DE1884174U

DE1884174U - Triebfluegelflugzeug.

Info

Publication number: DE1884174U
Application number: DE1961B0044779
Authority: DE
Original assignee: Boelkow Entwicklungen KG
Current assignee: Boelkow Entwicklungen KG
Priority date: 1961-03-22
Filing date: 1961-03-22
Publication date: 1963-12-05

Description

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BÖLKOW-ENTWieKLüNGEN Ottobrunn, 17. Sept. 1963

Kommanditgesellschaft BP 252 Gm

Ottobrunn bei München KX-Ho/bl.

Aktz.: B 44 779/62b Gm

Triebflugelflugzeug

Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit. mehreren umlaufenden Triebflügeln, deren Drehachsen etwa in Flugrichtung liegen, also im wesentlichen parallel zur Flugzeugrängsachse. Solche Triebflügel erzeugen gleichzeitig Auftrieb und Vortrieb. Die Resultierende der von einem Triebflügel erzeugten Kräfte fällt also normalerweise nicht mit der Drehachse zusammen.

Vorzugsweise sind bei derartigen Flugzeugen zur Erzielung eines Starts in horizontaler Lage die Triebflügelrotoren gegenüber dem Rumpf um zur Flugzeugquerachse parallele Achsen um etwa 90 schwenkbar angeordnet.

Die Schwenkrotoren haben im Vorwärtsflug zur Auftriebserzeugung gegen die in die Flugrichtung weisende Flugzeuglängsachse eine Anstellung, die der Anstellung eines starren Flügels beim Drachenflugzeug entspricht. Für den Langsamflug sowie für den Senkrecht- und Schwebeflug werden die Rotoren so geschwenkt, daß ihre Achsen im wesentlichen senkrecht stehen, so daß sijt einen senkrechten Schub erzeugen. In dieser Lage ist die Gesamtschubkraft der Rotoren gleich dem Gewicht des Flugzeuges.

Die Erfindung besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführifngsform eines Triebflügelflugzeuges, bei welchem ein großer Triefcflügelrotor vorn und zwei kleinere Rotoren am Heck des Flugzeuges an seitlichen Auslegern angeordnet sind, welche

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in bekannter Weise um eine gemeinsame in Querrichtung verlaufende Achse um jeweils gleiche Winkel geschwenkt werden. Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, daß die hinteren Rotoren während des Verschwenkens in keiner Lage in den Abwind des vorderen Rotors geraten. Es können zu diesem Zweck auch, wie bei Hubschraubern mit Tandemrotoren an sich üblich, die hinteren Rotoren höher gelegt werden als der vordere·

Die Schwenkung der Rotoren erfolgt vorzugsweise durch aerodynamische Steuerung der Blattanstellwinkel« Sie kann zur Stabiliesierung des Rumpfes in der horizontalen Lage durch kraftübertragende Getriebeglieder zwischen dem Rumpf und dem nicht rotierenden schwenkbaren Lagerteil des jeweiligen Rotors unterstutzt werden. Zusätzlich wird die Stabilisierung des Rumpfes durch entsprechende Änderung des Schubes der einzelnen Rotoren, also durch unterschiedliche Verstellung des mittleren Blattanstellwinkels beeinflußt.

Die Triebflügelblätter brauchen nicht unbedingt mittels Schlagoder Schwenkgelenken an der Rotornabe aufgehängt zu sein. Im Schnellflug müssen sogar wegen der für Triebflugelrotoren eigentümlichen niedrigen Drehzahl in den Flügelblattfüßen hohe Biegekräfte besonders in ümfangsrichtung übertragen werden.

Um die für den Flug mit senkrechten Rotorachsen erforderliche Blattbewegung zu ermöglichen, kann die bei Zweiblatthubschrauberrotoren übliche halbstarre Rotorblattbefestigung verwendet werden. Der Rotor ist bei dieser Aufhängungsart in sich starr und an der Rotorwelle allseitig frei schwenkbar befestigt. Eine solche Schwenkmöglichkeit muß im Horizontalflug vollständig blockiert werden.

Der Antrieb der Rotoren.-.erfolgt weckmäßigerweise ixircli Aus- ^ blasen von Treibgasen aus an den Blattspitzen angebrachten Düsen oder durch in den Blattspitzen angebrachte Rückstoßtriebwerke. Dadurch wird vermieden, daß das Äntriebsmoment über die Sehwenk ge lenke von dem Rumpf auf die Rotoren übertragen werden muß.

Weiterhin wird hierdurch die Möglichkeit eröffnet, die Blätter beliebig steil gegen die-Umlaufrichtung einzustellen und damit eine sehr geringe Drehzahl zuzulassen* Es spielt dabei keine Rolle, daß die Anblasriehtuhg des einzelnenBlattes sich während des Umlaufes ändert, wobei der Anstellwinkel teilweise positiv und teilweise negativ ist. Zu diesem Zweck kann das Profil der Triebflügel ohne Wölbung also symmetrisch ausgebildet sein. Im Grenzfall läßt sich ein Triebflügel stillsetzen. Der Wirkungsgrad im Schnellflug steigt mit der Verringerung der Drehzahl, ist also bei nicht umlaufenden Triebflügeln am günstigsten«

Stillsetzbare Triebflügelrotoren sind zweckmäßig mit 2 oder 4 Flügelblättern versehen, so daß sie im stillgesetzten Zustand die Form eines üblichen Starrflügels haben. Für den langsam umlaufenden Triebflügel ist es dagegen aus Stabilisa-fcionsgründen besser, wenn die Flügel mit drei oder fünf und auch mehr Blättern versehen sind. Für möglichst gute Gleichlaufeigenschaften ist eine ungerade Zahl der Blätter zu bevorzugen.

Durch unterschiedliche Blattzahlen des vorderen und des hinteren Rotors lassen sich unter Umständen schädliche Resonanzerscheinun^ gen verhindern.

Die Steuerung des Triebflügelflugzeuges erfolgt in ähnlicher Weise wie bei Hubschraubern durch zyklische sowie gleichmäis ßige Verstellung der Triebflügelblätter der einzelnen Rotoren. Die Steuerung um die zur jeweiligen Rotordrehachse parallele Flugzeugachse kann durch Übertragung von Brems- oder Antriebsmomenten von dem Rumpf auf den jeweiligen Rotor erfolgen.

Für die Rotorsteuerung sowie für die Triebwerksregelung müssen über die Schwenkgelenke Betätigungsmittel vom Rumpf auf die schwenkbaren Rotoren geführt werden. Die Betätigungsorgane für diejenigen Steuerbewegungen, welche nach der Schwenkung der Rotoren eine andere Funktion haben als vorher, z.B. die Betätigungsglieder für die Seitensteuerung und für die Quersteuerung, welche nach Schwenkung der Rotoren ihre Funktionen vertauschen, sind derart überlagert daß bei Betätigung der jeweiligen Steuerorgane nur die jeweils entsprechende Steuerwirkung in allen Schwenklagen der Rotoren erreicht urird. Diese Überlagerung von Steuerkomnrandos in mechanisehen Steuerübertragungseinrichtung/ist eine für Verwandlungshubschrauber an sich bekannte Maßnahme.

Eine derartig komplizierte Steuereinrichtung wird bei einer besonderen Äusführungsform der Erfindung dadurch vermieden, daß der Pilotensitz in der nicht mitrotierenclen !Haube des vorderen Triebflügelrotorkopfes untergebracht ist. Der Pilotensitz wird also bei der Schwenkung des Rotors um den gleichen Winkel, also um insge-

j samt 90 mitgeschwenkt. Damit führt das Flugzeug im Verhältnis zur Lage des Piloten bei jedem Ruderausschlag die gleiche Bewegung aus. Das Landegestell besteht vorzugsweise aus am Rumpf befestigten ausfahrbaren Stützen mit Rädern.

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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind in den Rotornaben drehmomenterzeugende Triebwerke angeordnet, welche die Schwenkbewegung der Rotoren mitmachen. Bei dieser Anordnung ist es Voraussetzung, daß die Rotoren entgegengesetzten Drehsinn haben, und daß die auf die Rotoren ausgeübten Drehmomente im Normalflug gleich groß sind. Zu diesem Zweck stimmen die Rotoren in den geometrischen Abmessungen und der Drehzahl überein. Es ist jedoch auch möglich, die Rotoren unterschiedlich groß auszubilden und die kleineren Rotoren mit entsprechend

LO höherer Drehzahl umlaufen zu lassen.

Ih jedem Fall muß bei Antrieb der Rotoren von der Nabe her eine Kopplung der Rotoren vorhanden sein, so daß Gleichlauf oder eine Synchronisation mit entsprechender Übersetzung gesichert ist. Die Übertragung kann in bekannter Weise elektrisch, hydraulisch oder mechanisch erfolgen»

Ein Heckrotor, dessen Achse parallel zur Achse des Hauptrotors mitgeschwenkt wird, gleicht etwaige Lastigkeitsveränderilngen aus und dient zusätzlich zur Steuerung. Eine etwaige Schwerpunktverlagerung infolge Rotorschwenkung läßt sich statt durch einen Heckrotor auch durch entgegengesetztes Schwenken des vor dem Hauptrotor liegenden Rumpfteiles ausgleichen, oder durch stabile Aufhängung des nicht mitgeschwenkten Rumpfteiles unwirksam machen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden bej[0 schrieben und in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Triebflügelflugzeug mit zwei Rotoren in der

Horizontalflugstellung;

Fig. 2 das gleiche Flugzeug in der Landestellung; Fig. 3 ein Triebflügelflugzeug mit drei Rotoren in der

Horizontalflugstellungf
Fig. 4 das gleiche Flugzeug in der Landestellung.

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_ Das Triebflügelflugzeug nach-Fig. 1 und 2 besteht aus einem Flugzeugrumpf 10, an dem vorn und hinten je ein Triebflügelrotor 20, 30 schwenkbar befestigt ist* Das Achslager 13 des vorderen Rotors 20 ist um die Achse a gegenüber dem Rumpf nach oben schwenkbar. Dieses Achslager 13 trägt einen umlaufenden Ring 14, an dem drei Triebflügelblätter 11 befestigt sind. Diese Triebflügelblätter sind gegenüber dem Ring14 starr und um ihre Längsachsen willkürlich verdrehbar. Sie können.auf einen sehr kleinen Anstellwinkel, der eine Autorotation in der Landestellung erlaubt (Fig. 2), sowie auf einen größten Anstellwinkel, der etwa der Segelstellung einer Luftschraube entspricht. (Fig. 1), gefahren werden. In der nicht mitrotierenden Rotorkopfverkleidung befindet sich, wie in Fig. 1 gezeigt, der Pilotensitz 17, der bei Start und Landung zusammen mit dem Rotor 20 um 90 nach oben

geschwenkt wird. l

Am hinteren Ende des Rumpfes ist ein zweiter Triebflügelrotor schwenkbar angebracht. Das Achslager 23 dieses Rotors 30 ist um

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die Achse b schwenkbar am Rumpf/befestigt. Dieses Achslager trägt wie das des vorderen Rotors 20einen umlaufenden Ring 24, mit den Triebflügelblättern 21. Diese Triebflugelblättef sind

in gleicher Weise von ca. 0 - 90 im Anstellwinkel verstellbar* In der nicht mitrotierenden Verkleidung 26 des hinteren Rotorkopfes ist ein Spornrad 27 untergebracht, welches zur Landung aus dieser Verkleidung-2.6 herausgefahren wird, wobei die Spitze t5 der Verkleidung auseinandergeschwenkt wird;. Das Spornrad 27

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bildet zusammen mit dem in bekannter Weise in den Ruapf 10 einziehbaren Fahrwerk 28 ein vollständiges Dreiradlande Am Rumpf sind fernerhin Leitflossen 19 zur Stabilisierungum die Hoehachse sowie Leitflosse 18 zur Stabilisierung um die Querachse angeordnet. Zur Übertragung von Kräften zwischen

dem Achslager-13 des vorderen Rotors 20 und dem Rumpf 10 ist zwischen beiden Teilen ein hydraulischer Zylinder 31 angeordnet. Die gleiche Verbindung zwischen dem Rümpf und der Nabe 26 des hinteren Rotors 30 stellt ein hydraulischer Zylinder LO mit Kolben und Kolbenstange 32 her.

An den Enden der Triebflügelblätter 11 und 21 des vorderen 20 und des hinteren Rotors 30 sind Staustrahltriebwerke 12 und 22 angeordnet, welche die Rotoren in Umdrehung versetzen.; Das Triebflügelflugzeug startet in der in Fig. 2 gezeigten Stellung. Der vordere Rotor ist nach oben, der hintere Rotor nach unten geschwenkt, so daß die Schübe beider Rotoren senkrecht nach oben gerichtet sind. Die Flügelblätter 11 bzw»21 sind auf geringe Steigung gefahren, so daß auch die Triebwerke 12 bzw. 22 nur schwach gegen die anströmende Luft angestellt sind. Wenn der Auftrieb der beiden Rotoren entsprechend groß ist, hebt sich das Flugzeug senkrecht vom Boden ab. Die Steuerung geschieht dabei in für Hubschrauber üblicher Weise, durch zyklische Verstellung der Blatteinstellwinkel.

Um das Flugzeug in der Vorwärtsrichtung zu beschleunigen,wer-— den die Triebflügelrotofen durch aerodynamische Steuerung 1 so geschwenkt, daß Ihre Wirkungslinien sich gleichmäßig nach

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vorwärts neigen, so daß dieSchübrichtung'-νeine■//Horizontal-\ komponente nach vorwärts -'-bekommt« Dabei werden"-"die. Triebflügel-Hlätter 11 bzw. 21 zunehmend steller angestellt* Im Grenzfall ist der in Fig. 1 gezeigte Zustand erreicht, d.h. beide Triebflügelrotoren sind soweit geschwenkt, daß die Schubrichtungen nahezu in die Richtung der PlugzeUglängisachse weisen und die Triebflügel 11 bzw. 21 einen Anstellwinkel gegen die von vorn anströmende Luft etwa in der Größenordnung normaler Tragflügel haben. In diesem Zustand laufen die Triebflügelrotoren relativ langsam um und erzeugen durch die an ihren Spitzen angebrachten Triebwerke 12 einen hohen Vorschub. Die Rötordrehaehse c ist in dieser Lage um den Winkel ©(, leicht gegen die Flugzeuglängsachse d und damit die Anströmrichtung angestellt, so daß die langsam umlaufenden Rotorblätter als Tragflügel arbeiten unddenerforderlichen Auftrieb erzeugen. Eine weitere auftrieberzeügende aerodynamische Fläche ist an derartigen Flugzeugen also nicht erforderlich. Der Rumpfquerschnitt ist entsprechend der Neigung der umlaufenden Ringe 14, 24 an den Rotornaben ganz leicht von der Kreisform abweichend elliptisch ausgebildet, wobei die große Achse horizontal liegt.

Das in Fig. 3 und 4 dargestellte Triebflügelflugzeug hat einen Rumpf 40, an dem der vordere ^riebflügelrotor 45 um die Achse e schwenkbar befestigt ist. Dieser Triebflügelrotor wird durch ein in der mit dem Rotor mitgeschwenkten aber.nicht mitrotierenden Rotorkopfverkleidung 47 liegendes Triebwerk, vorzugsweise eine Gasturbine, mechanisch angetrieben. Am hinteren -Ende des Rümpfes

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sind Stabilisationsflachen 41 und 42 befestigt, an denen zwei Triebwerke 43, 44 schwenkbar angebracht sind. Diese Triebwerke 43 und 44 tragen vorn Triebflügelrotoren 48, 49 welche mit den Triebwerken 43 und 44 mitgeschwenkt werden. Die Rotoren 48,49 laufen gegenüber dem Triebflügelrotor 45 am Rumpfbug in entgegengesetzter Richtung, wie durch Pfeile angedeutet. Die Durchmesser sowie die Drehzahlen der Rotoren 48, 49 sind mit dem Bugrotor 45 so abgestimmt, daß bei jedem Flugzustand vollständiger Drehmomentausgleich vorhanden ist. Sie sind in einer solchen Lage zum Rumpf angebracht, daß in jeder Schwenkstellung Gleichgewicht zwischen den am Flugzeug angreifenden Kräften und Momenten herrscht.

Aus diesem Grunde liegen die Schwenkachsen e bzw. f der Rotoren 45, 48, 49 bei diesem Ausführungsbeispiel in einem Abstand von der jeweiligen Rotorebene. Es wird also in der Schwebeflugstellung gegenüber der Vorwärtsflugstellung ein kopflastiges Moment auf das Flugzeug ausgeübt. Dieses Moment dient zum Ausgleich von beim Schwenken der Rotoren auftretenden umgekehrt wirkenden Momenten, die unter anderem von der Beaufschlagung der Stabilisationsflachen 41, 42 durch die von den hinteren Rotoren 48, 49 im Schwebeflug erzeugte abwärtsströmende Luft sowie von einer Tieflage des Schwerpunktes herrühren.

Zwischen den einzelnen Rotoren sind getriebliche Mittel vorgesehen, welche eine gleichmäßige Schwenkung aller Rotoren sichern. Weiterhin ist durch entsprechende Übertragungsmittel sichergestellt, " daß das Drehzahlverhältnis zwischen allen Rotoren in jeder Flug-

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lage und bei jedem Flugzustand konstant bleibt.

Das Flugzeug ist mit einem Vierradfahrwerk 51, 52 versehen, dessen sämtliche Stützen in den Rumpf eingezogen werden. Diese Fahrwerkausbildung wird durch die vom Rumpf entfernte Anbringung der hinteren Rotoren ermöglicht. Das Flugzeug ist mit einer Seitenflosse 46 zur Stabilisierung um die Hochachse versehen. In dem Vorderteil dieser Seitenflosse ist die Führerkabine 53 untergebracht. An den Stabilisationsflachen 41, 42 und 46 können auch in der Zeichnung nicht dargestellte, zusätzliche Steuerruder für den Horizontalflug angeordnet sein.

Das Flugzeug startet in der in Fig* 4 gezeigten Stellung senkrecht oder in schräger Richtung. Durch leichtes Schwenken der Rotoren wird in ähnlicher Welse wie bei einem Hubschrauber ein Vorwärtsflug erreicht. Zur Erhöhung der Vorwärtsgeschwindigkeit werden die Rotoren durch zyklische Verstellung der Blätter weiter vorwärts geschwenkt, wobei gleichzeitig der mittlere ^instellwinfcel der einzelnen Blätter vergrößert wird. Durch im Flugzeug angeordnete Verstellmotoren wird der Winkel zwischen den Triebflügelrotoren und dem Flugzeugrumpf· während des gesamten Verstellvorganges so geändert, daß stets eine horizontale Läge des Rumpfes beibehalten wird. In der vollständig geschwenkten Stellung der Triebflügel nach Fig.3 sind deren Achsen um einen kleinen Winkel ' o/C gegen die Flugzeuglangsachse angestellt« Die Triebflügelblätter haben einen großen Änstell-

' winfeel gegen die Umlaufrichtung und laufen mit sehr geringer JDreh-_ zahl um.

- Patentansprüche -»

Claims

Sohutzansprüohe

1. Triebflügelflugzeug mit im Vorwärtsflug um etwa in Flugrichtung weisende Drehachsen umlaufenden Triebflügelrotoren, welche gleichzeitig Auftrieb und Kräfte in Richtung der Flugzeug« längsachse liefern, und welche gegenüber dem Rumpf um parallel zur Flugzeugquerachse verlaufende Achsen um etwa 90° schwenk» bar angeordnet sind, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß ein Triebflügelrotor (45) am Flugzeugbug aufwärts schwenkbar befestigt ist, während zwei kleinere Rotoren (48, 49) an seitlichen Auslegern (41, 42) am entgegengesetzten Rumpfteil schwenkbar angeordnet sind.

2. Triebflügelflugzeug nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ■= zeichnet, daß die Schwenkrotoren durch getriebliche Mittel in der Weise miteinander verbunden sind, daß die Schwenkung aller Rotoren stets um gleiche Winkel erfolgt.

3* Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e η η ζ eic h η et, daß die Schwenkung der Rotoren (20,30) durch zyklische Verstellung der Rotorblätter (11,21-) · mittels einer Blattwinkelverstellvorrichtung erfolgt.

4. Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge k e η η ze ic h η e t , daß jeder Schwenkrotor mittels kinematischer Führungsgetriebe um eine flugzeugfeste Achse geschwenkt wird.

5. Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet, durch Synchronisation der Iiotordreh^ahl_en mittels elektrischer, hydraulischer oder mechanischer Getriebe und/öder Übertragungsmittel»

6· - Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis J>, gekennzeichnet durch 4ine für SrehflügelVerwandlungsflugzeuge an sich bekannte Koppel^ufig der Steuergetriebe für verschiedene Steuer* Wirkungen in der Weise, daß gleiche Steuerbewegungen in jeder Schwenfclage der Rotoren gleiche Änderungen des Flugzustandes hervorrufen«

7« Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g e k en η ze ich η et, daß der Pilotensitz (17) in der sihwenk» baren, jedoch nicht mitrotierenden Verkleidung (16) des vorderen Rotorkopfes untergebracht ist·

8· Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der vordere und der hintere Trieb*· flügelrotor eine unterschiedliche Blattzahl haben«

9. Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis § ge ken η — zeichnet durch eine Sperrung der Rotor**«£ben gegenüber dem Rumpf in der Schnellfluglage der Triebflögelrotoren*

10* Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch g e «« kennzeichne t, daß die Rotoren (20»30|' 45,48,49) für den Schnellflug in eine Stellung geschwenkt werden, in der ihre Drehachsen (e) eine der Anstellung eines Starrflügels entsprechenden Winkel C(j!y.) gegen die FlugzeuglKngsachse (d) besitzen.

11. Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis 10 g e k e η η -*· ■ zeichnet durch eine Sperrung der Rotornaben gegenüber dem Rumpf in der Schnellfluglage der Triebfliigeirotoren.

12. Triebflügelflugzeug nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch

g e k e η π ζ e i d h η et, daß die Motoren (20,30^ 45_t48,49j für den Schnellflug in eine Stellung geschwenkt werdenj in der ihre Drehachsen (c) einen der Anstellung eines Starrflügels entsprechenden Winkel ( o4 ) gegen die Fiugzeuglängsaehse .(el·): besit— -:■ zen. - . .-■." ■■■- .." ... . . ■■". .