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Selbsttätig stabilisiertes Flugzeug mit tandemartig angeordneten Tragflügeln
Die Erfindung betrifft ein selbsttätig stabilisiertes Flugzeug mit tandemartig angeordneten
Tragflügeln, die um zur Flugzeuglängsachse querliegende und im Rumpf angeordnete
Lagerstellen federgefesselt begrenzt drehbar gelagert sind.
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Es ist bekannt, Tragflächen drehbar am Rumpf eines Flugzeuges zu lagern,
diese Drehbarkeit in Ab-
hängigkeit von Luftkräften einerseits und Federkräften
andererseits zu steuern und darüber hinaus solche Tragflächen auch zu Steuerzwecken
heranzuziehen.
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In den meisten Fällen bedurfte es dabei bisher besonderer zusätzlicher
Einrichtungen, wie Ruder oder Flossen, sei es für die Höhensteuerung oder für die
Seiten- bzw. auch Quersteuerung.
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Außerdem war es nicht möglich, bei schnellen oder schweren Flugzeugen
bzw. bei höher belasteten Tragflächen solche drehbar gelagerten Flügel zu einer
Flügelsteuerung heranzuziehen, da die Steuerkräfte zu groß waren. Sollen nämlich
die Tragflächen allein zur Steuerung herangezogen werden, dann müssen erhebliche
Kräfte aufgewendet werden, um die Flächen zu verstellen, falls der Druckmittelpunkt
der Luftkräfte nicht mit der Drehachse zusammenfällt.
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Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, begnügte man sich damit, nur
Teile von Flächen - z. B. Querruder zur Steuerung um die Längsachse
- zu verstellen und auch für die Steuerung um die Hoch-bzw. Querachse Ruder
hinter im wesentlichen nicht Auftriebskräfte erzeugenden Flossen anzuordnen, trotzdem
solche Flossen einen nicht unerheblichen zusätzlichen Widerstand liefern. Bei Flugzeugen
mit hohen Flächenbelastungen mußten dabei Servomotoren herangezogen werden, wenn
wegen der hohen Steuerkräfte eine Steuerung mittels Körperkraft des Piloten allein
nicht mehr möglich war.
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Auch hat man die dem herkömmlichen Steuerungssystem (mit angelenkten
Rudern) anhaftenden Mängel als unabänderlich hingenommen und sich damit abgefunden,
durch entsprechende Verhaltungsmaßnahmen diesen Mängeln zu begegnen. Als Mangel
muß z. B. auch erwähnt werden, daß bei einem Querruderausschlag, d. h. bei
einer beabsichtigten Drehung des Flugzeuges um seine Längsachse, die dadurch herbeigeführt
wird, daß der Pilot dem Flugzeug ein Quermoment aufzwingt, ein Kursmoment entsteht.
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Dieses Seitenmoment versucht den sich hebenden Flügel um die Flugzeughochachse
zurückzudrehen. Auf die Größe dieses Kursmomentes soll noch näher eingegangen werden,
nachdem zuvor darauf hingewiesen ist, daß auch bei der Betätigung der Seitensteuerung,
d. h. bei einer Drehung des Flugzeuges um seine Hochachse, das Flugzeug gleichzeitig
in eine Schräglage gebracht werden muß, die dem Radius der zu fliegenden Kurve und
der Fluggeschwindigkeit entspricht.
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Wird also z. B. eine Rechtskurve geflogen, so wird durch Seitenruderausschlag
dem Flugzeug ein Kursmoment nach rechts aufgezwungen. Dabei wird zusätzlich durch
Querruderausschlag der linke Flügel gehoben.
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Es wird also gleichzeitig dem durch den Seitenruderausschlag hervorgerufenen
rechtsdrehenden Kursmoment durch den Querruderausschlag ein linksdrehendes Kursmoment
entgegengesetzt, das die Wirkung des Seitenruders herabmindert. Man sieht schon
hieraus, daß schon ein bei reiner Quersteuerung nachteiliges Kursmoment bei einer
Kurve in noch erhöhtem Maße ungünstig wirkt.
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Das Kursmoment, welches bei einer unsymmetrischen Auftriebsverteilung
entsteht, ist die Folge unsymmetrischer Widerstandsverteilung an der Tragfläche.
Dieser Tragflächenwiderstand setzt sich aber wiederum zusammen aus 1. dem
Profilwiderstand, der bei guten Profilen im gebräuchlichen Anstellwinkelbereich
fast unveränderlich und unbeträchtlich ist, bei sehr großen bzw. sehr kleinen Anstellwinkeln
jedoch erheblich zunimmt, und 2. dem induzierten Widerstand, der von der Spannweite
und der Auftriebsverteilung abhängt.
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Bei großen Anstellwinkeln nimmt der induzierte Widerstand zwei- bis
dreimal mehr zu als der Profilwiderstand, der selbst aber ebenfalls bei großen Anstellwinkeln
stark anwächst.
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Soll also das Auftreten eines Kursmomentes durch unsymmetrische Auftriebsverteilung
verhindert werden, dann muß als erstes versucht werden, keine allzugroßen Abweichungen
von dem normalen Anstellwinkelbereich herbeizuführen.
Es ist bekannt,
tandemartig angeordnete Flächen zu Steuerungszweckeh heranzuzielidfi# äber dabei
waren dann diese Flächen nicht zu beiden Seiten des Flugzeugrumpfes geteilt und
unabhängig voneinander jede Hälfte für sich drehbar. Kraftschlüssig gesteuerte vordere
Tragflächen, Welthe jedoch nicht böldärseits des Rumpfes geteilt, sondern nur als
Ganzes ausgebildet waren, sind bei Entenflugzeugen schon zur selbsttätigen Stabilisidrung
um die Ouerachge Vorgeschlagen worden, aber hier sind zusätzlichö Ruder erforderlich
gewesen, entweder für die Seiten- oder für die Quersteuerung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flugzeug so auszubilden, daß es
sowohl um alle Achsen selbsttätig stabil Ist, wobei der Stabilitätsgrad jederzeit
einstell-und/oder veränderlich ist, und daß darüber hinaus dieses Flugzeug, ohne
von diesen Stabilitätseigenschaften etwas einzubüßen, aüch noch jederze-ii voll
mit Körperkraft möglichst momentengerecht steuerbar ist, und zwar ohne Zuhilfenahme
von Servomotoren, bei deren Ausfall normalerweise ein Flugzeug wegen der hohen SteuerWäftä
durch Körperkraft allein nicht mthr gegteuirt Wefden kämi.
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Dabei sollen die Flügel; wenn sich das Flugzeug am Boden befindet,
jederzeit schnell und leicht vom oder am Rumpf lös- oder befestigbar sein, damit
z. B. ein möglichst kleiner Absiellraum zur Unterbringung in einer Halle genügt.
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Diese Aufgaben werdeft nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei
einem Flugzeug mit tandemartig aügeordnetenrragüiigdip, die um zur Flugzeuglängsachse
querliegend6 und im Rumpf angeordnete Lagerstellen federgäfesselt begrenzt dielibar
gelageri sind, jede Flügelhälfte mittels' einer Holmverlängerung unabhängig
von den anderen Plügelhälften in dihein. -eigenen, i ümpffesteii L äger drehbar
isi und diese brehbarkeit kraftschlüssig gesteuert ist in Ab-
hängigkeit von
der hinter der PlÜgeldrehachse angreifenden Luftkraft einerseits und einem Kraftspeicher
mit beliebig änderbarer Kennlinie andererseits, der an einem in den Rumpf hineihragenden
Träger der Flügelhälfte ängreift-. Dabei , is! zweckmäßigerweise die am Aigelträger
angreifende Kraft des Kraftspeichers die resullierende Speicherkraft von zwei Kraftspeichern;
die entgegengeseiztü Kräfte abgeben.
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Die in entgegengesetzter Richtung wirkenden Kraftspeicher können dabei
nahezu gleiche Kennlinien aufweisen.
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Weiterhin ist es vorieilhaf# Wenn das von einem der beiden Kraftspelcher
im Sinne des auf die Flügeldrehachse wirkenden Luftkraftmomentes auf die Flügelhälfte
ausgeübte Dreh ' moment gleich5 aber entgegengesetzt dem vom Gewicht der
drehbar gelagerten Flügelhälfte um die Flügeldrehachse während des Horizonialfluges
erzeugten Drehmoment ist.
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Die Erfindung ist an Hand von Ausfährungsbäispielen nähererläutert,
und zwar zeigt -
F i g. 1 in der Draufsicht ein selbsttätig stabilisiertes
Tandemflugzeug, F i g. 2 schematisch von der Seite gesehen drehbar gelagerte
Bugflügelhälften, F i g. 3 schematisch von der Seite gesehen drehbar gelagerte
Heckflügelhälften '
F i g. 4 schematisch von der Seite gesehen den
Anschluß der Verbitidungsgestänge zwischen den Bug-und Heckflügelhälften einerseits
-und einem körperkraftbetätigten Steuergestänge andererseits, Fig. 5 gChdInatisch
die uni die- Läg6r'dtöhädhre der Flügelhälften wirkenden Drehmomente bzw. die Luftkräfte,
Fig. 6 Momente, die um die Drehachse der Flügblhälfteri Von däft Lüft- und
döll Ktaftgpeidhörkräften äusgöübtw'2erdeti.
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Nach Fig. 1 sind die Flügel- oder Flächenhälften
1, 2-, 3 und 4 beidseitig eines Rumpfes 5 in den Lageistelleii
lig 12, lä und 14 begrenzt drehbar gelagert.
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F i g. 2 und 3 zeigen, daß die Federkräfte, für die
Fesselung der drehbaren Bug- und Heckflächenhälften am Rumpf, als Resultierende
zweier Kräfte P10 und P20 hervorgehen, die von Kraftspeichern 10 und 20 herrühren,
welche zwischen den Tragflächenhälften 1 2, 3 un 4 einerseits und
Widerlagern U% 120e 1-30 und 140 andererstitg ängeöfdnet sind.
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; Die Wirkunggweige der sölbSttätigen Stabflisiertnig ist an
Hand der F i & 5 und 6 verständlich, Während eines beliebigen
Plugfalles# ängeiloiümefi eines Horizontalfluges) hertAtlit beim Anstellwilikel
x, zwischeil dem Moment gp der resultierendeil Luft# kraft R und dem. Fesselüngsmoinent
M" uni did Dreha:chse der Flächenhälite so lange Gloidligewieht) bis durch ein größeres
oder kleifteräs Luftktaft# moment das Gleichgewicht gestört wird.
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Solcherlei Störungen können verächiedede Ursachen haben5
Z. B# #i) von untbil, b voft oben voh der #Ao links öder tdbhe,
d vöü Vöfft, e) Vöil hinten f) köth#biniürt'wadii ä) bis ä).
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11. Massenverschiebungen innerhalb des kuhipfes. Im Fallel
können nun solche Böen auf die vier Afigelhülften auch verschied-kii wirken3 jedoch
soll hier nur der Fall 13 ä), einer Bö von uni--ne als Beispiel erläutert
werden.
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Eine B0.«* von unten auf die Bug-F , lächenhälfte 2 steuerbord
erhöht den Anblasewinkel a -und- die Anströnigeschwindigkeit so, daß das Luftkraftmoment
MR steil ansteigt3 und zwar - steiler als das Moment UF , , dessen
Momentenlinie flacher gehalten isti F i g; 6 zeigt die aus den Kräften P
10 und P 20 sich..um. die Lagerachse 12 ergebenden Momente Mr. Die Massenkräfte
der FiächenhäÜte 2i# die bei großem Flügelgewicht durchaus groß sein, können, sind
durch die SpeichgrkraftP20 ausgeglichen, so daß die Drehung, der Flächenhälfte 2
u-m die Lagerstelle 11 unter dem lEinf-Iii A des Luftkraftmomentes
Mk sofort und unverzüglich erfolgt _ mit dem Ergebnis, daß während der Böenwirkung
eine Widerstandsvermehrung durch _ die.. erhöhte Geschwindigkeit bzw. den
erhöhten Staudruck sowie -durch den erhöhten Änstro'#mwinkel durch die eingesetzte
Drehüng und damit verbundene Widerstandsverminderung, die allerdings nur in bezug
auf die Flugbahn des Flugzeugs bis zur Umkehrung. in Vortrieb_ gehen kann, bei nur
unwesentlich erhöhtem Auftrieb ausgeglichen ist.
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Somit werden auch die einzelnen-Momente um die verschiedenen Flugzeugachsen
w . ährend dieser als
Beispiel angeführten Bö nicht aus dem
Gleichgewicht gebracht.
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Das gleiche gilt für die übrigen Fälle 1, b) bis
1, f).
Kommt z. B. eine einseitige Bö von Vorn steuerbord, dann erhöht sich
die Anströmgeschwindigkeit des Flächenteils 2, und entsprechend dem höheren Staudruck
wird das Luftkraftmoment größer tind überwindet das Moment MF, so daß durch die
dabei eintretende Drehung der Fläche 2 der Widerstand nahezu gleichbleibt bei ebenfalls
nahezu unverändertem Auftrieb. Die Momentengleichheit ist also trotz dieser Bö voll
vorn nicht wesentlich gestört.
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Läßt die Geschwindigkeit der Bö nach, dann stellt sich die Fläche
2 wieder in eine dein Momentendiagramm entsprechend gesteuerte Stellung selbsttätig
ein.
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An Stelle einer Drehung des ganzen Flugzeuges bei einer aufkommenden
Bö, die ja an den Tragflächen in ungleich größerem Maße angreift und zur
Auswirkung kommt, als an den Rumpftellen, steht daher nur der von der Bö beatifschlagte
Flächenteil utiter dem Einfluß einer solchen Bö, ohne daß dabei der betroffene Flächenteil
ändere als stabilisierend wirkende Drehbewegungen ausführt.
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Bei einer Verschiebung der Schwerptinktglage - Beispiel
11 - in Richtung der Flügzeügquerachse tritt ebenfalls eine selbsttätige
Stabilisierung ein, zumal wenn noch die Flächenteile in all sich bekannter Weise
mit einer entsprechenden V-Stellung am Rumpf angeordnet sind.
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Verschiebt sich der Schwerkpunkt in Richtung der Längsachse, dann
Wird unter Änderung der Nullage beider Bug- und Heckflächenhälften das Gleichgewicht
wiederhergestellt.
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Diese Nullagen-Änderung beider Büg- und Heckflächenhälften kann ebenfalls
selbsttätig oder auch von Hand willkürlich erfolgen, Bei selbsttätigen Stabilisierutigsvorrichtungen
war es bisher immer schwierig, eine willkürliche Steuerung zu überlagern,
d. h., es mußten entweder die Selbsttätige Stabilisierungsvorrichtung während
eines Steuerungsvorganges, der mit Körperkraft durchzuführen war, ausgeschaltet
werden, oder, falls dies nicht möglich war, mußten äußerst komplizierte Steuergetriebe
in Kauf genommen Werden, ohne daß dabei aber mit allen bisherigen bekannten Stellerungsanlagen
eine momentengerechte Steuerung odei momentengerechte Stabilisierung erreicht werden
konnte.
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Die Überlagerung einer zusätzlichen Körperkraftsteuerung mit einer
selbsttätigen Stabilisierungsvorrichtung wird dadurch erreicht, daß entweder die
Fesselungswiderlager 110, 120, 130 und 140 der Flächenhälften
1, 2, 3 und 4 für sich einzeln oder gemeinsam in Drehrichtung der
Flächenhälften verschiebbar, oder aber die Lagerstellen 11, 12,
13 und 14 der Flächenhälften für sich einzeln oder gemeinsam in Richtung
der Flugzeughochachse, oder aber sowohl die Fesselungswiderlager als auch die Lagerstellen
zusammen gleichzeitig verstellbar sind.
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Verhalten sich bei einer derartigen Verschiebung oder Verstellung
die Verschiebewege SB der Lagerstellen der Bugflächenhälften zu den Verschiebebewegungen
SH der Lagerstellen der Heckflächenhälften umgekehrt, nämlich wie die Heckflächen
zu den Bugflächen, und erfolgen die Verstellbewegungen der Bug- und Hecklagerstellen
zwangläufig über Gestänge, die an einem körperkraftbetätigten zweiarinigen Hebel
in den Abständen hH und hB vom Drehpunkt 15 (F i g. 4) angreifen,
dann sind auch die Momente, die bei einer Körperkraftsteuerung auftreten, nahezu
ausgeglichen, und zwar unabhängig von der Flächenbelastung eines Flugzeuges.
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Dieser Drehpunkt 15 kann z. B. bei einer Höhensteuerufig für
eitlen längeren Steigflug, bei dem also der Pilot längere Zeit einen Zug auf den
Steuerknilppel ausüben müßte, in einer die Körperkraft entlastenden Richtung verschoben
werden, so daß, was einer Triminung gleichkommt, während eines solchen Stelgflugs
der Pilot fast oder vollkommen dütlästet werden kann.
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Eine derartige, der selbsttätigen Stabilisierung überlagerte Körperkraftstetierüng
erlaubt bei der Anordnutig der Ttagflächenhälften ein einwandfreies niomentengerechtes
Steuern des Flugzeuges uni sämtliche Achseii, auch während der Inganghältuiig einer
selbsttätigen Stabilisierung.
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Dies bedeutet, daß also auch eine von der Körperkraft eingestellte
bzw. bewirkte Plugbewägung, z. B. eine Kurve oder ein Steigflug, trotz zusätzlicher
äußerer Einwirkungen, z. B. durch Böen od. dgl., selbsttätig stabilisiert und beibehaltet!
Werden kann, bis diese Flugzeuge durch Änderung des erteilten Steuer' impulses wieder
in eine andere gebracht wird, wobei dies alles ohne komplizierte Regler, Plüddritiaschinen
oder Hilfsmotoren erfolgen kann. Momentengerechte Steueru-n-gsvorgän'ge sind dabei
für die verschiedensten Auglägen unä AugfIguren ausführbar.
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Auch das gefürchtete Überziehei! in einer Kurve ist bei dieser Anordnung
der Flächeilhälften unmöglich, da 'in jedem Fälle die an einem Steuerimpuls immer
hauptbeteiligten Bugflächenhälften Im Verhältnis zu den Heckflächenhälften unter
einem größeren Winkel ängeströmt werden, so daß an diesen Bugflächenhälften im Gefahrenfall
die Strömung früher abreißen würde, als an den Hecktragflächen und somit diese Bugflächenhälften
in bei Entenflugzeugen allerdings nur bei der Stabilisierung um die Querachse bekannter
Art selbsttätig stabilisierend wirken.
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Die Höhetisteuerung erfolgt ebenfalls momentengerecht, wobei auch
hier ganz geringe Steuerausschläge genügen, um dem Flugzeug sofort die gewünschte
Richtungsällderung Aufzuzwingen. Ein Flugzeug mit dieser Flächen- und Kraftspeicheranordnung
kann auch auf mehrere verschiedene Arten gezogen und gedrückt werden. Es empfiehlt
sich aber auch hier, für die Höhensteuerung die Bug-und Heckflächenhälften jeweils
zusammen, d. h. gleichzeitig zur Steuerung heranzuziehen, weil dann die Steuerbewegungen
bzw. die Änderung der Anströmwinkel der Flächenhälften am geringsten sind.
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Rollbewegungen des Flugzeuges um seine Längsachse können gleichfalls
auf verschiedene Arten hervorgerufen werden.
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Auch hier werden für eine Rolle rechts bzw. links die Steuer- oder
Backbordflächenhälften gleichzeitig zusammen in entgegengesetztem Sinne betätigt,
wodurch auch bei Rollen ein Mindestmaß an Steuerausschlägen bei größter Wirksamkeit
der Flächenverstellung bedingt wird.
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Für den Fall, daß mit geringster Geschwindigkeit bei Höchstauftrieb
geflogen werden soll, wird die Vorspannung der Kraftspeicher für Bug- und Heckflächenhälften
gleichzeitig vergrößert. Würde dabei das Flugzeug übersteuert, dann würde auch hier
zuerst bei den Bugflächenhälften die Strömung abreißen,
bevor an
den Heckflächen, die ja den Hauptauftrieb als Haupttragflächen liefern, der Auftrieb
nachläßt.
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Für den Langsamflug sowie für geringste Landegeschwindigkeit ist daher
größte Sicherheit vorhanden. Diese Sicherheit kann noch dadurch erhöht werden, daß
die Bügtragflächenhälften das gleiche Seitenverhältnis aufweisen wie die Hecktragflächenhälften
und im übrigen diesen genau ähnlich sind. Dann besteht nämlich die Gewißheit, daß
auch die Auftriebsverteilung usw. genau der der Heckflächen ist, so daß die Bugflächen
nur in geringstmöglichem Maß gegenüber den Heckflächen etwas größer angestellt sein
müssen, um den Stabilitätsbedingungen zu genügen.
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Die Bugflächen können also den Heckflächen geometrisch ähnlich gestaltet
sein, indem sie gewissermaßen als Fortsetzung der Heckflächenhälften hergestellt
sind, wie dies in F i g. 1 mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Diese
Anordnung hat auch den Vorteil, daß die Flächenhälften äußerst einfach gebaut werden
können, da keine beweglichen Steuergestänge durch die Flächen hindurchgeführt zu
werden brauchen. Lediglich die jeweiligen beiden Träger 19, 119; 29, 129; 39,
139; 49, 149, die zum Einstecken in die Rumpfseiten dienen, ragen in demontiertem
Zustand aus den einzelnen Flächenhälften heraus.
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Die vorderen Träger 119, 129, 139 und 149 können gleichzeitig
die Drehachsen der Flächenhälften bilden und in im Rumpf vorgesehene Lager gesteckt
und dort gegen Herausziehen verriegelt werden, während die hintenliegenden Träger
19, 29, 39 und 49 mittels Kupplungen 21 mit den Kraftspeichern
10,
20 verbunden sind.
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Unabhängig von allem können trotzdem in den Flächenhälften auch z.
B. Behälter für Brennstoff oder andere Einrichtungen vorhanden sein, wie z. B. auftriebserhöhende
Wölbungsklappen, deren Leitungen bzw. Gestänge dann durch die Träger geführt sind.
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Die leichte Abnehmbarkeit der Flächenhälften ist auch besonders für
die Unterbringung und Manöverierfähigkeit in Hallen von Nutzen.