DE19646794C2

DE19646794C2 - Airplane tailplane

Info

Publication number: DE19646794C2
Application number: DE19646794A
Authority: DE
Inventors: Alexander Van Der Velden
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2016-11-14
Also published as: DE19646794A1; DE59709129D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwenkhöhenleitwerk für ein Flugzeug. Schwenkhöhenleit werke werden vorwiegend in Form von Entenflügeln verwendet, um die Steuerbarkeit von Flugzeugen, insbesondere mit Deltaflügeln zu erhöhen. Bei Überschallflugzeugen muß der Enten flügel über einen großen Geschwindigkeitsbereich eine hinreichende Wirkung zeigen, weshalb man bestrebt ist, diesen mit einer variablen Geometrie auszubilden.The invention relates to a tailplane for an aircraft. Schwenkhöhenleit works are mainly used in the form of duck wings to control the controllability of Aircraft, especially those with delta wings. In supersonic aircraft, the duck must wings over a large speed range show a sufficient effect, which is why the aim is to design this with a variable geometry.

Eine derartige Lösung ist durch das Flugzeug vom Typ "Tupolev Tu-144" bekannt geworden. Hierbei besteht der Entenflügel aus zwei Hälften, die jeweils um eine innerhalb des Rumpfes angeordnete vertikale Achse zwischen einer voll ausgeschwenkten und einer eingeschwenkten Position bewegbar ausgebildet sind. Diese Lösung bringt zwar gegenüber einem starren Entenflügel erhebliche aerodynamische Vorteile, was jedoch mit einem beachtlichen Gewichtsnachteil erkauft wird. So müssen die betreffenden Schwenklager sehr große Biegemomente aufnehmen, was zu einer deutlichen Zunahme des Baugewichts führt.Such a solution is through the "Tupolev Tu-144" aircraft became known. Here the duck wing consists of two Halves, each about a vertical axis arranged within the fuselage between one fully pivoted and a pivoted position are movable. This Solution does bring considerable aerodynamic advantages over a rigid duck wing, what but is purchased with a considerable weight disadvantage. So the concerned Swivel bearings absorb very large bending moments, which leads to a significant increase in the Building weight leads.

Ferner ist aus dem Stand der Technik, der mit den Druckschriften: "DE-OS 24 26 061, US-A 39 71 535, US-A 41 32 374" und einer Veröffentlichung in der DE-Zeitschrift "Flugrevue und Flugwelt International" mit dem Hinweis auf eine Studie der Firma BOEING - mit Bilderläu terung (Flugrevue und Flugwelt International; Ausgabe 9/1972, Seite 10, rechts unten Kasten) der Fachwelt offenbart wird, bekannt, ein am Heck eines Flugzeuges angeordnetes Höhenleitwerk als einteiliges Schwenkleitwerk auszubilden, wobei dieses annähernd in seiner Mitte einen Drehpunkt aufweist, in dem es um eine annähernd vertikale Achse schwenkbar gelagert wird. Ein Fachmann wird dabei beobachten, daß einteilige schwenkbare Leitwerke an sich zwar bekannt sind, aber nur als am Heck eines Flugzeugs angeordnete Höhenleitwerke, wie dieses die erwähnten Veröffentli chungen ausnahmslos zeigen. Bei Flugzeugen mit einem Entenflügel zeichnet sich demgegenüber eine andere Entwicklung ab. Die Entenflügel, die auch Höhenleitwerke darstellen, allerdings nahe dem Rumpfbug eines Flugzeuges angeordnete, sind in Bezug auf ihre Befestigung am Flugzeug rumpf in der Regel starr ausgebildet. Hierbei besteht der Nachteil, daß diese starren Leitwerke in ihrer Pfeilung bzw. in ihrer wirksamen Leitwerksfläche nicht an unterschiedliche Geschwindig keitsbereiche angepaßt werden können. Außerdem sind beispielsweise Überschallflugzeuge mit einem Entenflügel oft so ausgelegt, daß der Entenflügel nur im Langsamflug benötigt wird und im Überschallflug keinen Beitrag zur Steuerung oder Stabilität leistet. Es besteht daher das Bedürfnis, diese Leitwerke während des Fluges stärker zu pfeilen oder gänzlich einzuziehen. Furthermore, from the prior art, with the publications: "DE-OS 24 26 061, US-A 39 71 535, US-A 41 32 374" and a publication in the DE magazine "Flugrevue und Flugwelt International" a reference to a study by the Boeing company - with Bilderläu esterification (Flugrevue and air world International; edition 9/1972, page 10, box bottom right) is disclosed in the art, known to form a valve disposed at the rear of an aircraft horizontal stabilizer of an integral pivot tail, wherein this has a fulcrum approximately in its center, in which it is pivotally mounted about an approximately vertical axis. A person skilled in the art will observe that one-piece pivotable tail units are known per se, but only as horizontal tail units arranged at the rear of an aircraft, as the publications mentioned above show without exception. In contrast, aircraft with a duck wing show a different development. The duck wings, which also represent horizontal stabilizers, but which are arranged near the fuselage of an aircraft, are generally rigid in terms of their attachment to the aircraft fuselage. The disadvantage here is that these rigid tail surfaces cannot be adapted to different speed ranges in their sweeping or in their effective tail surface. In addition, supersonic aircraft with a duck wing, for example, are often designed so that the duck wing is only required for slow flight and makes no contribution to control or stability in supersonic flight. There is therefore a need to arrow these tails more strongly during flight or to retract them entirely.

Bisher bekannt gewordene Lösungen mit diesem ihnen anhaftenden Problem bestehen darin, daß der Entenflügel aus zwei Hälften besteht, wobei jede Hälfte für sich um eine vertikale Achse schwenkbar gelagert ist. Eine derartige Lösung ist in einer Veröffentlichung der US-Zeitschrift: "Janes - All The World's" (Janes - All The World's; Band 1970/71, Seite 62) dargestellt. Diese Fundstelle zeigt ein Flugzeug vom Typ "Dassault Milan" mit einem aus zwei Hälften bestehenden Entenflügel, wobei jede Hälfte um eine vertikale Achse schwenkbar angeordnet ist. Diese Teil flügel werden beim Übergang in den Überschallflug nach vorn in den Rumpf eingeschwenkt. Eine andere derartige Lösung ist einer weiteren Veröffentlichung der US-Zeitschrift: "Janes - All The World's" (Janes - All The World's; Band 1979/80, Seite 215) zu entnehmen. Dort ist ein Flug zeug vom (vorab erwähnten) Typ "Tupolev Tu-144" gezeigt, deren Entenflügel ebenfalls aus zwei schwenkbaren Teilflügeln besteht. Diese Teilflügel werden jedoch nach hinten eingeschwenkt. Diese beiden letztgenannten Lösungen bringen zwar gegenüber einem starren Entenflügel erhebli che aerodynamische Vorteile, was man jedoch mit einem beachtlichen Gewichtsnachteil erkaufen wird. So müssen die betreffenden Schwenklager sehr große Biegemomente aufnehmen, was zu einer deutlichen Zunahme des Baugewichts führt.Solutions known so far with this inherent problem are that the duck wing consists of two halves, each half being pivoted about a vertical axis. Such a solution is described in a publication of the US magazine "Jane's - All The World's" (- All The World's Janes; tape 1970/71, page 62), respectively. This site shows a "Dassault Milan" aircraft with a duck wing consisting of two halves, each half being pivotable about a vertical axis. These wings are swung forward into the fuselage at the transition to supersonic flight. Another such solution is a further release of US magazine: "Jane - All The World's"-; refer (All The World's Janes band 1979/80, page 215). There is a plane of the (previously mentioned) type "Tupolev Tu-144" is shown, the duck wing of which also consists of two pivoting partial wings. However, these partial wings are swung in to the rear. These two latter solutions bring considerable aerodynamic advantages over a rigid duck wing, but this will be bought with a considerable weight disadvantage. The swivel bearings in question must absorb very large bending moments, which leads to a significant increase in the construction weight.

Diese Veröffentlichungen vermitteln der Fachwelt den Eindruck, daß man diese vorgestellten Lösungen mit den vorzusehenden Schwenkleitwerken doch auf recht umständliche und aufwendige Art und Weise nur realisieren wird. Außerdem ist beim bekannten Stand der Technik kein schrift licher Hinweis zu finden, ein einteiliges vornliegendes Höhenleitwerk um eine annähernd vertikale Achse zu schwenken. Wie bereits vorher dargelegt wird, sind bisher schwenkbare, vornliegende Höhenleitwerke - stets in zweiteiliger Form an beiden seiten des Rumpfbugs angeordnet - realisiert worden. Dem bekannten Stand der Technik läßt sich auch keinerlei Anregung entnehmen, das von Schrägflügelflugzeugen her bekannte Prinzip eines einteilig schwenkbaren Leitwerks auf einen Entenflügel anzuwenden.These publications give the professional world the impression that they are presented Solutions with the swing tails to be provided are quite cumbersome and complex Way will only realize. In addition, there is no writing in the known prior art clue to find a one-piece horizontal tailplane by an approximately vertical one Swivel axis. As has already been explained previously, swiveling ones are up front Vertical stabilizers - always arranged in two parts on both sides of the fuselage Service. There is also no suggestion whatsoever from the known prior art that of Inclined wing aircraft known principle of a one-piece pivoting tail unit on one Apply duck wings.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Schwenkhöhenleit werk derart auszubilden, daß sich eine deutliche Vereinfachung des mechanischen Aufwandes und des Baugewichtes ergibt.Accordingly, the invention has for its object a generic swivel height guide train such that there is a significant simplification of the mechanical effort and of the building weight.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Schwenkhöhenleitwerk durch die kennzeichnen den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is characterized by a generic tailplane by solved the features of claim 1.

Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß die angestrebten aerodynamischen Vorteile mit relativ geringem mechanischem Aufwand erreicht werden. Außerdem ist von Vorteil, daß das Schwenk höhenleitwerk für Bewegungen des Flugzeuges am Boden im Flughafenbereich eingeschwenkt werden kann, so daß Kollisionen mit flughafenseitigen Boarding-Einrichtungen leichter vermieden werden.It is particularly advantageous that the desired aerodynamic advantages with relative low mechanical effort can be achieved. It is also advantageous that the swivel elevator for movements of the aircraft swung in on the ground in the airport area can be avoided so that collisions with airport-side boarding facilities more easily become.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigenThe invention is illustrated by the drawing and explained in more detail below. Show it

Fig. 1 ein Flugzeug mit einem Schwenkhöhenleitwerk in vollausgefahrener Position, Fig. 1, an aircraft with a pivot tailplane in the fully extended position,

Fig. 2 das Flugzeug nach Fig. 1 mit halb ausgefahrenem Schwenkhöhenleitwerk, Fig. 2, the plane of FIG. 1 with half ausgefahrenem pivot tailplane,

Fig. 3 das Flugzeug nach Fig. 2 mit voll eingefahrenem Schwenkhöhenleitwerk und Fig. 3 shows the aircraft of FIG. 2 with the retractable tailplane fully retracted and

Fig. 4 schematisch eine Seitenansicht des Flugzeuges nach Fig. 1. Fig. 4 schematically shows a side view of the aircraft of FIG. 1.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeug 1 mit einem Rumpf 2, einem Deltaflügel 3 und einem erfindungs gemäßen Schwenkhöhenleitwerk 4. Hierbei besteht die Erfindung darin, daß das Schwenkhöhen leitwerk 4 als sogenannter Schrägflügel ausgebildet ist. Dieser Flügel ist einteilig ausgebildet und weist annähernd in seiner Mitte einen Drehpunkt auf, in dem er um eine annähernd vertikale Achse 5 schwenkbar ist. Das Bild zeigt das Schwenkhöhenleitwerk 4 in voll ausgefahrener Position, in der er bei niedrigen Geschwindigkeiten maximale Wirkung zeigt. Diese Konfiguration ist vorteilhaft bei Start und Landung. Fig. 1 shows an aircraft 1 with a fuselage 2 , a delta wing 3 and an inventive flapping tailplane 4th Here, the invention is that the pivoting heights 4 is designed as a so-called inclined wing. This wing is formed in one piece and has approximately a center of rotation in its center, in which it can be pivoted about an approximately vertical axis 5 . The picture shows the tailplane 4 in the fully extended position, in which it shows maximum effect at low speeds. This configuration is advantageous for take-off and landing.

Fig. 2 zeigt das Flugzeug 1 mit schräg gestelltem Schwenkhöhenleitwerk 4. In dieser Position ist die wirksame Spannweite des Schwenkhöhenleitwerks 4 reduziert. Außerdem weist das Schwenk höhenleitwerk 4 jetzt eine Pfeilung auf. Diese Konfiguration ist vorteilhaft im Reiseflug bei trans sonischen Geschwindigkeiten. Fig. 2 shows the aircraft 1 with obliquely gestelltem pivot tailplane. 4 In this position, the effective span of the tailplane 4 is reduced. In addition, the pivoting elevator 4 now has an arrow. This configuration is advantageous when cruising at trans sonic speeds.

Fig. 3 zeigt das Flugzeug 1 mit voll eingezogenem Schwenkhöhenleitwerk 4. In diese Position wird das Schwenkhöhenleitwerk 4 beim Übergang in den Überschallbereich gebracht, da in diesem Geschwindigkeitsbereich die Wirkung des Schwenkhöhenleitwerks 4 nicht benötigt wird. Bei Bewegungen des Flugzeuges am Boden reduziert das eingeschwenkte Schwenkhöhenleitwerk 4 die Gefahr von Kollisionen mit flughafenseitigen Boarding-Einrichtungen. Fig. 3 shows the aircraft 1 with fully retracted pivot tailplane. 4 The swiveling tail unit 4 is brought into this position during the transition to the supersonic range, since the effect of the swiveling tail unit 4 is not required in this speed range. When the aircraft moves on the ground, the swiveled-in tailplane 4 reduces the risk of collisions with boarding devices on the airport side.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Schwenkhöhenleitwerks 4 ist nicht auf die Anwendung als Entenflügel beschränkt. Es sind auch Flugzeug-Konfigurationen denkbar, bei denen das Schwenkhöhenleitwerk 4 als Heckleitwerk angewendet wird. In Fig. 3 ist ein derartiges Heck leitwerk 6 schematisch angedeutet.The use of the tailplane 4 according to the invention is not limited to use as a duck wing. Airplane configurations are also conceivable in which the pivoting elevator 4 is used as a tailplane. In Fig. 3 such a tail unit 6 is indicated schematically.

Fig. 4 zeigt das obige Flugzeug mit dem Rumpf 2 und dem Schwenkhöhenleitwerk 4 schematisch in einer Seitenansicht. Hier erscheint die Schwenkachse 5 in der Bildebene. Man erkennt, daß die Schwenkachse 5 gegenüber der Vertikalen V nach vorn geneigt ist. Durch diese Maßnahme können aerodynamische Unsymmetrien, die durch die Schwenkbewegung entstehen, ausgeglichen werden. Die Vertikale V steht im Horizontalflug senkrecht auf der Flugachse. Fig. 4 shows the above aircraft with the fuselage 2 and the vertical stabilizer 4 schematically in a side view. Here the pivot axis 5 appears in the image plane. It can be seen that the pivot axis 5 is inclined forward with respect to the vertical V. This measure makes it possible to compensate for aerodynamic asymmetries caused by the pivoting movement. The vertical V is perpendicular to the flight axis in horizontal flight.

Eine weitere Maßnahme, um aerodynamische Unsymmetrien, die durch die Schwenkbewegung entstehen, auszugleichen, besteht darin, daß die Schwenkachse außerhalb der vertikalen Sym metrieebene des Flugzeuges liegt. Siehe hierzu Schwenkachse 5a und Symmetrieebene 7 in Fig. 3.Another measure to compensate for aerodynamic asymmetries caused by the swiveling movement is that the swiveling axis lies outside the vertical symmetry plane of the aircraft. See pivot axis 5 a and plane of symmetry 7 in FIG. 3.

Die statischen Vorteile eines einteiligen Schrägflügels ergeben sich dadurch, daß dieser in stati scher Hinsicht wie ein durchgehender Biegebalken wirkt. Hierdurch wird das Schwenklager nicht durch Kräfte belastet, die sich aus Biegemomenten ergeben. Weitere Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Kinematik, werden dadurch erreicht, daß der Schwenkmechanismus nur ein Schwenklager aufweist. Dies führt zu einer einfachen Konstruktion von geringem Gewicht. Außerdem sind zur Betätigung des erfindungsgemäßen Schwenkhöhenleitwerks 4 nur noch geringe Antriebskräfte erforderlich.The static advantages of a one-piece inclined wing result from the fact that it acts in static terms as a continuous bending beam. As a result, the pivot bearing is not loaded by forces that result from bending moments. Further advantages, in particular with regard to the kinematics, are achieved in that the swivel mechanism has only one swivel bearing. This leads to a simple, lightweight construction. In addition, only small driving forces are required to actuate the vertical stabilizer 4 according to the invention.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Schwenkhöhenleitwerk 4 Steuerflächen in Form üblicher Steuerklappen aufweist.One embodiment of the invention consists in that the pivoting elevator has 4 control surfaces in the form of conventional control flaps.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Schwenkhöhenleitwerk 4 zu Steuerzwecken um seine Längsachse schwenkbar ausgebildet ist. Hiermit kann der Einstellwinkel des Schwenkhöhenleitwerks 4 verändert werden. A further embodiment of the invention consists in that the pivoting elevator 4 is designed to be pivotable about its longitudinal axis for control purposes. With this, the setting angle of the vertical stabilizer 4 can be changed.

Die Erfindung mit einem ungepfeilten Schwenkhöhenleitwerk 4 eröffnet die Möglichkeit, Schwenkhöhenleitwerke 4 zu realisieren, die in ihrer voll ausgefahrenen Position gegenüber bisherigen Lösungen größere Spannweiten und Streckungen aufweisen. Damit können größere Schwenkhöhenleitwerkskräfte erzeugt werden als mit den bisherigen Entenflügeln, die infolge ihrer Deltaform nur eine geringe Streckung aufweisen. Berücksichtigt man die wachsende Bedeu tung der Startleistung, insbesondere im Hinblick auf die Geräuschentwicklung, wird eine zweite Generation von Überschallverkehrsflugzeugen - im Gegensatz zur Concorde - nicht ohne die Hilfe von Auftriebsklappen am Flügel für Start und Landung auskommen. Da diese Klappen bei einem Deltaflügel in einem großen Abstand zum Schwerpunkt des Flugzeuges angeordnet sind, werden große Leitwerksmomente benötigt, um die von diesen Klappen erzeugten Momente auszugleichen. Das erfindungsgemäße Schwenkhöhenleitwerk 4 ermöglicht die Erzeugung derart großer Schwenk höhenleitwerksmomente auf eine äußerst kosteneffektive Weise.The invention with an unswept tailplane 4 opens up the possibility of realizing tailboards 4 which, in their fully extended position, have larger spans and extensions than previous solutions. This means that greater vertical stabilizer forces can be generated than with previous duck wings, which have only a small extension due to their delta shape. Taking into account the growing importance of take-off performance, particularly with regard to noise development, a second generation of supersonic aircraft - unlike the Concorde - will not be able to do without the help of lift flaps on the wing for take-off and landing. Since these flaps are arranged at a large distance from the center of gravity of the aircraft in the case of a delta wing, large empennage moments are required in order to compensate for the moments generated by these flaps. The pivoting tail 4 according to the invention enables the generation of such large pivoting tail moments in an extremely cost-effective manner.

Claims

1. pivoting tail for an aircraft, wherein the pivoting tail ( 4 ) is formed in one piece and approximately in its center has a pivot point in which it is pivotally mounted about an approximately vertical axis, characterized in that the axis ( 5 ) far in front of the center of gravity of the aircraft is arranged near the fuselage.

2. swivel tail unit according to claim 1, characterized in that the axis ( 5 ) with respect to a vertical (V) is inclined forward.

3. pivoting elevator according to claim 1, characterized in that the pivoting elevator ( 4 ) has control surfaces in the form of conventional control flaps.

4. swivel tail unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the swivel tail unit ( 4 ) is designed to be pivotable about its longitudinal axis for control purposes.