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Senkrecht startendes und landendes Flugzeug mit Axialstrahltriebwerken
an den Flügelenden Das senkrechte Starten und Landen von Flugzeugen erlangen immer
größere Bedeutung. Dabei spielt die Frage des Antriebs eine entscheidende Rolle,
denn für einen Senkrechtstart wird eine wesentlich größere Triebwerksleistung benötigt
als für den Normalflug. Die Erfindung befaßt sich mit Flugzeugen, die senkrecht
starten und landen können und Strahltriebwerke zur direkten Auftriebserzeugung beim
Senkrechtstart aufweisen. Dabei wird im Gegensatz zu den sogenannten Hecksitzern
die Voraussetzung gemacht, daß die Flugzeuge während des Startvorganges die gleiche
Fluglage einnehmen wie beim Normalflug.
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Es sind Anordnungen bekannt, bei denen Strahltriebwerke an den Flügelspitzen
so eingebaut sind, daß die gesamten Triebwerke in ihrer Lage verschwenkt werden
können. Zum Senkrechtstart werden diese Triebwerke so verschwenkt, daß ihre Schubrichtung
senkrecht nach unten weist. Beim Übergang zum Horizontalflug werden dann die Triebwerke
wieder in die Horizontale zurückverschwenkt. Bei dieser bekannten Anordnung treten
aber gewisse konstruktive Schwierigkeiten auf, da die Triebwerke ein großes Gewicht
aufweisen und es nicht einfach ist, die schweren Triebwerke in ihrer Gesamtheit
zu verschwenken. Außerdem müssen die Triebwerke in der Lage sein, die gesamte für
den Senkrechtstart benötigte Leistung aufzubringen. Für den Normalflug in der Horizontalen
wird im allgemeinen diese hohe Leistung nicht benötigt, so daß die Triebwerke gedrosselt
werden müssen. Dabei stellt aber die Drosselung der Triebwerke eine unwirtschaftliche
Lösung dar.
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Andere bekannte Ausführungsformen für Flugzeuge mit Senkrechtstart
und -landung lassen die Strahltriebwerke fest eingebaut und sehen nur ein Verschwenken
der Schubaustrittsdüsen vor. So sind Zweikreistriebwerke bekannt, bei denen jedem
der beiden Triebwerkskreise ein Paar Schubdüsen zugeordnet ist. Diese Schubdüsen
sind als Knierohre ausgebildet und seitlich vom Triebwerk so verschwenkbar angeordnet,
daß der austretende Strahl wahlweise nach hinten für den Vortrieb oder nach unten
für den Auftrieb bzw. sogar in gewissem Umfang nach vorn für die Schubbremsung gerichtet
werden kann. Zwar entfallen bei dieser Anordnung die Schwierigkeiten der obengenannten
Ausführungsform, bei der die gesamten Strahltriebwerke verschwenkt werden müssen,
jedoch spielt auch hier die Leistungsfrage eine Rolle; denn vielfach ist das als
Marschtriebwerk ausgelegte Triebwerk nicht in der Lage, den Leistungsbedarf für
den Senkrechtstart zu decken.
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Zur Leistungserhöhung von Triebwerken hat man schon Zusatztriebwerke,
z. B. Raketen, eingesetzL Diese Zusatztriebwerke werden nach Erfüllung ihrer geworfen
und dabei gegebenenfalls sogar Aufgabe ab,-als Waffe verwendet. Eine derartige Anordnung
von Zusatztriebwerken weist aber den Nachteil auf, daß die Zusatztriebwerke nach
ihrem Abwurf bzw. nach dem Brennschluß der Raketen nicht mehr als Triebwerke zur
Verfügung stehen. Es ist also nicht mehr möglich, diese Zusatztriebwerke zu einem
späteren Zeitpunkt, z. B. bei der Landung einzusetzen. Ferner wird diese bekannte
Anordnung der Zusatztriebwerke nur dazu verwendet, einen zusätzlichen Vortrieb zu
erzeugen. Sie ist aber nicht geeignet, das senkrechte Starten und Landen zu unterstützen.
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Man hat auch schon den Weg beschritten, neben den normalerweise im
Flugzeug vorgesehenen Triebwerken für den Senkrechtstart reine Hubtriebwerke einzubauen,
die allein die Huberzeugung -übernehmen oder weniastens den zusätzlich benötigten
Hub liefern. Die Verwendung von besonderen Hubtriebwerken findet aber eine Grenze
in den Einbaumöglichkeiten. Da die Hubtriebwerke nur kurzzeitig für den Senkrechtflug
benötigt werden, sind sie verhältnismäßig klein ausgelegt. Ihre Anordnung im Rumpf
erfordert aber doch einen beträchtlichen Raum, der im allgemeinen nicht zur Verfügung
steht. Die Hubtriebwerke in der Flügelfläche selbst anzuordnen, läßt sich wegen
der Bauhöhe schlecht durchführen. Es ist daher auch schon der Vorschlag bekannt
geworden, die Hubtriebwerke in Batterien zusammenzufassen und in Gondeln mit nach
unten gerichteter Strahlrichtung anzuordnen. In diesen Gondeln sind die Triebwerke
mit senkrechter Achse eingebaut. Die Gondeln weisen daher eine aerodynamisch ungünstige
Form auf und verursachen beim Vorwärtsflug einen verhältnismäßig großen Widerstand.
Dieser Nachteil läßt den Einbau
von Hubtriebwerken in Gondeln vielfach
nicht als ratsam erscheinen.
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Hinzu kommt noch als weiterer Nachteil, daß die Schubdüsen der Hubtriebwerke
stets nach unten gerichtet sind und die Schubaustrittsrichtung nur in ganz geringen
Grenzen änderbar ist. Beim Senkrechtstart und dann, wenn die Hubtriebwerke auf dem
Boden im Stand zur Probe laufen sollen, ruft der austretende Triebwerksstrahl stets
eine Bodenerosion hervor. Es besteht dabei die Gefahr, daß vom Strahl aufgewirbelte
Teile mit der Einsaugluft in die Triebwerke gelangen und dann im Innern der Triebwerke
Zerstörungen hervorrufen. Diese Gefahr der Beschädigung durch Fremdkörper und die
mangelnde Veränderbarkeit der Schubaustrittsrichtung, vor allem im übergangsflug,
wirken sich nachteilig bei den Hubtriebwerken aus.
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Eine weitere Schwierigkeit liegt im Auftreten von Kreiselmomenten
begründet. Um die Kreiselmomente auszuschalten, müssen daher bei den bekannten Anordnungen
besondere Vorkehrungen getroffen oder paarweise Triebwerke von unterschiedlicher
Bauart bzw. entgegengesetztem Drehsinn verwendet werden. Zur Ausschaltung der Kreiselmomente
hat man auch schon Schwunginassen vorgesehen, die einen dem Triebwerk entgegengesetzten
Drehsinn aufweisen. Eine andere bekannte Anordnung verwendet zwei Triebwerke gleicher
Bauart, die, in Flugrichtung gesehen, mit voneinander weg gerichteter Durchströmrichtung
hintereinanderliegen. Auf diese Weise haben die Triebwerke entgegengesetzten Drehsinn,
so daß sich die Kreiseh-nomente aufheben. Bei dieser bekannten Triebwerksanordnung
erfolgt das Einsaugen der Luft in der Mitte zwischen den beiden Triebwerken. Der
Strahl des hintenliegenden Triebwerks tritt in gerader Richtung nach hinten aus,
wogegen der Strahl des vorrdiegenden Triebwerks etwa um 180' umgelenkt wird,
so daß er in die gleiche Richtung wie der Strahl des erstgenannten Triebwerks weist.
Wie bereits erwähnt, kann mit dieser Triebwerksanordnung aber nur Schub,
d. h. Vortrieb, erzeugt werden. Eine Umschaltung auf Huberzeugung ist nicht
möglich.
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Der Erfindunor lieat die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile
weitestgehend zu vermeiden. So soll die schwierige Verschwenkung der gesamten Triebwerke
vermieden werden, trotzdem sollen aber die Triebwerke wahlweise zur Hub- oder Schuberzeugung
eingesetzt werden können, wobei für den Vorwärtsflug die gesamte Anordnung einen
möglichst geringen Widerstand verursachen soll. Schließlich wird noch angestrebt,
daß möglichst keine Kreiselmomente auftreten.
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Das Ziel wird bei einem senkrecht startenden und landenden Flugzeug
mit Axialstrahltriebwerken an den Flügelenden dadurch erreicht, daß an jedem Flügelende
zwei Straliltriebwerke hintereinander, im wesentlichen miteinander fluchtend, mit
gegeneinandergerichteter Durchströmung und einer gemeinsamen Schubdüse vorgesehen
sind, wobei letztere als Kniedüse auf der dem Flugzeugrumpf abgekehrten Seite der
Triebwerke angeordnet ist und um die Querachse durch den Flugzeugschwerpunkt schwenkbar
ist. Die Anordnun- der Strahltriebwerke fluchtend hintereinander, vorteilhafterweise
koaxial, ergibt den kleinstmöglichsten Stirnwiderstand für den Vorwärtsflug. Die
von den Triebwerken herrührenden Kreiselmomente innerhalb einer Gondel an den Flügelenden
sind in an sich bekannter Weise ausgeschaltet, ohne besondere Vorkehrungen treffen
zu müssen. Es ist dabei von Vorteil, daß gleichartige Triebwerke eingebaut werden
können, so daß sich die Wartung sehr vereinfacht. Dadurch, daß die Durchströmung
der beiden Triebwerke gegeneinandergerichtet ist und eine gemeinsame verschwenkbare
Schubaustrittsdüse vorgesehen ist, kann die Schubrichtung nach Belieben verändert
werden und die Triebwerksanordnung wahlweise Vor- oder Auftrieb erzeugen, gegebenenfalls
sogar zur Schubbremsung eingesetzt werden.
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Es ist möglich, bei nach hinten gerichteter Schubaustrittsdüse die
Strahltriebwerke in Betrieb zu setzen und im Stand laufen zu lassen, ohne daß eine
Bodenerosion eintritt oder das Einsaugen von aufgewirbelten Fremdkörpern befürchtet
werden muß. Schließlich ermöglicht die schwenkbare Anordnung der gemeinsamen Schubaustrittsdüse
noch eine Steuerung um die Hoch- und Längsachse des Flugzeuges.
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An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch die Gesamtansicht eines Flugzeugs
von oben; Fig. 2 und 3 zeigen eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer
Triebwerksgondel mit Hubtriebwerken; Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Fig.
3.
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Als Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 ein Flugzeug mit Strahlantrieb
gewählt, das fest eingebaute Strahltriebwerke mit schwenkbaren Schubaustrittsdüsen
als Haupttriebwerke aufweist. Auf beiden Seiten des Rumpfes 1 sind unterhalb
der Tragflächen 2 die Haupttriebwerke in besonderen Gondeln 3 angeordnet.
Die Triebwerke weisen je zwei Paare von verschwenkbaren Schubaustrittsdüsen
4 auf. Die Düsen sind von einer nach hinten gerichteten Stellung über die Richtung
nach abwärts nahezu um 1801 nach vorwärts verschwenkbar, so daß der Triebwerksschub
sowohl für den Horizontalstart bzw. den Horizontalflug als auch für den Senkrechtstart
zur Verfügung steht und gegebenenfalls auch eine Bremswirkung hervorrufen kann.
Zur Deckung der für den Senkrechtstart noch fehlenden Leistung sind in den Flügelspitzen
besondere zusätzliche Hubtriebwerke vorgesehen. Die einzelnen Teile dieser zusätzlichen
Triebwerksanordnung sind auf beiden Seiten des Flugzeugs mit den gleichen Bezugsziffern
bezeichnet. Zur Unterscheidung sind die Bezugszeichen für die Anordnung auf dem
rechten Flügel mit einem Strich versehen.
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Eine Gondel 5 erstreckt sich in Flugrichtung und in ihr sind
koaxial hintereinander die beiden Triebwerke 6 und 7 angeordnet. Die
Anordnung der beiden Triebwerke 6 und 7 ist so gewählt, daß sie symmetrisch
zu der durch den Schwerpunkt 9 in Spannweitenrichtung verlaufenden Schwerachse
9' liegen. Beiden Triebwerken ist eine gemeinsame Schubaustrittsdüse
8 zugeordnet, die auf der Gondelaußenseite mündet. Zur Verringerung des Luftwiderstandes
im Horizontalflug ist vor der Schubaustrittsdüse 8 eine entsprechende Verkleidung
18 angebracht. Wie' aus der Zeichnung ersichtlich ist, verläuft die Schwerachse
9' durch die Schubaustrittsdüse g.
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Bei den einzelnen Triebwerken in den Gondeln sind Pfeile eingezeichnet,
die den Drehsinn der Triebwerke angeben. Aus ihnen ist leicht zu ersehen, daß die
Kreiselmomente in ein und derselben Gondel sich gegenseitig aufheben. Weiter ist
daraus noch zu ersehen, daß auch bei Ausfall eines der Hubtriebwerke
eine
Stabilität bezüglich der Kreiselmomerite sämtlicher Hubtriebwerke erhalten bleibt,
wenn das dazu diagonal in der anderen Flügelspitze liegende Hubtriebwerk ausgeschaltet
wird, also beispielsweise wenn das Triebwerk 6 ausgefallen ist, so muß das
Triebwerk 7' ausgeschaltet werden, damit sich die Kreiselmomente weiterhin
ausgleichen. In diesem Fall tritt dann auch kein asymmetrischer Schub an den Flügelspitzen
auf, so daß auch in dieser Hinsicht die Stabilität des Flugzeuges gewahrt bleibt.
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In den Fig. 2 und 3 ist die Anordnung der Hubtriebwerke in
den Gondeln 5 größer dargestellt. Wieder sind die beiden koaxial angeordneten
Triebwerke 6 und 7 eingezeichnet. Von diesen beiden Triebwerken führen
die Umlenkbo-en 14 bzw. 15 zu der gemeinsamen Schubaustrittsdüse
8. Diese Düse mündet auf der Gondelaußenseite und ist knieförmig abgebogen.
Sie enthält in ihrem Inneren noch Umlenkschaufeln 13. Die gesamte Austrittsdüse
8 ist bei 17 drehbar gelagert, wobei die Drehachse mit der Schwerachse
9' zusammenfällt. Ein Verschwenken der Schubaustrittsdüse 8 ist möglich
zwischen einer nach rückwärts gerichteten Stellung über abwärts zu einer nach vorn
abwärts gerichteten Stellung. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der Schubvektor
stets durch die Schwerachse führt und keine Unsymnietrie bei Triebwerksausfall auftreten
kann. Der Lufteinlaß für die Triebwerke befindet sich an der Nase bzw. am Heck der
Gondel getrennt für die Triebwerke 6 und 7. Da die Triebwerke
6 und 7 als reine Hubtriebwerke im Normalfall beim Horizontalflug
nicht benötigt werden, sind für den Horizontalflug die Lufteinlaßöffnungen an den
Gondeln in einer dem Gondelprofil angepaßten Form verschließbar und nur bedarfsweise
zu öffnen. Für das Verschließen der Einlaßöffnungen seien mehrere Gruppen von
Mög-
lichkeiten kurz angedeutet. So kann man z. B. Teile der Gondelverkleidung
klappenartig verschwenkbar anordnen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Nase
bzw. Heck der Gondel insgesamt aus- und einfahrbar zu machen, so daß sich zwischen
ihnen und der eigentlichen Gondel Schlitze für den Lufteinlaß bilden. Ferner können
innerhalb der Gondel Drehschieber u. dgl. vorgesehen werden, und schließlich seien
auch noch ;alousiearti(je Abdeckungen für die Lufteinlaßöffnungen genannt. In den
Fig. 2 und 3
sind am Bug die Klappen 10 und am Heck die Klappen
11 der Gondelverkleidung in gestrichelter Lage im ausgefahrenen Zustand angedeutet.
Vorzugsweise sind die Einlaßöffnunaen für das hintere Triebwerk auf der Ober- bzw.
Unterseite der Gondel ancr 0
Ce rdnet. Es kann auch für beide Triebwerke ein
gemeinsamer, an der Gondelnase liegender Lufteinlaß vorgesehen werden.
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Die Fior. 4 zeiat eine Abänderuno, der Fior. 3. Die
C C C C
von den Triebwerken 6 und 7 kommenden Umlenkbogen
14 und 15 weisen hier getrennte Zwischenwände 16 auf. Diese Zwischenwände
sind bis zur gemeinsamen Schubaustrittsdüse 8 durchgeführt. Dadurch, daß
diese Wände bis zur Schubaustrittsdüse geführt sind, wird eine gegenseitige Beeinflussung
der beiden Triebwerke, z. B. bei einem Triebwerksausfall. verhindert. Durch das
Trennen der Zwischenwände 16
ist es außerdem möglich, diese Wände von Kühlluft
umströmen zu lassen, wie durch die Pfeilrichtung angegeben ist. Diese Ausbildung
ergibt sogar durch Ejektorwirkung gegebenenfalls noch einen Schubgewinn. Durch die
breiten Pfeile in den Umlenkbogen 14 und 15 sowie außerhalb der Austrittsdüse
8
ist die Richtung der austretenden Gasstrahlen angedeutet.
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Die verschwenkbare Schubaustrittsdüse 8 bietet den großen Vorteil,
daß nicht nur bei Senkrechtstart und Senkrechtlanduna sondern auch beim Horizontalstart
die Hubtriebwerke 6 und 7 verwendbar sind, z. B. dann, wenn eines
der Haupttriebwerke ausgefallen ist. Es ist dann mit ihrer Hilfe möglich, einen
Momentenausgleich um die Roll- oder Gierachse durchzuführen. Ganz allgemein gestattet
die Anordnung der verschwenkbaren Düse 8 eine Steuerung um die Hoch- und
Längsachse, wenn ihre Schwenkung unabhängig von den anderen Triebwerken durchgeführt
werden kann. Wenn, wie die Fig. 1 zeigt, Haupttriebwerke mit verschwenkbaren
Schubaustrittsdüsen verwendet werden, so ist es vorteilhaft, die Verschwenkung der
Schubaustrittsdüsen 8 für die Hubtriebwerke synchron mit der Verschwenkung
der Schubaustrittsdüsen 4 der Haupttriebwerke durchzuführen, jedoch einen gesonderten
Schwenkantrieb vorzusehen. Durch den getrennten Antrieb wird es ermöglicht, von
der synchron gesteuerten Hauptschubrichtung aller Austrittsdüsen ausgehend, die
Schubaustrittsdüsen 8 der Hubtriebwerke gegensinnig zu verschwenken und somit
Giermomente auszusteuern.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt,
sondern die Anordnung der Hubtriebwerke ist auch dann brauchbar, wenn andere Haupttriebwerke
verwendet werden bzw. ein anderer Einbau gewählt wird, d. h., die Anordnung
der zusätzlichen Hubtriebwerke, wie sie hier beschrieben ist, ist unabhängig von
der Art, wie Auftrieb und Vortrieb für den Normalflug erzeugt werden. Insbesondere
ist diese Anordnung brauchbar füi Flugzeuge, die wahlweise einen Vorwärts- oder
Senkrechtstart durchführen können. Zu dem bereits erwähnten geringen Stirnwiderstand
und der Aufhebung der Kreiselmornente kommt noch hinzu, daß bei der vorgeschlagenen
Anordnung der Hubtriebwerke die Gefahr, daß bei einer Triebwerksexplosion das zweite
Triebwerk als Folgeerscheinung ebenfalls beschädigt wird, wesentlich herabgesetzt
ist. Auch bei Ausfall eines Haupttriebwerks kann der Schub der zusätzlichen Hubtriebwerke
auf die Roll- und Gierachse aufgeschaltet werden, so daß sowohl beim Senkrechtstart
als auch beim Horizontalstart ein voller Momentenausgleich möglich ist. Da die Schubaustrittsdüsen
beim Standlauf nach hinten gerichtet werden können, sind keine Bodenerosion und
keine Triebwerksbeschädigung durch Einsaugen von Fremdkörpern zu befürchten. Erst
zum eigentlichen Start werden die Düsen senkrecht nach unten verschwenkt. Diegesamte
Anordnung der Flubtriebwerke in Gondeln an den Flügelspitzen kann als Rüstsatz ausgebildet
sein, so daß wahlweise ein Einsatz des Flugzeugs mit oder ohne zusätzlichen Hubtriebwerken
möglich ist. Durch den Einbau entstehen keine nachteiligen Lastigkeitsveränderungen
um die Querachse, da die Triebwerke symmetrisch zu dieser Achse angeordnet sind
und die Wirkungslinie des Schubvektors durch diese Achse führt.