DE112020007562T5 - Wing console of a vertical take-off and landing airplane and airplane with such a wing - Google Patents
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Abstract
Ein Flügel (1) für ein vertikal startendes und landendes Flugzeug (2) umfasst einen tragenden Flügelabschnitt (3) sowie einen hiermit gelenkig verbundenen ersten Mechanisierungsabschnitt (4), welcher einen oberhalb des Flügelprofils angeordneten Satz von Antrieben (6) aufweist. Der Flügel (1) umfasst einen zweiten Mechanisierungsabschnitt (7), z.B. in Form einer an der Flügelhinterkante angeordneten Auftriebshilfe (Flap) oder einer Flügelklappe (Flaperon), welcher gelenkig mit dem ersten Mechanisierungsabschnitt (4) verbunden ist. Ferner wird ein Flugzeug (2) mit einem solchen Flügel (1) vorgeschlagen.A wing (1) for a vertically taking off and landing aircraft (2) comprises a supporting wing section (3) and a first mechanization section (4) articulated thereto, which has a set of drives (6) arranged above the wing profile. The wing (1) comprises a second mechanization section (7), e.g. in the form of a lift aid (flap) arranged on the trailing edge of the wing or a wing flap (flaperon), which is articulated to the first mechanization section (4). An airplane (2) with such a wing (1) is also proposed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Luftfahrt und bezieht sich insbesondere auf den Aufbau von Flügeln und Flugzeugen unter Gewährleistung eines vertikalen Startens und Landens.The present invention relates to the field of aeronautics and relates in particular to the construction of wings and aircraft ensuring vertical take-off and landing.
An die Positionierung von Schubdüsen an den Flügeln eines vertikal startenden und landenden Flugzeugs sind spezielle Anforderungen gestellt. So muss der Schubvektor während des Startens und Landens vertikal und während des Reiseflugs horizontal sein. Eine der Möglichkeiten, um diesen Anforderungen Genüge zu tun, besteht in einem Einsatz von Schubdüsen mit variablem Schubvektor, wie es bei der vorliegenden Erfindung implementiert ist.Special requirements are placed on the positioning of thrust nozzles on the wings of aircraft that take off and land vertically. Thus, the thrust vector must be vertical during takeoff and landing and horizontal during cruise. One of the ways to meet these requirements is through the use of variable thrust vector exhaust nozzles, as implemented in the present invention.
Aus der
- 1. Der Winkel zwischen der Erstreckungsrichtung des Schubvektors und der Horizontalen ist groß, weil die Antriebe am ersten Abschnitt der Auftriebshilfe (Flap) angeordnet sind, welche während des Startens und Landens ausgelenkt wird;
- 2. Der Abgasstrom der Triebwerke erzeugt einen Unterdruck oberhalb des zweiten Abschnittes der Auftriebshilfe (Flap), wodurch die Druckdifferenz unterhalb und oberhalb des Flügels vergrößert wird.
- 1. The angle between the direction of extension of the thrust vector and the horizontal is large because the drives are arranged on the first section of the lift aid (flap), which is deflected during takeoff and landing;
- 2. The exhaust gas flow from the engines creates a negative pressure above the second section of the lift aid (flap), which increases the pressure difference below and above the wing.
In anderen Flugbetriebsweisen sind die Strahltriebwerke in den Abschnitt der Auftriebshilfe (Flap) eingefahren, um keinen zusätzlichen Luftwiderstand zu verursachen. Der erforderliche Schub in Horizontalrichtung wird von dem Haupttriebwerk am vorderen Abschnitt des Flügels erzeugt.In other modes of flight, the jet engines are retracted into the flap section so as not to cause additional drag. The required horizontal thrust is generated by the main engine at the front section of the wing.
Ein Nachteil des Flügeldesigns gemäß der vorgenannten Patentschrift besteht darin, dass dieses Design kein vertikales Starten und Landen des Flugzeugs ermöglicht, sondern lediglich die minimale Fluggeschwindigkeit verringert. Darüber hinaus werden die Strahltriebwerke nur während des Startens und Landens genutzt, während sie in anderen Flugbetriebsweisen inaktiv sind somit eine zusätzliche Last des Flugzeugs bedeuten.A disadvantage of the wing design of the aforesaid patent is that this design does not allow the aircraft to take off and land vertically, but only reduces the minimum airspeed. In addition, the jet engines are only used during takeoff and landing, while they are inactive in other flight modes, thus imposing an additional load on the aircraft.
Aus der
- - vertikales Starten, bei welchen die Mantelpropeller senkrecht angeordnet sind; und
- - Reiseflug, bei welchem der zweite Abschnitt mit den Mantelpropellern eine horizontale Position einnimmt (nicht ausgelenkt).
- - vertical launch, in which the ducted propellers are arranged vertically; and
- - Cruise flight, in which the second section with the ducted propellers assumes a horizontal position (not deflected).
Der Nachteil dieses Ausgangsbaumusters besteht darin,
- - dass keine Möglichkeit einer zusätzlichen Einstellung der Parameter des Druckes und der Geschwindigkeit des Luftstrahls am Auslass der Triebwerke besteht, wobei die Einstellung lediglich über die Geschwindigkeitssteuerung der Propeller erfolgt; und
- - dass keine Möglichkeit einer zusätzlichen Einstellung der Richtung des Luftstrahls am Auslass der Triebwerke besteht.
- - that there is no possibility of additional adjustment of the parameters of the pressure and speed of the air jet at the outlet of the engines, the adjustment being made only through the speed control of the propellers; and
- - that there is no possibility of additional adjustment of the direction of the air jet at the outlet of the engines.
Die
Der Nachteil des Flugzeugs gemäß der vorgenannten Druckschrift besteht im Nichtvorhandensein einer starr an dem Rumpf befestigten, tragenden aerodynamischen Fläche, welche einen zusätzlichen Auftrieb während der Reiseflug- und Startstadien infolge eines Unterdruckes oberhalb ihrer oberen Fläche bewirkt.The disadvantage of the aircraft according to the aforesaid document is the absence of a structural aerodynamic surface rigidly attached to the fuselage which provides additional lift during the cruise and take-off stages due to negative pressure above its upper surface.
Das aus der
Ein weiterer Nachteil dieses als Ausgangsbaumuster dienenden Flugzeugs besteht darin, dass zusätzlich zu den Nachteilen in Bezug auf den Flügel eines solchen Flugzeugs, d.h. in Bezug auf die Unmöglichkeit einer zusätzlichen Steuerung der Parameter und der Richtung des Luftstrahls der Triebwerke, ein nur geringer Grad an Kontrollierbarkeit des Flugzeugs bei geringen Fluggeschwindigkeiten gegeben ist.Another disadvantage of this prototype aircraft is that that in addition to the disadvantages related to the wing of such an aircraft, that is, related to the impossibility of additional control of the parameters and direction of the air jet of the engines, there is only a low degree of controllability of the aircraft at low flight speeds.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Flügelkonsole mit schwenkbaren Schubdüsen vorzuschlagen, welche in der Start-/Landeposition einen zum vertikalen Starten/Landen erforderlichen Schub in Vertikalrichtung erzeugen, während sie in der Reiseflugposition einen hinreichenden Schub in Horizontalrichtung erzeugen, wie er für den Horizontalflug mit hohen Geschwindigkeiten erforderlich ist.An object of the invention is to propose a wing panel with pivoting thrusters which, in the takeoff/landing position, produce a vertical thrust required for vertical takeoff/landing, while in the cruise position they produce sufficient horizontal thrust for level flight at high speeds is required.
Dis Flügelkonsole umfasst Elemente, welche eine zusätzliche Steuerbarkeit von beidem zur Verfügung stellen: der Richtung und des Druckes/der Geschwindigkeit des Abgasstromes der Schubdüsen.The wing console includes elements that provide additional controllability of both the direction and pressure/velocity of the exhaust flow of the exhaust nozzles.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein vertikal startendes und landendes Flugzeug vorzuschlagen, welches einen hohen Grad an Kontrollierbarkeit bei geringen Horizontalfluggeschwindigkeiten bietet und die Vorteile eines Flugzeugs mit jenen eines Hubschraubers kombiniert. Genauer: die Möglichkeiten eines vertikalen Startens und Landens, eines Schwebens in der Luft, eines Fliegens mit geringen Geschwindigkeiten wie ein Hubschrauber sowie eines Horizontalfluges mit hohen Geschwindigkeiten unter wirksamer Nutzung der aerodynamischen Flächen wie ein Flugzeug.Another object of the invention is to propose a vertical take-off and landing aircraft which offers a high degree of controllability at low level flight speeds and combines the advantages of an airplane with those of a helicopter. More precisely: the possibilities of vertical take-off and landing, hovering in the air, flying at low speeds like a helicopter, and level flight at high speeds using the aerodynamic surfaces efficiently like an airplane.
Das erste Ziel der Erfindung wird mittels einer Flügelkonsole eines Flugzeugs erreicht, welche einen tragenden Abschnitt und einen hieran mittels eines Gelenks befestigten ersten Mechanisierungsabschnitt aufweist, welcher elektrisch angetriebene Schubdüsen umfasst, welche oberhalb des Flügelprofils angeordnet sind. Eine Umlenkung des ersten Mechanisierungsabschnittes verändert die Richtung des Schubvektors. Erfindungsgemäß umfasst die Flügelkonsole einen zweiten Mechanisierungsabschnitt, welcher mittels eines Gelenks an dem ersten Mechanisierungsabschnitt befestigt und
- - oberhalb der Schubdüsen - im Falle einer ersten Ausführungsform;
- - unterhalb der Schubdüsen - im Falle einer zweiten Ausführungsform;
- - oberhalb und unterhalb der Schubdüsen (zwei aerodynamische Flächen) - im Falle einer dritten Ausführungsform angeordnet ist.
- - above the exhaust nozzles - in the case of a first embodiment;
- - below the exhaust nozzles - in the case of a second embodiment;
- - located above and below the exhaust nozzles (two aerodynamic surfaces) - in the case of a third embodiment.
Darüber hinaus kann der zweite Mechanisierungsabschnitt bei allen vorgenannten Ausführungsformen in zwei Abschnitte entlang der Flügelspannweite unterteilt sein, wobei ein jeweiliger Abschnitt als Auftriebshilfe (Flap) oder Flügelklappe (Flaperon) zu wirken vermag. Der zweite Mechanisierungsabschnitt sorgt für die Fähigkeit, die Druck- und Geschwindigkeitsparameter des Abgasstromes der Schubdüse ebenso zusätzlich zu steuern wie die Richtung des Schubvektors.In addition, the second mechanization section can be divided into two sections along the wingspan in all of the aforementioned embodiments, with a respective section being able to act as a lift aid (flap) or wing flap (flaperon). The second mechanization section provides the ability to additionally control the pressure and velocity parameters of the exhaust nozzle exhaust flow as well as the direction of the thrust vector.
Das zweite Ziel wird mittels eines vertikal startenden und landenden Flugzeugs erreicht, welches einen Rumpf sowie zwei Paare von aerodynamischen Flächen in Form von Flügelkonsolen und Steuerruderkonsolen aufweist. Die Steuerruderkonsolen umfassen einen starr an dem Rumpf befestigten Abschnitt sowie einen hiermit gelenkig verbundenen einteiligen Flügel mit einem Schubdüsensatz, so dass die Rotationsachse des Schubdüsensatzes mit der Profilsehne des Flügels zusammenfällt. Das Flugzeug ist erfindungsgemäß mit einem Flügel der vorgenannten Art ausgestattet und ermöglicht in Verbindung mit den freibeweglichen Steuerruderkonsolen ein vertikales Starten, ein Schweben sowie einen Horizontalflug mit hohen Geschwindigkeiten. Durch Umlenken des zweiten Mechanisierungsabschnittes der Flügelkonsole wird ein hohes Maß an Kontrollierbarkeit des Flugzeugs bei geringen Horizontalfluggeschwindigkeiten sichergestellt.The second objective is achieved by means of a vertical take-off and landing aircraft which has a fuselage and two pairs of aerodynamic surfaces in the form of wing panels and rudder panels. The rudder consoles comprise a portion rigidly attached to the fuselage and a unitary wing having a thruster pack hingedly connected thereto so that the axis of rotation of the thruster pack coincides with the chord line of the wing. According to the invention, the aircraft is equipped with a wing of the aforementioned type and, in conjunction with the freely movable control rudder consoles, enables vertical take-off, hovering and horizontal flight at high speeds. By redirecting the second mechanization section of the wing console, a high degree of controllability of the aircraft at low level flight speeds is ensured.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine Draufsicht auf eine Flügelkonsole; -
2 einen Querschnitt der Flügelkonsole gemäß einer ersten Ausführungsform in Reiseflugposition; -
3 einen Querschnitt der Flügelkonsole gemäß einer zweiten Ausführungsform in Reiseflugposition; -
4 einen Querschnitt der Flügelkonsole gemäß einer dritten Ausführungsform in Reiseflugposition; -
5 eine Draufsicht auf eine Flügelkonsole, bei welcher der zweite Mechanisierungsabschnitt in zwei Abschnitte - außen und innen - unterteilt ist; -
6 einen Querschnitt der Flügelkonsole, bei welcher der zweite Mechanisierungsabschnitt oberhalb und unterhalb der Schubdüsen angeordnet ist und als Flügelklappe wirkt, in Start-/Landposition; -
7 eine Draufsicht auf eine Steuerruderkonsole; -
8 einen Querschnitt der Steuerruderkonsole; -
9 ein Flugzeug mit Flügel- und Steuerruderkonsolen in Start-/Landeposition; und -
10 das Flugzeug mit Flügel- und Steuerruderkonsolen in Reiseflugposition.
-
1 a plan view of a wing console; -
2 a cross section of the wing console according to a first embodiment in cruise position; -
3 a cross section of the wing console according to a second embodiment in cruise position; -
4 a cross section of the wing console according to a third embodiment in cruise position; -
5 a plan view of a wing console, in which the second mechanization section is divided into two sections - external and internal; -
6 a cross section of the wing panel, in which the second mechanization section is arranged above and below the exhaust nozzles and acts as a wing flap, in the takeoff/land position; -
7 a plan view of a rudder console; -
8th a cross section of the rudder console; -
9 an airplane with wing and rudder consoles in takeoff/landing position; and -
10 the airplane with wing and rudder consoles in cruise position.
Während sich die
Die Flügelkonsole 1 (
In der
In der
Die
Bei jeder dieser Ausführungsformen vermag der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 (sowie im Falle der dritten Ausführungsform auch die Fläche 9) als Auftriebshilfe (Flap) oder Flügelklappe (Flaperon) zu wirken. Er kann ferner in zwei sich entlang der Flügelspannweite erstreckende Abschnitte unterteilt sein, so dass ein als Auftriebshilfe (Flap) wirkender innerer zweiter Mechanisierungsabschnitt 7' (und die Fläche 9' im Falle der dritten Ausführungsform) sowie ein als Flügelklappe (Flaperon) wirkender äußerer zweiter Mechanisierungsabschnitt 7'' (und die Fläche 9'' im Falle der dritten Ausführungsform) gebildet ist. Die
Zur Betätigung der ersten 4 und zweiten Mechanisierungsabschnitte 7 umfasst die Flügelkonsole 1 einen von der Art des zweiten Mechanisierungsabschnittes 7 abhängigen Auftriebshilfen-Stellantrieb 11 und/oder Flügelklappen-Stellantrieb 12. Im Falle des Auftriebshilfen-Stellantriebs 11 entspricht jede Position des ersten Mechanisierungsabschnittes 4 einer bestimmten Position des zweiten Mechanisierungsabschnittes 7. Im Falle des Flügelklappen-Stellantriebs 12 besteht die Möglichkeit eines separaten Drehens des zweiten Mechanisierungsabschnittes 7 (und der Fläche 9 im Falle der dritten Ausführungsform) in Bezug auf die Anfangsposition um einen zusätzlichen Winkel α an beiden Seiten (vgl. die
Das vertikal startende und landende Flugzeug 2 umfasst einen Rumpf 13 und zwei Paare von aerodynamischen Flächen in Form von Flügelkonsolen 1 (welche gemäß einer beliebigen der obigen Ausführungsformen ausgestaltet sein können) sowie Steuerruderkonsolen 14, welche einen starr an dem Rumpf 13 befestigten feststehenden Abschnitt 15 sowie eine mittels einer Welle 18 an dem feststehenden Abschnitt 15 befestigte, vollbewegliche aerodynamische Fläche 16 mit einem Schubdüsensatz 17 (
Der Schubdüsensatz 17 bildet eine Erweiterung der vollbeweglichen aerodynamischen Fläche 16, so dass die Rotationsachse des Schubdüsensatzes 17 mit der Profilsehne 19 dieser Fläche 16 zusammenfällt. Um die Richtung der Schubdüse zu verändern, lassen sich die Steuerruderkonsolen 14 in entsprechender Weise auslenken wie die Flügelkonsolen 1. Auf diese Weise ermöglichen die Steuerruderkonsolen 14 gemeinsam mit den Flügelkonsolen 1 ein vertikales Starten/Landen des Flugzeugs (
Das Wesen der Erfindung betrifft die speziellen Merkmale des Betriebs des Flugzeugs in sämtlichen Flugstadien, d.h. während des Startens/Landens, während des Übergangs und des Reiseflugs.The essence of the invention relates to the specific features of the operation of the aircraft at all stages of flight, i.e. during takeoff/landing, during transition and during cruise.
Es existieren zwei extreme Auslenkpositionen der ersten 4 und zweiten Mechanisierungsabschnitte 7 der Flügelkonsolen 1 sowie der vollbeweglichen aerodynamischen Flächen 16 - Start-/Landeposition und Reiseflugposition. In der Start-/ Landeposition ist die Mechanisierung der Flügelkonsole gänzlich ausgelenkt, so dass ein Schub in vertikaler Richtung gewährleistet ist, wohingegen in der Reiseflugposition die Mechanisierung ihre unausgelenkte Position einnimmt, so dass ein Schub in horizontaler Richtung gewährleistet ist. Nach dem vertikalen Start dreht sich die Mechanisierung sukzessive von der Start-/Landeposition in die Reiseflugposition, wobei die horizontale Fluggeschwindigkeit erhöht wird.There are two extreme deflection positions of the first 4 and second 7 mechanization sections of the
Der Vorteil der Ausgestaltung der Flügelkonsole 1 gemäß der ersten Ausführungsform besteht in einem hohen Grad an Kontrollierbarkeit der Richtung des Abgasstromes des Schubdüsensatzes 6. Während des Startens/Landens wird der erste Mechanisierungsabschnitt 4 mit dem Schubdüsensatz 6 nicht vertikal positioniert, wobei der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 eine zusätzliche Umlenkung des Abgasstromes bewirkt. Die Position des Schubdüsensatzes 6 führt zu einer Erhöhung des Auftriebs infolge der Erzeugung eines zusätzlichen Unterdruckes oberhalb der Fläche des tragenden Abschnittes 3. Der Nachteil besteht in der Komplexität des Aufbaus der Auftriebshilfen-Stellantriebs 11 bzw. des Flügelklappen-Stellantriebs 12.The advantage of designing the
Der Vorteil der Ausgestaltung der Flügelkonsole 1 gemäß der zweiten Ausführungsform besteht in einem durch den zweiten Mechanisierungsabschnitt 7 bewirkten zusätzlichen Auftrieb während des Reisefluges aufgrund dessen, dass der Abgasstrom des Düsensatzes 6 einen Unterdruck oberhalb der Fläche des zweiten Mechanisierungsabschnittes 7 erzeugt. Der Nachteil besteht darin, dass der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 den Abgasstrom während des Startens/Landens nicht unter einem signifikanten Winkel im Vergleich mit der ersten Ausführungsform umzulenken vermag, so dass der Abgasstrom zum Strömungsabriss neigt. Aus diesem Grund wird der Düsensatz 6 in einem annähernd vertikalen Winkel positioniert, was den zusätzlichen Auftrieb infolge eines leichten Unterdruckes oberhalb des tragenden Abschnittes 3 verringert.The advantage of the design of the
Der Vorteil der Ausgestaltung der Flügelkonsole 1 gemäß der dritten Ausführungsform besteht in einem zusätzlichen Auftrieb ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die aerodynamischen Flächen 7 und 9 gemeinsam einen Auslassquerschnitt S des Abgasstromes des Düsensatzes 6 bilden. Wenn der zweite Mechanisierungsabschnitt ausgelenkt ist, verändert sich die Fläche des Auslassquerschnittes S in Abhängigkeit der Position der aerodynamischen Flächen 7 und 9, was zu einer Änderung der Druck-/Fluggeschwindigkeitsparameter führt. Da der zweite Mechanisierungsabschnitt zwei Flächen 7 und 9 umfasst, ist jedoch eine Verbindungsstange 10 erforderlich, um für die notwendige gegenseitige Kinematik zu sorgen.The advantage of the design of the
Im Gegensatz zu herkömmlichen aerodynamischen Flugzeugen, bei welchen Flächen gesteuert werden, die nur bei einer Fluggeschwindigkeit oberhalb eines bestimmten Grenzwertes effizient ihre Wirkung zu entfalten vermögen, weist die Flügelkonsole 1 des erfindungsgemäßen Flugzeugs 2 einen zweiten Mechanisierungsabschnitt 7 auf, welcher als Flügelklappe (Flaperon) zu wirken vermag und sich stets in einem durch den Düsensatz 6 erzeugten Luftstrom hoher Geschwindigkeit befindet. Die Flügelklappen (Flaperons) vermögen daher sowohl Gierbewegungen des Flugzeugs 2 während des Startens und Landens als auch eine wirksame Steuerung des Flugzeugs 2 hinsichtlich Gier- und Rollbewegungen bei geringen horizontalen Fluggeschwindigkeiten zu bewirken. Darüber hinaus besteht im Falle der dritten Ausführungsform der Flügelkonsole 1 die Möglichkeit, die Druck- und Geschwindigkeitsparameter des Abgasstromes des Düsensatzes 6 zusätzlich zu verändern, indem die Fläche des Auslassquerschnittes S verändert wird. Das Flugzeug 2 ist folglich in allen Flugstadien und bei allen Fluggeschwindigkeiten gut beherrschbar.In contrast to conventional aerodynamic aircraft, in which surfaces are controlled that are only able to develop their effect efficiently at a flight speed above a certain limit value, the
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Legal Events
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