-
Tragflügel für Überschallgeschwindigkeiten Die Erfindung betrifft
einen Tragflügel für Oberschallgeschwindigkeiten mit einem oberen Teil und einem
von diesem in Abstand befindlichen unteren Teil, zwischen denen ein Diffusionskanal
gebildet ist, insbesondere zur Speisung eines Triebwerks mit Luft.
-
Es sind Tragflügel für Unterschallgeschwindigkeiten bekannt, die aus
zwei im wesentlichen parallel zueinander und im Abstand übereinanderliegenden, ebenen
Tragflächen bestehen. Flugzeuge mit derartigen Tragflügeln werden im allgemeinen
als Doppeldecker bezeichnet. Bei Fluggeschwindigkeiten unterhalb Mach 1 weisen Doppeldeckerflügel
bekannte aerodynamische Vorteile auf, auf Grund deren sie besonders bei niedrigen
Geschwindigkeiten Eindeckern überlegen sein können. Einen gewissen Fortschritt brachte
schon die Profilierung der oberen und der unteren Fläche. Dabei entstand zwangläufig
zwischen den Flügeln ein Kanal von der Form einer angedeuteten Lavaldüse. Diese
hatte jedoch für Unterschallgeschwindigkeiten keine Bedeutung. Für eine ganz spezielle
Tragflügelausführung mit pfeilförmigem Flügelgrundriß sollte bei Propellerflugzeugen
die Spannweite verringert werden. Dazu wurde ebenfalls eine profilierte Doppeldecker-Tragflächenanordnung
gewählt, bei der die obere Tragfläche, in Flugrichtung gesehen, über die untere
Tragfläche hinausragte. Es sollte damit eine gegenseitige Beeinflussung der Flächenumströmungen,
insbesondere an den verstellbaren Abströmkanten, vermieden werden.
-
Für Überschallflugzeuge ist es bekannt, in einem Tragflügel Strömungskanäle
von der Querschnittsform einer Lavaldüse einzubauen. Die Tragflächen sind dann nicht
mehr profiliert, und ihre Außenflächen sind möglichst eben und parallel zueinander
angeordnet. Um die Verluste infolge des Verdichtungsstoßes gering zu halten, wurde
bei bekannten Tragflügelanordnungen symmetrisch zwischen oberer und unterer Flügelkante
und um eine bestimmte Strecke vorstehend eine Kante vorgesehen. Der Winkel, den
diese Kante mit den beiden Tragflächenvorderkanten bildete, war kleiner als der
doppelte Machsche Winkel.
-
Es war üblich geworden, alle Versuche und Anstrengungen zu unternehmen,
um die Stoßwellen möglichst ganz auszuschalten.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Tragflügel für Überschallströmungen
zu schaffen, der die Verluste infolge unvermeidbarer Stoßwellen möglichst gering
hält, jedoch gleichzeitig den anfallenden Druckanstieg zum Auftrieb und zum Vorkomprimieren
der in den Diffusionskanal eindringenden Luft ausnutzt.
-
Um die Lösung der Aufgabe in ihrem ganzen Umfang verstehen zu können,
soll kurz die Theorie erläutert werden.
-
Wie es in der Technik allgemein bekannt ist, weisen Tragflächen im
allgemeinen eine aerodynamische Auftriebsfläche auf, die so ausgelegt ist, daß sie
im umgebenden Medium infolge ihrer Bewegung durch das Strömungsmedium eine Auftriebskraft
entwickelt. Sie können zusätzlich eine Diffusionseinrichtung einschließen, die die
allgemeine Aufgabe hat, einen Teil der kinetischen Energie, die der schnellen Relativbewegung
zwischen dem Strömungsmittel und der Tragfläche innewohnt, in nützliche Druckenergie
umzuwandeln. Das letztere Ergebnis kann durch zweckmäßige Auslegung des Diffusors
erzielt werden, um eine Verminderung des anfänglich schnellen Flusses des Strömungsmediums
(der Relativbewegung des Strömungsmediums in bezug auf die Diffusoreinrichtung)
in eine verhältnismäßig langsame Strömung in einem erwünschten Bereich, wie etwa
einer eingeengten Kammer innerhalb des Diffusors, zu bewirken. Eine solche Kammer
kann z. B. eine Brennkammer oder Brennvorkammer einer inneren Brennkammervorrichtung
umfassen, die die Treibkraft liefert, welche die Tragfläche durch das Strömungsmedium
treibt. Mehrere Arten von Diffusorkonstruktionen sind in der Technik bekannt. In
elementarer und üblicher Form umfaßt ein Diffusor jedoch einfach einen rohrartigen
Kanal, der den elastischen Strom führt und der einen längs des Strömungsweges veränderlichen
Querschnitt besitzt, wodurch die sich
ergebenden veränderlichen
volumetrischen Bedingungen im Strömungsmedium Anlaß zu dem erwünschten Druckanstieg
geben. Es ist bekannt, daß die Druckbedingungen in und um die Tragfläche und auch
in dem Diffusor durch das Phänomen der Stoßwellen beeinflußt werden, wenn die Strömungsmittelgeschwindigkeit
die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Stoßwellen können als Störungen im Strömungsfluß
betrachtet werden, die durch Schallwellen hervorgerufen werden. Diese Schallwellen
werden von Unregelmäßigkeiten der Gestalt der Tragfläche oder des Diffusorkörpers
als eine Folge von plötzlichen Richtungswechseln des Strömungsmittelflusses in der
Nachbarschaft der Unregelmäßigkeiten ausgesendet. Im allgemeinen kann die von einer
Stoßstelle herrührende Stoßwelle als die Einhüllende der von der Stoßstelle ausgesendeten
Schallwellen betrachtet werden und kann so durch eine Linie dargestellt werden,
die sich in die Richtung der Strömung und schräg zu ihr unter einem Winkel erstreckt,
der dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeit zur Strömungsgeschwindigkeit proportional
ist. Der Winkel wird auch vom Winkel der ablenkenden Oberfläche an der Stoßstelle
beeinflußt, d. h. durch den Grad, durch den sie danach strebt, die Strömung abzulenken.
Diese Linie kann als eine Unstetigkeitslinie in dem Druckgeschwindigkeitszustand
des Strömungsmediums aufgefaßt werden, da dessen Druck, Dichte und Temperatur plötzlich
ansteigen, wenn das Strömungsmedium durch die Stoßwelle hindurchgeht, wobei dieser
Wechsel auf Kosten der Strömungsmediumsgeschwindigkeit erfolgt, die dadurch im Übergangsbereich
abnimmt. Der folgende von Energiebetrachtungen abgeleitete Ausdruck kann zur Darstellung
des Übergangsphänomens benutzt werden: K El + P1 = KE2 + P2 + Verluste, (1)
d. h., die kinetische Energie (K El) und die Druckenergie (P1) vor der Stoßwelle
sind gleich der kinetischen Energie (K E2) und der Druckenergie (P2) hinter der
Stoßwelle zusätzlich gewisser Verluste, die entstehen, wenn das Strömungsmedium
durch die Stoßwellenunstetigkeit hindurchgeht. Die Verluste können der außerordentlich
schnellen Bremsung der Teilchen des Strömungsmediums in der sehr kleinen Breite
der Stoßwelle (1/g.. mm) zugeschrieben werden. Die Abbremsung ruft Reibung zwischen
den Molekülen des Strömungsmediums hervor, wodurch ein Teil der vorhandenen Geschwindigkeitsenergie
in Wärme umgesetzt wird. Je umfangreicher die Größe der Stoßwelle ist, d. h. je
größer der Druckanstieg über der Welle wird, um so größer ist der Verlustfaktor.
-
Obzwar eine durch eine Stoßwelle anfallende Druckzunahme für irgendeine
wünschenswerte Druckwirkung ausgenutzt werden kann, wird nichtsdestoweniger in der
üblichen Praxis versucht, alle aerodynamischen Konstruktionen, wie Tragflächen oder
Diffusoren, so auszulegen, daß die Stoßwellen überhaupt ausgeschaltet werden oder
daß zumindest ihre Stärke vermindert wird, da der auf diese Weise erzeugte Druckanstieg
wegen des in der Gleichung (1) angegebenen Verlustfaktors ungenügend ist. Es ist
jedoch schwierig - wenn nicht unmöglich -, eine vollständige Ausschaltung zu bewirken,
und deshalb wäre es sehr wünschenswert, Entwürfe für Tragflächen oder Diffusoren
zu besitzen, die den Verlustfaktor vermindern, während sie gleichzeitig den anfallenden
Druckanstieg verwenden. Genau dieses Ergebnis wird durch die verbesserte Gestaltung
des Tragflächendiffusors nach der Erfindung bewirkt.
-
Die Lösung der oben angegebenen Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß die Vorderkante des oberen Teils so weit vor der Vorderkante des unteren
Teils liegt, daß zu vorbestimmten Fluggeschwindigkeiten die von der Vorderkante
des oberen Teils ausgehende Stoßwelle unter der Vorderkante des unteren Teils vorbeigeht.
Zur Erhöhung der Wirkung kann die sich von der Vorderkante des oberen Teils nach
hinten und unten erstreckende Fläche einen eine Fortsetzung dieses Teils bildenden
konkaven Abschnitt oder auch mehrere gegeneinander im Winkel versetzte Abschnitte
aufweisen. Dabei gehen die von diesen Abschnitten erzeugten sekundären Stoßwellen
ebenfalls unter der Vorderkante des unteren Flügelteils vorbei. Zur Ableitung der
Grenzschicht an der Diffusoreintrittsöffnung sind zweckmäßig mehrere Kanäle vorgesehen.
-
An Hand der Zeichnung, in der eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt
ist, soll die Erfindung näher erläutert werden.
-
Fig. 1 und 2 zeigen einen Querschnitt des Tragflügels gemäß vorliegender
Erfindung, der für Flugzeuge mit hohen Geschwindigkeiten, wie Düsen-oder andere
Luftfahrzeuge, geeignet ist, und Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines
Tragflügels gemäß Fig. 2.
-
Die Relativgeschwindigkeit zwischen der Tragfläche und der umgebenden
Luft kann ausgenutzt werden, um unter der Tragfläche einen Strömungsmediumdruck
für den Auftrieb und gleichzeitig einen nützlichen Druck in einer Druckkammer einer
inneren Brennkammervorrichtung, die das Flugzeug treibt, aufzubauen. Die Tragfläche
kann einen geeigneten Stromlinienkörper umfassen, der so ausgelegt ist, daß er mit
möglichst geringem Luftwiderstand und anderen störenden Kräften durch die Luft hindurchgeht,
und der einen Nasenteil 2 hat, wobei ein Eintrittskanal 3 für das Strömungsmedium
innerhalb des Körpers, d. h. durch die gegenüberliegenden Wände eines unteren Teils
4 und eines oberen Teils 5 gebildet ist, die durch geeignete Mittel,
wie beispielsweise Verstrebungen 6, in festem Abstand gehalten werden.
-
An seinem hinteren Ende erweitert sich der Kanal 3 zu einer Kammer
7, wo es erwünscht ist, hohen Druck durch Diffusionsvorgänge im vorhergehenden Teil
des Kanals aufzubauen. Die Tragfläche kann in irgendeiner geeigneten Form ausgelegt
sein, d. h., der in Fig. 1 gezeigte Schnitt kann, wie angegeben, einen senkrechten
Querschnitt durch eine im allgemeinen ebene Konstruktion mit im wesentlichen ebenen
Teilen 4 und 5 bilden.
-
Die Spitze 8 des Nasenteils 2 der Tragfläche erzeugt
eine durch die Linie 9 angegebene Stoßwelle, wenn das Flugzeug in der durch den
Pfeil angegebenen Richtung fliegt. Um die Stoßwelle und die in ihr hervorgerufenen
Verluste zu vermindern, ist der Nasenteil 2
in der Nähe der Spitze 8 so konstruiert,
daß er eine sehr scharf zugespitzte Kante besitzt, die eine minimale Störung des
Luftstroms in ihrer unmittelbaren Umgebung erzeugt. Eine geringe erwünschte Verdichtung
des Strömungsmediums wird durch die Stoßwelle 9 bewirkt. Der von dieser Verdichtung
herrührende Druckanstieg trägt zusammen mit den Druckanstiegen, die, wie nachher
beschrieben, an den folgenden Oberflächen auftreten, zum Auftrieb der Tragfläche
bei.
Um die Ausbildung einer Gegenstoßwelle an der oberen Fläche
des Teils 5 vom Körper 1 zu verhindern, welche dazu neigen könnte, die von der Stoßwelle
9 hervorgerufene Druckauftriebswirkung aufzuheben, ist die obere Fläche des Teils
5 so ausgelegt, daß sie einen positiven Anstellwinkel besitzt.
-
Die Hauptkontur der oberen Fläche erstreckt sich unter einem Winkel
unterhalb der durch die Linie 10
der Pfeilverlängerung angegebenen normalen
Flugrichtung. Jeder positive Winkel bringt das erwünschte Ergebnis zustande. Der
inderZeichnung angegebene Winkel von 3 dient Zwecken der Darstellung. Es ist dem
Fachmann verständlich, daß unter diesen Umständen über der oberen Fläche eine hinreichende
Ausdehnung des Strömungsmediums besteht, so daß ein Druckanstieg in diesem allgemeinen
Bereich verhindert wird. Um noch weitere Verdichtung an der Unterseite des Körpers
1 zu bewirken, bevor das Strömungsmittel in den Kanal 3 eintritt, kann der der Umgebung
der Spitze 8 folgende Teil der Nase 2 so ausgelegt werden, daß er eine glatte, sich
allmählich krümmende, konkave Verdichtungsfläche 11 (im wesentlichen zwischen den
gestrichtelten Linien 12 und 13) darstellt. Wegen ihrer allmählichen
konkaven Kurvenform längs der Strömungsrichtung erzeugt die Oberfläche
11
eine unendliche Anzahl unendlich kleiner Stoßwellen, die lings der Strömungsrichtung
verteilt sind und in dieser Richtung einen allmählichen Druckanstieg ergeben. Eine
solche Reihe von kleinen Stoßwellchen kann durch einige sie darstellende Linien
14, 15 und 16 angegeben werden. Die kleinen Stoßwellchen schneiden in die
Stoßwelle 9 ein und lenken ihren Verlauf abwärts, während sie gleichzeitig ihre
Stärke erhöhen, wie es hier durch die zunehmende Dicke des Endteils der Linie 9
dargestellt ist. Für die beste Arbeitsweise der Tragfläche ist es vorzuziehen, daß
die Stoßwelle 9 nach dem Niederdrücken durch die kleinen Stoßwellchen ein gutes
Stück vor der Vorderkante 17 des unteren Teils 5 liegt, damit sie nicht irgendeinen
Punkt des Teils 5 trifft und dadurch in den Kanal 3 hineingelenkt wird, sondern
die Stoßwelle 9 sollte sich, wenn sie die Umgebung der Spitze 17 erreicht,
außerhalb der Grenzstromlinie 18 befinden, die eine Teilungslinie zwischen
dem Strömungsmediumfluß, der in den Kanal 3 eintritt, und dem Strömungsmedium, das
unterhalb des Teils 4 strömt, darstellt. Der Winkel an der Spitze 8 zusammen mit
der Länge des Nasenteils 2 vor der Spitze 17 und die Krümmung der Fläche
11 sollten so ausgelegt werden, daß diese Wirkung gewährleistet ist. Die
Art und Weise, wie diese Faktoren abgestimmt werden, ist dem Fachmann leicht verständlich.
-
Durch die allmähliche Krümmung der Verdichtungsoberfläche
11 ist der an ihr vorbeigehende Fluß des Strömungsmediums im wesentlichen
verlustfrei ; gemacht, während gleichzeitig ein bestimmter erwünschter Druckanstieg
hervorgerufen wird. Dabei sind natürlich die Verluste vernachlässigt, die von der
Reibung an den verschiedenen Oberflächen herrühren.
-
Weiter unterhalb des konkaven Teils der Nase tritt der Strömungsmittelfluß
in den Kanal 3 ein, der im wesentlichen parallel zur Achse der Tragfläche angeordnet
ist, und die Spitze 17 des unteren Teils 4 bewirkt, daß die Luft unter mehreren
Winkeln schroff abgelenkt wird, wodurch die Stoßwellen 19 und 20
erzeugt
werden. Der Winkel der letzteren Stoßwellen kann durch Methoden, die dem Fachmann
bekannt sind, vorausbestimmt werden. Die Stoßwelle 19 kann sich zur Stoßwelle 9
wie im Fall der kleinen Stoßwellchen 14, 15 und 16 addieren. Die Stoßwelle
20 veranlaßt eine Anzahl von Reflexionen 21, 22 und 23
stromab
zwischen den Wänden des Kanals 3, bis sie in einer senkrechten Stoßwelle
24 gerade hinter dem Halsabschnitt 25 des Kanals 3 endet. Der Halsabschnitt
ist der Ouerschnitt am Punkt der schmalsten Verengung. die im wesentlichen durch
die gestrichelte Linie 26 angegeben ist. In dieser Hinsicht kann der Kanal 3 vor
der Kammer 7 als in zwei Abschnitte geteilt betrachtet werden, wobei je ein Abschnitt
auf einer jeden Seite des Halsteils 25 liegt. Der erste Abschnitt kann als eine
Überschallreflexion oder Druckkammer 27 zwischen der senkrechten Stoßwelle
24 und der Spitze 17 und an der Vorderseite des Halsabschnitts 25 bezeichnet
werden, während der zweite Abschnitt als Unterschalldiffusor oder Druckkammer
28 zwischen der senkrechten SLOßwelle 24 und der ungefähren Lage der
gestrichelten Linie 29 an der rückwärtigen Seite bezeichnet werden kann. Nach Verlassen
des Unterschalldiffusorabschnittes 28 tritt der Strömungsmittelfluß in die Brennkammer
7 ein. Nach der Vermischung mit Brennstoff in der Brennkammer und Zündung der Mischung
können die Verbrennungsprodukte auf übliche Weise durch die Auslaßdüse 30 ausgestoßen
werden, um die Vorrichtung auf bekannte Weise vorwärts zu treiben.
-
Für eine vorbestimmte gewünschte Geschwindigkeit oder einen Geschwindigkeitsbereich
des Flugzeuges kann sowohl die Gestaltung der Tragfläche als auch des Diffusorkanals
so ausgelegt werden, daß die richtige stabile Lage der senkrechten Stoßwelle 24
sichergestellt wird. Im allgemeinen wird das durch zweckmäßige Gestaltung der Kammern
27, 28 und 7 zustande gebracht, so daß bei der vorbestimmten Geschwindigkeit die
sich ergebenden Strömungsmitteldrücke und Geschwindigkeiten (Planungsgeschwindigkeiten)
in diesen Kammern richtige Werte besitzen, um die senkrechte Stoßwelle
24 an den erwünschten Punkt zu legen und dort zu halten, wie beispielsweise
ein wenig hinter dem Halsabschnitt 25. Die Strömungsmediumgeschwindigkeiten in dem
Diffusor können im Betrieb über einen begrenzten Bereich unterhalb der Planungsgeschwindigkeit
absinken (z. B. als Folge einer Geschwindigkeitsabnahme des Flugzeugs im Huge),
ohne daß eine weitgehende Änderung der Lage der Stoßwelle 24 hervorgerufen wird,
d. h. ohne den unstabilen Zustand zu erreichen, bei dem sich die senkrechte Stoßwelle
24 im Halsabschnitt 25 stromauf und vollständig aus dem Eingang des Kanals 3 heraus
verlagert. Ein entsprechender Bereich ansteigender Geschwindigkeiten ist gleichermaßen
zulässig, bevor in der Kammer 7 ein außerordentlicher Druckabfall erfolgt. Diese
Bereiche sollten offensichtlich so groß wie möglich sein, um über einen weiten Bereich
von Betriebsgeschwindigkeiten größtmögliche Stabilität der Stoßwelle 24 und einen
richtigen Brennkammerdruck zu schaffen.
-
Die beschriebene Diffusoranordnung hat im Gegensatz zu bisher bekannten
Arten von Tragflächen, die Diffusorkanäle verwenden, einen weiteren Vorzug. Bei
bisher bekannten Anordnungen war es üblich, sowohl an der oberen als auch an der
unteren Seite der Tragfläche einen Diffusionskanal anzuordnen. Bei einer solchen
Anordnung neigt irgendeine Änderung des Tragflächenanstellwinkels dazu, im oberen
Diffusorkanal eine stärkere innere Stoßwelle und im unteren
eine
schwächere innere Stoßwelle zu bewirken. Das ändert den inneren Strömungsverlauf
beträchtlich und führt oft zu Drosselungen im Diffusorsystem und folglich zu einer
geringeren Flußmenge dort hindurch zu einem niedrigeren Druckrückgewinn und geringerer
Wirksamkeit. Diese Schwierigkeit besteht bei der in Fig. 1 gezeigten Formgebung
nicht, weil ein Ansteigen oder eine Änderung des Anstellwinkels nur auf eine Stoßwelle
wirkt und deshalb keine Störung des Gesamtbetriebs bewirkt. Man kann finden, daß
sich unter bestimmten Bemessungs- und Betriebsbedingungen in der Nähe der Oberfläche
11 ein Bereich übermäßigen Luftwiderstandes einstellt. In diesem Bereich
besteht die Tendenz, daß die Luft relativ ruhig wird und so die normal gewünschte
Arbeitsweise des Strömungsmittelflußverlaufs stört. Als ein mögliches Mittel, die
Wirkungen dieses Zustandes zu überwinden, kann ein Kanal 31 vorgesehen werden,
um einen beträchtlichen Teil dieser ruhenden Luft von der unmittelbaren Nähe der
Oberfläche 11 fortzuziehen und dieser Luft zu ermöglichen, rückwärts durch
den Tragflächenkörper zu strömen, woraufhin sie entweder ausgestoßen oder, wo so
etwas erwünscht ist, zur Kühlung der Wände der Brennkammer 7 verwendet wird.
Der Kanal 31
hat deshalb die doppelte Aufgabe, zu ermöglichen, daß der erwünschte
Strömungsmittelfluß in nächster Nähe der Oberfläche 11 beschleunigt und daß
gleichzeitig die so abgesaugte Luft zu einem nutzbringenden Zweck verwendet wird.
-
Es ist verständlich, daß der Kanal 31 in vielen Formen konstruiert
werden kann. So kann es ein breiter, flacher Kanal sein oder eine Reihe schmalerer
röhrenförmiger Kanäle, die von der Vorder- zur Rückseite der Tragfläche verlaufen.
Ein ähnlicher Kanal oder Kanäle 32 können im Teil 4 vorgesehen sein,
um die Kühlung - wenn erwünscht - zu begünstigen.
-
Es ist nicht wesentlich, daß der reflektierende Typ der in Fig. 1
gezeigten Diffusionskammer 27 verwendet wird. Jede andere in der Technik
bekannte Diffusorformgebung kann benutzt werden, z. B. die einfache Art, in der
die Stoßwellen in Nähe des Einlaßkanals 3 ausgeschaltet sind und die Diffusion ohne
deren Nutzen stattfindet.
-
Fig. 2 zeigt eine Alternativkonstruktion, die sich von der nach Fig.
1 dadurch unterscheidet, daß der Druckaufbau für die Verstärkung des Tragflächenauftriebs
nicht mittels einer sich stetig krümmenden Verdichtungsfläche 11 erzeugt
wird, sondern durch eine unstetige oder absatzweise angeordnete Oberfläche
33, die einen oder eine Vielzahl von Knicken 34 und 35 besitzt, die gegeneinander
im Winkel versetzte Abschnitte bilden, wobei jeder eine sekundäre Stoßwelle
36 bzw. 37 erzeugt, die sich summieren, so daß sie eine Hauptstoßwelle
9 bilden, die den gewünschten Druckanstieg bewirkt.
-
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs, bei dem
eine in Übereinstimmung mit Fig. 2 konstruierte Tragfläche verwendet wird. Eine
ähnliche Konstruktion kann auf die Fig. 1 angewendet werden. In Fig. 3 sind die
Teile 5 und 4, die die obere und untere Fläche der Tragfläche bilden, mittels
der Streben 6 und der Stirnteile 38 in starrer gegenseitiger Lage gehalten gezeigt.