DE1556403A1 - Triebwerksanordnung fuer Flugzeuge mit Senkrecht- oder Kurzstrecken-Starteigenschaften - Google Patents

Description

Iriebwerksanordnung für Flugzeuge mit Senkrechtoder Kurzstrecken-Starteigenschaften

Sie Erfindung "betrifft eine Triebwerksanördnung für Flugr zeuge, die senkrecht oder mit kurzen laufstrecken starten und landen können, und die nachfolgend als "Senkrecht- oder Kurzstreekenstarter¹¹ bezeichnet werden,,

Generell "beruhen Senkrecht- odei? Kurzstreekenstarter auf dem Prinzip, daß während des Abhebens vom Boden und während des Üfcer*- ganges zum normalen Vorwärtsflug (bzw* umgekehrt beim Landen) von abwärtsgerichteten Düsen ein äufwärtsgeriohteter Schute erzeugt wird, der zum Sragen des Flugzeuges ausreicht₀ Dabei lassen sioh bezüglich- der Sriebwerksanordnung zwei Haupttsrpen unterscheiden_e Bei dem einen Haupttyp sind eine oder mehrere für Dauerbetrieb bemessene Schwenkötigentriebwerke vorhanden* deren Düsen einstellbar sind und sich so drehen lassen, daß sie entweder den luftrieb oder den Tortrieb oder eine Eom-

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bination von. beiden ergeben. Der andere Haupttyp arbeitet mit üblichen, für Dauerbetrieb bemessenen Düsentriebwerken mit unverstellbaren Düsen, die nur den Vortrieb ergeben, und mit gesonderten Hubtriebwerken mit abwärtsgerichtetem Strahl, die den notwendigen Auftrieb erzeugen.

In dem letztgenannten Fall ist es !notwendig, die gesonderten Hubtriebwerke für einen Dauerbetrieb zu bemessen. Da sie nämlich nur während des Startens oder des Landens und des Überganges vom bzw. aus,dem Vorwärtsflug, also nur zeitweilig über verhältnismäßig kurze Perioden in Tätigkeit zu treten brauchen, können sie einen sehr viel einfacheren und

weniger aufwendigen Aufbau haben als die im Dauerbetrieb bebe nötigten Düsentriebwerke für den Vortrieb, und sie sitzen dememtsprechend auch ein beträchtlich höheres Sshub/Gewicht-Verhältnis. Allerdings reicht die Hubleistung eines einzelnen Hubtriebwerks im allgemeinen nicht zum Brägen des Gewichts eines Flugzeugs aus, und deshalb sind in der Praxis alle Senkrecht- oder Kurzstreckenstarter , die feststehende Vortriebsmashinen und gesonderte Hubtriebwerke haben, mit einer größeren Anzahl von Hubtriebwerken versehen.

Die Tatsache, daß bei Senkrecht- oder Kurzstreckenstartern mit festehenden Vortriebsmasohinen und gesonderten Hubtriebwerken zwei Triebwerksarten vorhanden sein müssen, von denen die Hubtriebwerke niemals zur Erzeugung des Vortriebs und die Vortriebsmaschinen niemals zur Erzeugung des Start- oder Lande-Auftriebs

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Ibenut&t werden können, wirkt sich in der Praxis nur in unweseiitllekem Umfang nachteilig- -aus,, da die Hubtriebwerke in besug auf den erzeugten, aufwärtsgerichteten Schub über ver-Ml-tni-smä&ig klein, leicht und unauf wendig sind. Flugzeuge dieses lyps haben jedoch andere ernste jfeehteile. Insbesondere ist wegen "der größeren Anzahl von Hubtrxebwerken eine sehr küaiplisierte Steuerungseinrichtung.erforderlich, und außerdem besteht die Gefahr, daß bei dem. Ausfall ©inas Hubtriebwerks das flagaetag in einer kritischen Flugpliase außer Balance geraten kann* ^oxmälerweise sind natürlich die BM>triebwerke so angeordnet* daß ihre resultierende Schubrliiiie durch den Schwerpunkt des Plugzeuges geht. Wegen der großen Anzahl von Hubtriebwerksii müssen die einzeinen Hubt^Ieliwerke jedoch notwendigerweise einen verhältnismäßig groSeu Abstand vom Flugzeugsehwerpuiskt haben* so daß der Ausfall eines einzelnen Hubtriebwerkes unter Umständen einen beträehtlieiien Hebelarm zur Wirkung bringeil kasas und deshalb ist in der Praxis die Steuerungseinrichtung häufig so ausgelegt s daß beim JLnaf&ll eines einzelnen' Hubttlefewerks auch andere Hubtriebwerke sofort automatisch abgeschaltet werden können. Dadurch wird <daon zwar die Gefahr eines außer-Balance-geratens vermindert, aber andererseits sinkt dann auch plötElich der gesamte Hubauftrieb mehr oder weniger]schlagartig ab. ^f .

Die vorangehend beschriebenen iiactiteile sind bei denjenigen Senkrecht- oder Kurzstreckens tar tern _s die anstelle einer Mehrzahl

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von gesonderten Hubtriebwerken mit Schwenkdüsentriebwerken zum Erzeugen des Auftriebes und des Vortriebes ausgerüstet sind, nicht vorhanden. Dafür haben Sehwenkdüsentriebwerke aber den Nachteil, daß sie sehr viel größer sein müssen, ale dies zum Erzeugen allein des Vortriebs im Dauerbetrieb notwendig wäre* Der für den Auftrieb erforderliche Schub hat nämlich normalerweise den höheren Wert, da das maximale Startgewicht eines Flugzeuges durch den zur Verfügung stehenden Auftrieb begrenzt ist. Demzufolge arbeiten die Triebwerke beim normalen Vorwärtsflug notwendigerweise unterhalb der vollen Leistung und sind deshalb weniger wirksam. Außerdem ist es bei Schwenkdüsentriebwerken nicht möglich, den Auftriebschub bei dem günstigen Seliub/Gewicht-Verhältnis zu erzeugen, das mit gesonderten Hubtriebwerken erzielbar ist, und zwar wegen der Tatsache, daß die gesonderten Hubtriebwerke immer nur für kurze Perioden zu laufen brauchen.

Mit der Erfindung soll nunmehr eine verbesserte Triebwerksanordnung für Senkrecht-oder Kurzstreckenstarter geschaffen v/erden, die die vorangehend umrissenen Nachteile der bekannten Triebwerkstypen vermeidet. Dieses 2iel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in Kombination miteinander mindestens ein zum Dauerbetrieb· füi? Vorwärtsflug bemessenes Schwenkdüsentriebwerk mit zwei seitlichen, einstellbaren Düsen am hinteren Ende und zwischen diesen Düsen ein zusätzliches Hubtriebwerk angeordnet sind,

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Die Erfindung nutzt konsequent die Erkenntnis aus, daß sich die Nachteile der bisherigen Triebwerkstypen auf verblüffend einfache Weise besenbigen lassen, wenn man sich von dem Gedanken freimacht, diese bisherigen Typen immer nur in ihrer "reinen¹* -Form zu benutzen, d.h. das Flugzeug entweder nur mit Schwenkdüsentriebwerken oder nur mit feststehenden Tortriebsmaschinen und zusätzlichen Hubtriebwerken auszurüsten» Der Vorschlag der Erfindung bringt demgegenüber eine Triebwerksanordnung* bei der ein Schwenkdüsentriebwerk mit einem zusätzlichen Hubtriebwerk vereinigt ist. Dies führt unter dem Gesichtspunkt der bisherigen Schwenkdüsentriebwerke zu dem Vorteil, daß das Schwenkdüsentriebwerk nicht mehr so groß bemessen zu sein braucht, daß es den vollen Auft-riebsschub ' erzeugen kann und deshalb beim normalen Vorwärtsflug unter ungünstigen Betriebsbedingungen arbeiten muss. Vielmehr ermöglicht der Vorschlag der Erfindung es nunmehr, das Schwenkdüsentriebwerk nur noch für den normalen Vorwärtsflug , also für den zeitlich weitaus am längsten dauernden Elugzustand auszulegen, während der beim Start erforderliche erhöhte Schub in Hubrichtuhg durch das zusätzliche Hubtriebwerk geliefert wird. , .-...·.

Aber aueh unter dem Gesichtpunkt der bisherigen Triebwerkstypen mit feststehender Vortriebsmaschine und gesonderten Hubtriebwerken bringt der Vorschlag der Erfindung wesentliche Vorteile, Is 1st nämlich bei dem Vorschlag der Erfindung möglich,

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die resultierende Sehublinie der "beiden Düsen des Schwenkdüsentriebwerks in abwärtsgeriehteter Stellung und die Sehublinie des Hubtriebwerks sehr nahe beieinander und sehr nahe dem flugzeug- Schwerpunkt zu legen. Dies bedeutet in der Praxis, daß das Flugzeug auch dann noch stabil bleibt, wenn eines der beiden Triebwerke ausfallen sollte. Dabei bedeutet der Ausdruck "stabil" nicht unbedingt eine vollständige dynamische Stabilität, sondern einen Zustand, der dieser Stabilität ausreichend nahekommt; und es ermöglicht, das Flugzeug ohne besondere Schwierigkeiten in einer mehr oder weniger normalen Lage zu halten, trotz des Verlustes von einer Sehublinie infolge·eines Maschinenausfalls.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die resultierende Sehublinie der beiden Düsen des Schwenkdüsenanfcriebs in abwärtsgerichteter Stellung wsnige Zentimeter vor dem Schwerpunkt des Flugzeuges, während die Sehublinie des Hubtriebwerks wenige Zentimeter dem Flugzeug-Schwerpunkt achteraus liegt. Diese Maßnahme macht eine besonders vorteilhafte Betriebsweise möglich. Da nämlich das Plugzeuggewicht wegen der vollen Brennstoff tanks beim Start am größten ist, braucht an sich die gemeinsame Verwendung des Haupttrlebyerks, also der Schwenkdüsen» und des ausätalichen Hubtriebwerks nur beim Start zu erfolgen, während ein Landen bei weitgehend geleerten Brennstofftanks an sieh leistungsmäßig durchaus van dem Haupfctriebwerk allein bewältigt werden kann. Eine solche Betriebsweise ist auch durchaus aweciunäßig, da dann die Notwendigkeit dea Wiedereinschaltens der Hubtriebwerke, in

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der liüf t ktirs τοκ ü@m Landen entfällt Ό Wenn nun die Brennstofftanks so "angeordnet werden» daß bei gefüllten Sartks der Schwerpunkt des fltzgzeugs'kurz hinter seiner normalen lage liegt, läßt sich diese - Betriebsweise mit der vorangehend beschriebenen Schublini©n.v@rt-3iliing sehr leicht besonders günstig erreichen_? indem

die 'resultierende SeMablinie aller Triebwerke (also bei Starten -■"■■■ j. '

BedingraigO im wesentlichen-'durch- den beim Start nach achteraus verlagerten Elug3©ug~Sehwerpunkt gelegt wird_s. während die resultierende Schublinie der beiden Düsen dea Schwenkdüsentriebwsrksallein (also uater .Iiand'e-Bedingraigen) durch den während: des Iiandens wieder normal liegeiideii Flugzeug-Schwerpunkt gelegt wlrä. ■■'-'.

Weitere'Einzelheiten der Erflnflimg werden nachfolgend in einem -Ausführungs-beisplel anhand der Zeichnungen näher er~ läutert. Babel !stellen, dar? :■''".

ig. 1 sehematisch die -Seitenansicht eines·

Flugzeugs mit erfxndungsgemäßer IrIeb -"■. '-'' Werkeanordnung„

Pig«" 2 die Draufsicht des. Flugzeugs gem-

die Torderansielit des Flugzeugs laß Fig. 1

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Das zeichnerisch dargestellte Flugzeug ist ein Senkrecht- oder Kurzstreckenstarter mit einem Haupttriebwerk in Form eines einzelnen, auf Dauerbetrieb ausgelegten Schwenkdüsentriebwerks 11, das je nach Stellung der Düsen die Vortriebsmaschine bildet oder einen Hubauftrieb oder eine Kombination von Hubauftrieb und Vortrieb erzeugt. Das Schwenkdüsentriebwerk ist horizontal mit von vorn nach hinten verlaufender Achse 11a im Flugzeugrumpf 10 angeordnet und besitzt an seinem hinteren Ende im seitlichen Abstand voneinander zwei einstellbare Düsen 12. Die Auslässe 13 dieser Düsen liegen an den Seiten des Rumpfes, und die von der Turbine des Triebwerks abgegebenen Gase werden über einen Y-förmigen Leitungskanal 14 zu den Düsenauslässen geleitet. Der resultierende Schub der beiden Düsen 12 verläuft, wenn die Düsen so eingestellt sind, daß sie den Strahl nach abwärts richten und damit einen Hubauftrieb erzeugen, längs einer Linie 15 » die sich ein kurzes Stück vor dem Flugzeug-Schwerpunkt bei Startbedingungen befindet, gesehen in Flugrichtung.

Eng zwisiien die beiden Äste des Y-förmigen Kanals 14 ist ein zusätzliches Hubtriebwerk 16 eingebettet, dessen Achse 16a im wesentlichen vertikal verläuft. Dieses Hubtriebwerk zieht die zum Betrieb benötigte Luft über einen auf der Oberseite des Flugzeugrumpf es angeordneten Einlass 1f3 an und liefert einen abwärtsgerichteten Düsenstrahl, dessen Schublinie 17 im wesentlichen parallel zur Schublinie des Haupttriebwerke bei abwärtsgerichteten

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Sehwenkdüsen/verlauft, sich aber ein kleines Stück achteraus davon befindetv und zwar so .vreit, daß die Schublinie 17 noch etwas hinter dam Schwerpunkt des Flugzeuges bei Startbedingungen liegt,: und daß die Resultierende der beiden Schublinien 15 und beim Start im wesentlichen durch den Flugzeug-Schwerpunkt geht«

Da das Hubtriebwerk 16 nur zeitweilig für kurze Perioden benutzt wird und niemals während des normalen Yorwärtsfluges eingeschaltet ist,; brauiit es keine auf Dauer-betrieb ausgelegte Maschine zu besitzen. Ihre Konstruktion kann vielmehr so beschaffen sein, daß etwas Auftrieb und lebensdauer aufgeopfert sind, um ein kleines Gewicht und eine kleine Größe sowie'niedrige Kosten pro Schubeinheit au .erreichen* .

Der Vorteildes vorangehend beschriebenen Flugzeuges läßt sich am besten anhand eines zahlenmäßigen Beispieles verstehen: Bs ist bekannt, dass Schv/enkdüsentriebwerke vom Typ des_t Triebwerks IO mit einem Schub in der Größenordnung von knapp 10 000 kg zur. ?erfügung stehen. Bin mit einer solchen Maschine ausgerüstetes Flugzeug ist in der J&age, mit einem Startgewicht von ungefähr 80 f> des entwickelten/Schubes einen echten Senkrechtstart auszuführen, lalla das Startgewicht erhöht, xrärd,-ζ,.Β. durch Vergrößerung der Brennatoffladung , gegeiaenenfalls mittela be-« sonderer äußerer Brennstoff,zusatztanks _J; kann das Flugzeug auch noch bei einem Maximalgewicht oberhalb des entwickelten Schubes starben, sofern dem Abheben vom Boden eine kurze laufstrecke am Boden voraLisgeht, Wenn beispielsweise eine Bodenlaufstrecke in der Größenordnung von etwa 500 m zulässig ist, kann auf diese

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Weise der Betriebabereich des Flugzeuges um rund 200 % gesteigert werden.

Wenn nunmehr in Übereinstimmung mit dem Vorschlag der Erfindung dem Flugzeug zusätzlich zum Schwenkdüsentriebwerk noch ein Hubtriebwerk nach Art des Triebwerks 16 zugefügt wird, und zwar derart, daß dann der gesamte beim Start zur Verfügung stehende Schub 125 % des nur vom Schwenkdüsentriebwerk gelieferten Schubes beträgt, wird der Betriebsbereich des Flugzeuges unter Senkrechtstart-Bedingungen mehr als verdoppelt (wobei natürlich im übrigen die gleichen Bedingungen zugrunde gelegt sind wie beim vorangehend beschriebenen Zahlenbeispiel eines Flugzeuges ohne zusätzliches Hubtriebwerk). Der maximale Bereich ist dann zwsr immer noch der gleiche wie im vorangehenden Beispiel , aber es ist mit dem zusätzlichen Hubtriebwerk dann nur noch eine Bodenlaufstrecke von ungefähr 120 m notwendig.

Durch Einbau eines noch größeren Hubtriebwerks kann der Startschub auf etwa 150 $> des ursprünglichen Startschubes (also ohne Hubtriebwerk) erhöht werden. Der ursprüngliche maximale Startbereich des unmodifizierten Flugzeuges (mit rund 300 m Bodenlauf) kann bei diesem Schub unter echten Senkrechtstart-Bedingungen , d.h. ohne jeglichen Bodenlauf erhalten werden.

Zu diesen günstigen Eigenschaften des Flugzeugs kommt noch hinzu, daß keine aufwendigen Maßnahmen zum Aufrechterhalten

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einer Balance im Fall des Ausfalls einer Maschine erforderlich =■'■ sind. Dies liegt daran, daß die resultierende Schublinie der. beiden "auf Hub gestellten Düsen· des Schwenkdüsentriebwerks und die Sehublinie des Hubtriebwerks sehr nahe beieinander: und sehr nahe dem Flugzeug-Schwerpunkt liegen,. Wäre dies nicht der Fall, würde es ziemlich unmöglich sein, eine ausreichende Balance des "Flugzeuges während des Hubes (also während es allein durch den Schub der Hübdüsen getragen ist) aufrechtzuerhalten, wenn z.B. durch Ausfall einer Maschine ein plötzlicher Schubverlust in der Größenordnung von 25 bis 30% des gesamten Schubes eintritt.

* Der übliche Weg der Steuerung der Lage eines Senkrechtoder Kurzstreckenstarters während des Hubs besteht darin, daß kleine Hilfsdüsen19 bzw. 20 an den äußeren Enden der Tragflächen und auch des Flugzeugrumpfes angeordnet werden. Diese Hilfsdüsen werden im-allgemeinen von einem geeigneten Abzweigpunkt am Kompressor der Hauptmaschine aus gespeist. Vom Standpunkt der Wirtschaf tliehkeit der Verwendung von Hochdruckluft aus ist es je,doch vorteilhafter, «bei dem erfindungsgemäß ausgerüsteten Flugzeug einen Abzweig von böiden Maschinen 11 und 16 vorzunehmen. Die abgezweigten Luft ströme .können dann miteinander vereinigt, werden, oder aber "es kann der Abzweig aus der Maschine 16 zur Hilfedüse am vorderen Rumpfende geleitet werden. In diesem letztgenannten . Fall wird ein gewisses Ausmaß an automatischer Balance erreicht, indem das kurzarmige Moment des Hubtriebwerks längs der Schublinie achteraus vom Schwerpunkt des Flugzeuges entweder teilweise oder

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a"ber ganz ausbalanciert wird durch das langarmige Moment des geringen Schubes, den die Hilfsdüse 19 am vorderen Rumpfende liefert.

Unter gewissen militärischen Aspekten kann es zweckmäßig sein, das Flugzeug auch "bei vollständigem Ausbau des Hubtriebwerkes 16 flugfähig zu halten. In diesem Fall kann entweder ein S&krechtstart mit vermindertem Gewicht vorgenommen werden, oder aber das Plugzeug kann mit größerem Gewicht entweder in herkömmlicher Weise mit vollem Bodenlaufweg oder aber als Kurzstreckenstarter arbeiten. Durch den Ausbau des Hubtriebwerkes 16 ergibt sich ein mitunter erwünschter zusätzlicher Raum für einen Brennstoffzusatztank,durch den die Reichweite des Plugzeuges beträchtlich erhöht werden kann, beispielsweise zum Zwecke von Überfülirungen.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß der Lufteinlaß 18 für das Hubtriebwerk 16 an der Oberseite des Rumpfes 10 oberhalb der Tragfläche 21 liegt, und deshalb eine besonders günstige Lage hat, durch die unerwünschte Interferenzen zwischen dem austretenden Düsenstrahl und der einströmenden Luft vermiaden werden.

Die Erfindung wurde zwar vorangehend am Beispiel eines Plugzeuges mit nur einem einzigen Hauptriebwerk und einem einzigen zusätzlichen Hubtriebwerk erläutert. Sie ist jedoch auch bei Plugzeugen mit mehreren Triebwerken anwendbar. Beispielsweise können zwei oder mehr Haupttriebwerke Seite an Seite in dem Rumpf angeordnet sein, wobei eine Anzahl von Hubtriebwerken zwischen

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die Iieitungskanäle, die iron den Haupttriebwerken aus/die einstellbaren Düsen -BjseiBen, eingebettet sind. Alternativ kann aber auch ein einziges Haupt triebwerk: zusammen mit einem einzigenZusatztriebwerk nach der zeichnerisch dargestellten Weise in eine'.Gondel anstatt den Flugzeugrumpf eingebaut werden, und es können eine Anzahl solcher Gondeln an den !Dragflächen oder sonst wo am. Flugzeug angebracht werden.

-Anaprüche-

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Claims (5)

1. An s ρ r ii c h e

   /1 .) Triebwerksanordnung für !Flugzeuge rait Senkrecht- oder Kurzstrecken-Starteigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß in Kombination miteinander mindestens ein zum Dauerbetrieb für Vorwärtsflug bemessenes S chwenkd'Ü3 en triebwerk mit zwei seitlichen , einstellbaren Düsen am hinteren Ende und zwischen diesen Düsen ein zusätzliches Hubtriebwerk angeordnet sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da id die resultierende Schublinie der beiden Düsen des Schwenkdüsentriebwerks in abwärtsgerichteter Stellung und die Schublinie des Schubtriebwerks sehr nahe beieinander und sehr nahe dem Flugzeug-Schwerpunkt liegen.
3. 3. Anordnung nach Anspruch. 2, dadurch gekennzelehnet, daß die resultierende Schublinie der beiden Düsen des Schwenkdüsentriebwerks in abwärtsgerichteter Stellung wenige Zentimeter vor dem Schwerpunkt des Flugzeuges liegt, während die Schublinie des Hubtriebwerks wenige Zentimeter achteraus vom Flügzeiig-StiV/erpunkt liegt.
4. 4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von beiden Triebwerken aus Hahdruckluft

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   in ein an sichbekanntes Hilfsdüserisystern abgezweigt wird, .das kleine Hilfsdüseri an "den äußeren Enden der Tragflächen und des Flugzeugrumpfes enthält.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß
   die vom Hubtriebwerk abgezweigte Hochdruckluft einer HiIi¹S-düae am vorderen Ende des FlugzeugBumpfes zugeleitet wird.

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