Angelpunkt 2 beweglich gelagert. Sie ist dem Innenbereich
des Flugzeugrumpfes näher
gelegen als die zweite Klappe 3. Die zweite Klappe 3 ist
an einem rumpfaußenseitig
stromaufwärts
angeordneten zweiten Angelpunkt 4 beweglich gelagert. Sie
ist dem Innenbereich des Flugzeugrumpfes entfernter gelegen als
die erste Klappe 1. Der klappenbegrenzte Strömungsquerschnitt,
durch den die ausströmende
Rumpfluft 5 bei bestehendem positiven Differenzluftdruck ΔP ausströmen wird,
besitzt eine Querschnittform, welche das Aussehen einer Lavaldüse ist.
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Der
durch Stellkommandos (von der flugzeugintern installierten Kontrolleinheit)
geregelte lavaldüsenartige
Strömungsquerschnitt
bleibt auch bei einer angelpunktfixierten Klappenbewegung erhalten, solange
ein Druckverhältnis
(Pa/Pi) des Umgebungsluftdruckes
Pa zum Innenluftdruck Pi einem
kritischen Druckverhältnis
(Pa/Pi)krit wesentlich
unterschritten ist oder wenigstens die Bewegungspositionen der beiden
Klappen 1, 3 innerhalb eines für den Reiseflug des Flugzeuges üblichen
Stellbereiches liegen.
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Im
weiteren wird erwähnt,
dass der klappenbegrenzte Öffnungsbereich
des geöffneten
Luftauslassventils einen Strömungsquerschnitt
umfasst, der zwischen den sich zuwendenden Klappenoberflächen, die
nahezu ebenflächig
ausgebildet sind, eingeschlossen ist. Bei dem Strömungsquerschnitt
handelt es sich im engeren Sinne um einen sogenannten Überlappungsquerschnitt 7,
der aus mehreren Luftströmen
gebildet wird. Dabei fließen
mehrere Ströme von
Rumpfluft 5 in Strömungsrichtungen 51 auf
den lavaldüsenförmigen Überlappungsbereich 7 zu,
vereinen sich danach zu einem gemeinsamen Luftstrom, der nach flugzeugaußenseitig
strömt.
Durch die Lavaldüsenform
des Überlappungsbereichs 7 und
den Drucküberschuss
expandiert die Rumpfluft 5 und wird auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt. Dadurch wird mit der ausströmenden Rumpfluft 5 mit
erhöhter
Luftbewegungsenergie ausgangs des erweiterten Strömungsquerschnittes
der Lavaldüse, deren
Ausströmgeschwindigkeit
sehr hoch ist, entgegen der Flugrichtung des Flugzeuges ein Schubrückgewinn
umgesetzt.
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Die
ausgangs des erweiterten Strömungsquerschnittes
der Lavaldüse
ausströmende Rumpfluft 5 ist
eine auf Schallgeschwindigkeit beschleunigte Luft, sofern das Druckverhältnis (Pa/Pi) zwischen dem
Umgebungsluftdruck Pa und dem Innenluftdruck
Pi kleiner oder gleich dem kritischen Druckverhältnis (Pa/Pi)krit ist.
Dieses kritische Druckverhältnis
(Pa/Pi)krit liegt
ungefähr
bei einem Druckverhältnis
(Pa/Pi) von 0,527
vor. Mathematisch betrachtet wird demnach die Beziehung:
(Pa/Pi) < (Pa/Pi)krit ≈ 0,527 umgesetzt,
wobei die ausströmende
Rumpfluft 5 im engsten Bereich 6 (eingangs des
verminderten Strömungsquerschnittes) der
Lavaldüse,
der einen Spaltabstand s zwischen den in einer geöffneten
Position befindlichen Klappen 1, 3 besitzt, auf
Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
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Die
Kontur der sich zuwendenden Klappenoberflächen der beiden Klappen (1, 3)
ist ebenflächig und/oder
an die Außenhaut 14 des
Flugzeuges angepasst, wobei die untere Strömungskante 11 ein
Bestandteil der sich zuwendenden Klappenoberfläche der ersten Klappe 1 und
die obere Strömungskante 15 ein
Bestandteil der sich zuwendenden Klappenoberfläche der zweiten Klappe 3 ist.
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Es
bleibt zu ergänzen,
dass die Kontur einer sich dem Innenbereich des Flugzeugrumpfes
abwendenden Klappenoberfläche
der zweiten Klappe 3, deren untere Strömungskante 16 ein
Bestandteil dieser Klappenoberfläche
ist, und die Klappenoberfläche mit
der integrierten unteren Strömungskante 11 ausgestattete
ersten Klappe (1) eine gerade oder eine an die Außenhaut 14 des
Flugzeuges angepasste ist, so dass in geschlossener Stellung der
beiden Klappen 1, 3 eine laminare Luftströmung der
nahe oder an der Außenhaut 14 vorbeiströmenden Außenluft
umsetzbar ist.
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Hervorgehoben
wird, dass die erwähnte Strömungsrundkante 8 der
Klappennase 9, die mit ein Bestandteil des Öffnungsquerschnittes
ist und den Eintritt der ausströmenden
Rumpfluft 5 in den engsten Bereich 6 maßgeblich
beeinflusst, mit einer im Radius r gerundeten Wölbung versehen ist. Damit wird
bezweckt, dass die ausströmende
Rumpfluft 5 sich nicht von der Kontur der Wölbung ablöst und die Bildung
eines Luftwirbels dieser Rumpfluft 5 verursacht, der außerdem die
Beschleunigung der Rumpfluft (5) auf Überschallgeschwindigkeit im Überlappungsquerschnitt 7 ungewollt
stören
würde und
zu einer nicht beabsichtigten Geräuschbildung durch die ausströmende Rumpfluft
(5) führen
würde.
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Zusammenfassend
wird nochmals hervorgehoben, dass die vorgestellte Lösung sich
auf ein Luftauslaßventil
für ein
Flugzeug bezieht, das eine optimierte Luftströmung hinsichtlich Schubrückgewinn umsetzt,
also eine Maximierung der Geschwindigkeit der durch den klappeneingeschlossenen Öffnungsbereich
ausströmenden
Rumpfluft 5 bei vorhandenem positiven Differenzluftdruck ΔP und eine
Minimierung der Strömungsgeräusche.
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Dieses
Luftauslassventil soll dermaßen
ausgeführt
sein, wonach
- a) die in Flugrichtung gesehene
zweite (vordere Regel-) Klappe 3, die im folgenden „FWD Gate" genannt wird, welche
um einen Angelpunkt 4 dreh- oder schwenkbar gelagert ist,
dermaßen
angeordnet ist, dass sich mit der ersten (hinteren Regel-) Klappe 1,
die im folgenden „AFT
Gate" genannt wird,
welche um einen ersten Angelpunkt 2 dreh- oder schwenkbar
gelagert ist, ein Öffnungsbereich
(ein sogenannter Überlappungsbereich 7) bildet;
- b) beim Öffnen
des Luftauslaßventils,
bei dem das FWD Gate nach flugzeugseitig außen und das AFT Gate nach flugzeugseitig
innen (beispielsweise) verschwenkt wird, sich im Überlappungsbereich 7 ein
Strömungsquerschnitt
von der Form einer „Laval-Düse" bildet;
- c) eine Differenz zwischen dem Luftdruck auf der flugzeugseitig
innen gelegenen Seite des Luftaus- laßventils, im folgenden Innendruck
Pi genannt, und dem auf der flugzeugseitig
außen
gelegenen Seite des Luftauslassventils, im folgenden Außenluftdruck
Pa genannt, besteht, derartig, dass der Luftdruck
innen größer ist
als der Luftdruck außen (Pi > Pa), wobei die Luft zwischen den Regelklappen
des Luftauslassventils von flugzeuginnenseitig nach flugzeugaußenseitig
strömen
wird, soweit diese sich in einer geöffneten Position zueinander befinden;
- d) die austretende Rumpfluft 5 im engsten Bereich 6 (zwischen
FWD- und AFT-Gate) auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt wird, falls das Druckverhältnis (Pa/Pi) zwischen dem Außendruck Pa und
dem Innendruck Pi kleiner oder gleich dem
kritischen Druckverhältnis
(Pa/Pi)krit ist;
- e) die nach flugzeugaußenseitig
strömende Rumpfluft 5 durch
den Drucküberschuss
expandieren und auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt und so ihre Energie erhöhen wird, da der Überlappungsbereich 7 zwischen
den beiden (Regel-) Klappen 1, 3 eine Lavaldüse bildet;
- f) die Konturen der ersten Klappe 1 (AFT-Gate) und
der zweiten Klappe 3 (FWD-Gate), die Anordnung der beiden
Klappen 1, 3 zueinander oder der Bewegungsablauf
der beiden Klappen 1, 3 dermaßen gestaltet sein müssen, dass
die Laval-Form des Überlappungsquerschnittes 7 (auch)
bei einer Bewegung der beiden Klappen 1, 3 zueinander
bestehen bleibt, solange das Druckverhältnis (Pa/Pi) kleiner als das kritische Druckverhältnis (Pa/Pi)krit ist oder
zumindest die Regelpositionen der beiden Klappen 1, 3 innerhalb
eines für
den Reiseflug üblichen
Bereiches liegen.
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Dabei
sollen die Bewegungen der beiden Klappen 1, 3 durch
eine flugzeugintern installierte Kontrolleinheit die Laval-Form
des Überlappungsbereiches 7 und
somit die Überschallbeschleunigung des
austretenden Luftstromes der Rumpfluft 5 über einen
gewissen Bereich nicht beeinflussen, sondern lediglich den als Regelspalt
bezeichneten engsten Bereich 6 variieren. Durch diese Maßnahme wird
gewährleistet,
dass während
des größten Teils
des Fluges die Luftströmung
der Rumpfluft 5, die durch das Luftauslassventil ausströmt, mit
maximaler Energie austritt und so größtmöglichen Schub erzeugt.
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Auch
soll dieses Luftauslassventil dermaßen ausgeführt sein, wonach
- g) die umströmte
Nasenströmungskante 8 der Klappennase 9 der
ersten (Regel-) Klappe 1 eine ausreichend gerundete Form
aufweisen muß,
so dass sich die Luftströmung
der Rumpfluft 5 nicht von der Nasenkontur ablöst und (einen)
Luftwirbel bildet, der einerseits die Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit
im Überlappungsquerschnitt 7 stören und
andererseits zu ungewollter Geräuschbildung
durch die ausströmende Rumpfluft 5 führen kann.
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- 1
- erste
Klappe (AFT-Gate)
- 2
- erster
Angelpunkt
- 21
- Schwenkrichtung
- 3
- zweite
Klappe (FWD-Gate)
- 4
- zweiter
Angelpunkt
- 41
- Schwenkrichtung
- 5
- Rumpfluft
- 51
- Strömungsrichtung
der Luft 5
- 6
- engster
Bereich (zwischen FWD- und AFT-Gate)
- 7
- Überlappungsbereich
- 8
- Nasenströmungskante
- 9
- Klappenhase
- 10
- obere
Strömungskante
(der Klappe 1)
- 11
- untere
Strömungskante
(der Klappe 1)
- 12
- Prismenkörper
- 13
- Struktur
- 14
- Außenhaut
- 15
- obere
Strömungskante
(der Klappe 3)
- 16
- untere
Strömungskante
(der Klappe 3)
- s
- (Spalt-)Abstand
- r
- Radius
der Klappennase
- Pi
- Innendruck
- Pa
- Außendruck
- Pa/Pi
- Druckverhältnis
- (Pa/Pi)krit
- kritisches
Druckverhältnis