Die Erfindung betrifft ein Anströmprofil mit variabler Profiladaption.
Tragflügel als Anströmprofile werden in heutiger Zeit bei modernen Unterschall-
Verkehrsflugzeugen stets für einen einzigen Betriebspunkt optimal ausgelegt.
Jedoch ist ein Flugzeug vom Start bis zur Landung ständig wechselnden
äußeren Bedingungen ausgesetzt und zudem durch den Betrieb, beispielsweise
durch den Treibstoffverbrauch und den damit einhergehenden Masseverlust,
ständig neuen Flugbedingungen unterworfen. Um bei diesen verschiedenen
Phasen eines Fluges optimale Betriebsbedingungen zu erzielen, werden
üblicherweise bei Verkehrsflugzeugen Klappen eingesetzt, mit deren Hilfe eine
Anpassung der Tragflügelprofile hauptsächlich in der Start- und Landephase
vorgenommen werden kann. Um das maximale Strömungspotential über dem
gesamten Missionsprofil ausnutzen zu können, ist eine optimale Anpassung der
Tragflügelgeometrie für jeden Flugzustand erforderlich. Als besonders relevant
erweist es sich dabei insbesondere, eine entsprechende geometrische
Anpassung im Bereich der Tragflügelhinterkantenverwölbung vorzusehen.
Hochrechnungen über die nächsten zwanzig Jahre haben für derartige
leistungssteigernde Maßnahmen für Unterschall-Verkehrsflugzeuge ergeben,
daß alleine durch die Optimierung der Aerodynamik eines Tragflügels eine
Verminderung des Treibstoffverbrauches bzw. -bedarfes eines Luftfahrzeuges
bis zu 36% möglich ist.
Zur Optimierung der Aerodynamik des Tragflügels sind verschiedene
Maßnahmen bekannt. Beispielsweise sind ausfahrbare Vorder- und
Hinterkantenklappen moderner Verkehrsflugzeuge bekannt, die während der
Start- und Landephase, d. h. in der Zeit des Langsamfluges, zum Einsatz
kommen. Hingegen sind für die Schnellflugphase von Unterschall-
Langstreckenflugzeugen in großen und mittleren Höhen bislang nur wenig
Leistungsverbesserungen unternommen worden.
Aus der US 5,186,420 ist eine Verwölbung von Tragflügelhinterkanten durch
Formgedächtnisdrähte bekannt. Dabei wird die Rückstellkraft von SMA (Shape
Memory Alloy)-Werkstoffen in Form von Formgedächtnisdrähten zur Profilände
rung von Tragflügelhinterkanten verwendet. Es wird darin ein in einer
Isolierkammer befindliches SMA-Draht-System zur Bewegung einer Wölbklappe
beschrieben. Die Isolierkammer dient dabei der Kontrolle einer thermischen
Aktivierung des SMA-Drahtes.
In der US 5,150,864 ist eine alternative Lösung zur Profiländerung der
gekrümmten Oberfläche eines Tragflügels mittels Formgedächtnisdrähten
(SMA-Drähten) offenbart, wobei darin die Formgedächtnisdrähte in Zickzack-
Linien innerhalb einer Ebene verspannt sind, im Unterschied zu den
Formgedächtnisdrähten in der US 5,186,420, in der diese Drähte umgelenkt
sind über entsprechende Rollen.
Eine weitere Lösung ist in der US 5,224,826 beschrieben, wobei dort eine
Verwölbung durch piezoelektrische Materialien hervorgerufen wird. Neben
piezoelektrischen Werkstoffen sind darin auch andere aktiv verformbare
Materialien, wie magnetostriktive und elektrostriktive Elemente, für die
Bewegung von Flaps an einer Tragflügelhinter- und -vorderkante offenbart. Die
Flaps sind dabei durch eine flexible Verbindung, insbesondere ein Scharnier
aus flexiblem Material, an die Tragflügelhinterkante angebunden. Aus der
US 3,042,371 ist eine Lösung bekannt, bei der die Tragflügelhinterkante durch
ein Bimetall, die Tragflügelvorderkante starr ausgeführt wird. In dem
GB 1124 358 ist eine Möglichkeit zur Tragflügelprofiländerung durch
pneumatisch aufklappbare Zwischensegmente offenbart. Innerhalb des
Tragflügels sind dabei einzelne Segmente gebildet, zwischen denen jeweils in
einem Zwischenraum eine dehnbare Blase vorgesehen ist, welche mit Druckluft
gefüllt und auch wieder geleert werden kann. Dadurch lassen sich die einzelnen
Segmente zueinander bewegen und eine Neigung des gesamten
Tragflügelprofiles dadurch erzielen.
Eine weitere Möglichkeit zeigt die DE 12 34 874, bei der Strukturelemente aus
Kunststoffrohren innerhalb einer beidseitigen flexiblen Beplankung des
Tragflügels so angeordnet sind, daß beim Füllen der Rohre durch Preßluft oder
eine hydraulische Flüssigkeit infolge unterschiedlicher Spannungen innerhalb
der Strukturelemente eine Profiländerung des Tragflügels auftritt. In der
DE 23 48 304 ist ein intelligenter Bewegungsmechanismus zur Beeinflussung
strömender Medien, insbesondere für Strahlablenkschaufeln, zur
Schubvektorsteuerung und für Tragflügel offenbart. Der Tragflügel ist dabei mit
einen Skelettträger, welcher von der Beplankung ummantelt wird, versehen. Die
Beplankung auf der Oberseite ist dabei eine flexible Oberhaut, welche entweder
im Bereich des Vorderteiles (Nase) oder an der Hinterkante des Tragflügels fest
eingespannt ist, ebenso wie die Unterbeplankung. Der Skelettträger ist
gegenüber der Beplankung in Richtung der Profiltiefe des Strömungskörpers,
nämlich des Tragflügels, verstellbar. Aus der GB 2 713 902 ist eine Verwölbung
des Tragflügels aufgrund von drehbar miteinander verbundenen Kippelementen
und einem zwischen diesen Kippelementen vorgesehenen Verstellmechanismus
bekannt. Die US 3,109,613 offenbart eine hornförmig gekrümmte Spindel,
welche in einem Gleitlager drehbar und in eine axiale und spannweitige
Bewegung und eine Neigung zulassenden Gleitlagern gelagert ist. Bei Drehung
der Spindel wird eine Verwölbung des Tragflügelprofiles aufgrund der
hornförmigen Spindelstruktur bewirkt.
Die Verwölbung kann auch durch verschiedene Hebelmechanismen bewirkt
werden, wie beispielsweise bei der in der DE 27 55 442 offenbarten Vorrichtung
zur Lagerung von Rudern und Wölbungsklappen von Flugzeugen und
Wasserfahrzeugen. Dabei ist ein Hebelmechanismus und eine obere flexible
Deckhaut im Bereich zwischen der Klappe und dem starren Teil des
beispielsweise Flug- oder Wasserfahrzeuges vorgesehen. Durch den
Hebelmechanismus wird dabei das Klappenelement in einen Vorbau ein- und
aus diesem wieder ausgefahren. Weitere, kompliziertere Hebelmechanismen
zur Verwölbung von entsprechenden Wölbklappen sind aus den US 4,312,486,
US 4,351,502 sowie GB 2 059 368 bekannt. In letzterer ist ein Mechanismus
offenbart, der sich aus einem Dreharm, welcher drehbar mit einem starren Teil,
angetrieben über ein aktives Scharnier, und drehbar mit einem beweglichen Teil
verbunden ist. Zwei weitere Teile sind in einem Punkt drehbar und über eine
Gleithülse axial verschieblich miteinander gekoppelt. Eines der beiden Teile ist
dabei fest mit dem starren Teil, das andere fest mit dem beweglichen Teil
verbunden.
Die bekannten vorstehend dargestellten Verwölbungsmaßnahmen finden
Anwendung hauptsächlich bei der Strömungsanpassung in der
Flugzeugtechnik, aber auch für den Wasserfahrzeugbau, für
Hubschrauberrotorblätter und zur Umlenkung strömender Medien. Aufgrund der
in der Verkehrsflugzeugtechnik vorherrschenden großen aerodynamischen
Belastungen können nicht alle dargestellten Lösungen uneingeschränkt
angewendet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Anströmprofil mit variabler
Profiladaption zu schaffen, das leichtbaugerecht ausgeführt ist und zugleich den
während des Fluges auftretenden hohen Belastungen sehr gut standhalten
kann.
Die Aufgabe wird durch ein Anströmprofil mit variabler Profiladaption gelöst, bei
dem eine Rippenstruktur des Anströmprofils vorgesehen ist, die starre Bereiche
und flexible Bereiche aufweist, der flexible Bereich einer Rippe zumindest drei
Rippenelemente aufweist, die Rippenelemente in kinematischer Verkettung
untereinander gelenkig verbunden sind und Antriebsmittel zur Krafteinleitung in
einen beweglichen Teil des flexiblen Bereichs der Rippenstruktur vorgesehen
sind, wobei durch eine angeregte Bewegung eines Rippenelementes die
Bewegung zumindest eines anderen Rippenelementes aktivierbar ist.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen definiert.
Bei Verkehrsflugzeugen geschieht bei einem Tragflügel als Anströmprofil die
Realisierung einer variablen Tragflügelhinterkantenverwölbung
erfindungsgemäß durch eine flexible Gestaltung der Fowlerklappen. Dabei ist es
sehr wichtig, sowohl eine spannweitig konstante als auch eine spannweitig
differenzierte Verwölbung der Tragflügelhinterkanten zu ermöglichen, wobei
deren Kontur glatt und stetig bleiben soll. Eine konstante Verwölbung der
Tragflügelhinterkanten dient dabei der Konturoptimierung während des
Reisefluges, um in Abhängigkeit von Machzahl und Fluggewicht mehr oder
weniger stark zuwölben zu können. Zu Beginn des Reisefluges, das heißt bei
hohem Fluggewicht, wird am stärksten zugewölbt, wohingegen am Ende des
Reisefluges, das heißt bei geringstem Fluggewicht, lediglich eine geringe
Zuwölbung erforderlich ist. Durch Vorsehen einer spannweitig differenzierten
Verwölbung wird eine Umverteilung der Tragflügellasten in Abhängigkeit vom
jeweiligen Flugzustand vorgenommen. Dies bietet gerade bei schlanken, großen
Tragflügeln die Möglichkeit, die kritische Tragflügelverbindung über den
gesamten Flugbereich kontrollieren zu können.
Es wird ein Anströmprofil, beispielsweise ein Tragflügel mit variabler
Profiladaption geschaffen, bei dem die Fowlerklappen weiterhin mit Rippen bzw.
einer Rippenstruktur versehen sind, welche mittels ihrer hohen Schubsteifigkeit
einen hohen Anteil der während des Fluges vorherrschenden Luftlasten
aufnimmt und maßgeblich zur gesamten Klappensteifigkeit beiträgt. Aufgrund
des jeweils bevorzugten Vorsehens von nur einem Antriebsmittel bzw. Aktuator
je Rippe wird im Vergleich zum Stand der Technik, welcher meist sehr viele
Aktuatoren verwendet, vorteilhaft Gewicht eingespart. Auch der übrige Aufbau
des flexiblen Bereichs der Rippenstruktur bzw. jeweils einer Rippe in Form von
besonders bevorzugt flachen, scheibenförmigen, hintereinander gesetzten
Rippenelementen ist leichtbaugerecht und spart im Vergleich zum Stand der
Technik sehr viel Gewicht ein.
Besonders bevorzugt sind die Rippenelemente mit Mitteln zum Eingriff von
Schub- und/oder Drehgelenken versehen und so geformt, daß sie mit den
benachbarten Rippenelementen verbindbar sind. Dadurch ist lediglich ein
geringer Dickenzuwachs im Vergleich zu einer bekannten starren Rippe bewirkt.
Durch das besonders bevorzugte drehgelenkige Verbinden der einzelnen
Rippenelemente untereinander, beispielsweise mittels Bolzen oder ähnlicher
Bauelemente, ist zwar hinsichtlich einer starren Rippe ein geringer Dicken- und
Gewichtszuwachs vorgenommen. Jedoch wird die hohe Steifigkeit einer
Scheibe durch die scheibenförmige Gestaltung der Rippenelemente genutzt,
wodurch eine sehr gute leichtbaugerechte Konstruktion geschaffen wird.
Die Rippenelemente sind segmentweise hintereinander angeordnet und über
Schub- und/oder Drehgelenke miteinander verbunden. In jeweils einer Rippe der
Rippenstruktur wird besonders bevorzugt ein Antriebsmittel als Aktuator,
insbesondere Längen- oder Drehaktuator, vorgesehen. Dieser leitet eine Kraft
entweder in ein Rippenelement oder in ein Gelenk des flexiblen Bereichs der
Rippenstruktur ein. Die Bewegung des flexiblen Bereiches geschieht dann durch
die kinematische Anordnung der Rippenelement hintereinander in Form einer
kinematischen Kette. Die Rippenelemente verneigen sich gegeneinander und
bilden die Verwölbung des Anströmprofils. Um keine Verspannungen im Bereich
von die Rippenstruktur umgebenden Hautfeldern zu erzeugen, bei der
Verneigung der Rippenelemente zueinander, kann zumindest ein Teil des
Hautfeldes, welches den flexiblen Bereich der Rippenstruktur umgibt, über
dieser Rippenstruktur gleiten.
Besonders bevorzugt sind die Rippenelemente zumindest teilweise elastisch
dehn- und stauchbar und/oder im wesentlichen starr. Wenn die Rippenelemente
elastisch dehn- und stauchbar sind, sind die Gelenke zwischen den Rippenele
menten als Drehgelenke ausgeführt. Sind hingegen die Rippenelemente im we
sentlichen starr, sind zwischen den Rippenelementen Dreh- und Schubgelenke
vorgesehen. Es könnte auch eine Kombination von elastisch dehn- und stauch
baren und im wesentlichen starren Rippenelementen vorgesehen werden, falls
dies anwendungsspezifisch wünschenswert erscheint.
Vorzugsweise weisen die Rippenelemente Öffnungen als Mittel zum Eingriff von
Schub- und/oder Drehgelenken auf. Dabei ist vorzugsweise eine zentrale große
Öffnung und beidseitig benachbart dazu jeweils zwei weitere Öffnungen die
Rippenelemente vollständig durchdringend vorgesehen.
Besonders bevorzugt ist ein Hebelelement vorgesehen, in das das
Antriebsmittel eine Kraft einleitet und das in Gelenken des flexiblen Bereichs der
Rippenstruktur gelagert ist, wobei in diesem Falle zumindest vier
Rippenelemente vorgesehen sind. Vorzugsweise können auch noch ein oder
mehrere weitere Hebelelemente vorgesehen sein, welche jeweils drei
Rippenelemente miteinander verbinden. Für einen derartigen Aufbau sind
zumindest drei Rippenelemente vorzusehen.
Eine anwendungsspezifische Variation der Neigungswinkel der einzelnen
Rippenelemente zueinander kann besonders bevorzugt durch Variation der
Längenverhältnisse zwischen den die Rippenelemente miteinander
verbindenden Gelenken (Schub- und/oder Drehgelenke) vorgesehen werden.
Das Antriebsmittel bzw. der Aktuator ist in einer bevorzugten Ausführungsform
in einem ersten Rippenelement abgestützt und leitet eine Kraft in ein zweites
Rippenelement ein. Das Antriebsmittel kann aber auch im Anströmprofil
abgestützt sein und eine Kraft in ein beliebiges, die Rippenelemente
verbindendes Gelenk einleiten. Alternativ hierzu kann es aber auch eine Kraft in
ein beliebiges Rippenelement selbst einleiten.
Vorzugsweise ist das erste Rippenelement starr mit dem starren Bereich der
Rippenstruktur, über ein Drehgelenk mit einem zweiten Rippenelement und über
ein Schubgelenk mit einem dritten Rippenelement verbunden, wobei das zweite
und das dritte Rippenelement miteinander über ein Drehgelenk verbunden sind.
Sind die Rippenelemente elastisch dehn- und stauchbar, ist anstelle des
Schubgelenkes ein Drehgelenk vorgesehen.
Vorzugsweise sind die Rippenelemente aus einem Faserverbundwerkstoff,
insbesondere aus Kohlefaser- oder Glasfaserverbundwerkstoff hergestellt. Die
Aktuatoren liefern entweder eine lineare Kraft oder aber ein Drehmoment. Sie
sind von möglichst geringer Größe, um insbesondere in einer Öffnung innerhalb
des ersten Rippenelementes plaziert werden zu können.
Es kann jeweils ein Aktuator je Rippe oder aber im Bereich von jedem, die
Rippenelemente verbindenden Gelenk ein Aktuator oder lediglich im Bereich der
seitlichen äußeren Enden des Anströmprofils jeweils ein Aktuator und alle
Rippen im flexiblen Bereich verbindend ein stangenförmiges Mittel zum
parallelen Ansteuern aller flexiblen Bereiche der jeweiligen Rippen vorgesehen
sein. Die seitlichen äußeren Aktuatoren greifen an dem stangenförmigen Mittel
an und leiten in dieses eine Kraft ein.
Anströmprofil kann ein Tragflügel, ein Helikopterrotor, ein Rotor einer
Windkraftanlage, Klappen an Tragprofilen oder beliebige andere
aerodynamische oder Strömungsprofile sein.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden
Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen beschrieben.
Diese zeigen in:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten
Tragflügels mit variabler Profiladaption,
Fig. 2 eine Seitenansicht des flexiblen Bereiches einer Rippe gemäß Fig. 1
in nach unten gewölbter Positionierung,
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes bei
Vorsehen von Drehgelenken und Schubgelenken zwischen
Rippenelementen des flexiblen Bereiches,
Fig. 4 eine Seitenansicht des flexiblen Bereiches als Detailansicht gemäß
Fig. 2 in Normalstellung, nach oben sowie nach unten ausgelenkter
Positionierung,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines flachen,
scheibenförmigen Rippenelementes,
Fig. 6 eine Seitenansicht sowie eine Schnittansicht des Rippenelementes
gemäß Fig. 5,
Fig. 7 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes der
Verwölbung des flexiblen Bereiches bei Vorsehen von lediglich
Drehgelenken und elastisch dehn- und stauchbaren
Rippenelementen,
Fig. 8 eine seitliche Detailansicht einer zweiten Ausführungsform des
flexiblen Bereiches mit einem Hebelelement,
Fig. 9 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes des
flexiblen Bereiches gemäß Fig. 8,
Fig. 10 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes einer
alternativen Ausführungsform eines flexiblen Bereiches mit
Hebelelement,
Fig. 11 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes einer
weiteren alternativen Ausführungsform eines flexiblen Bereiches mit
Hebelelement,
Fig. 12 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes eines
flexiblen Bereiches mit Hebelelement entsprechend Fig. 8 und 9,
wobei lediglich Drehgelenke vorgesehen sind,
Fig. 13 eine seitliche Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des
flexiblen Bereiches der Rippenstruktur mit an einem Drehgelenk
angreifendem Aktuator,
Fig. 14 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes des
flexiblen Bereiches gemäß Fig. 13,
Fig. 15 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes einer
alternativen Ausführungsform des flexiblen Bereiches bei
ausschließlichem Vorsehen von Drehgelenken und einem an ein
Drehgelenk angreifenden Aktuator,
Fig. 16 eine Seitenansicht eines ausgelenkten flexiblen Bereiches in
alternativer Ausführungsform mit einem weiteren Hebelelement und
einem daran angreifenden Aktuator,
Fig. 17 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes des
flexiblen Bereiches gemäß Fig. 16,
Fig. 18 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes einer
alternativen Ausführungsform eines flexiblen Bereiches mit
ausschließlich Drehgelenken, Aktuator und einem weiteren
Hebelelement entsprechend Fig. 16, und
Fig. 19 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes einer
alternativen Ausführungsform des flexiblen Bereiches mit weiteren
Hebelelementen.
In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Tragflügels 1 als Anströmprofil
mit Vorderteil 2 und Hinterkante 3 dargestellt. Der Tragflügel ist aus einer
Rippenstruktur 10, bestehend aus vier Längsrippen 11 gebildet. Die
profilgebende, in Längsrichtung des Tragflügels angeordnete
Längsrippenstruktur 11 wird in der Quererstreckung des Tragflügels von
entsprechenden Querrippen 6, 7 gestützt. Der Gesamtaufbau wird von
Hautfeldern 4, 5 überzogen. Das Hautfeld 4 ist dabei nicht gleitfähig,
wohingegen das Hautfeld 5 gleitfähig auf der Rippenstruktur angeordnet ist. Die
Gleitfähigkeit des Hautfeldes wird benötigt, um eine Beweglichkeit eines
flexiblen Bereiches 13 der jeweiligen Rippen 11 zu ermöglichen. Über einem
starren Bereich 12 der Rippen 11 ist das nicht gleitfähige Hautfeld 4
angeordnet. In diesem Bereich ist keine Beweglichkeit, also auch kein
entsprechender Ausgleich einer Relativbewegung von Hautfeld und
Rippenstruktur erforderlich.
Der Bereich des gleitfähigen Hautfeldes 5 kann auch größer vorgesehen
werden, insbesondere kann das gesamte, den Tragflügel ummantelnde
Hautfeld in vorbestimmter Weise gleitfähig sein, wobei jedoch darauf zu achten
ist, daß keine Ausbeulung des Hautfeldes des Tragflügels auftreten kann. Es
erweist sich daher als vorteilhaft, lediglich den Bereich des Hautfeldes des
Tragflügels gleitfähig zu gestalten, welcher bewegt werden soll. Besonderes
Anwendungsbeispiel sind hierbei Klappen, insbesondere Fowler-Klappen des
Tragprofils.
Der flexible Bereich 13 des Tragflügels bzw. von dessen Rippenstruktur weist
einzelne Rippenelemente auf. Dies ist besser Fig. 2 zu entnehmen, welche
eine Seitenansicht des Details des flexiblen Bereiches darstellt. Dieser Bereich
ist in der gezeigten Ausführungsform durch sechs Rippenelemente 20 bis 25
gebildet. Das Rippenelement 25 stellt dabei einen Teil der Hinterkante und das
Rippenelement 20 die Verbindung zum starren Bereich 12 der Rippe 11 dar. Die
einzelnen Rippenelemente sind über Gelenke miteinander verbunden. Diese
Gelenke können Schubgelenke 40 und/oder Drehgelenke 30 sein.
Das Rippenelement 20 weist eine Öffnung 26 auf. Innerhalb dieser Öffnung 26,
welche als ovales Langloch gebildet ist, ist ein Aktuator 50 vorgesehen. Der
Aktuator 50 ist einerseits fest mit dem Rippenelement 20 verbunden.
Andererseits greift er beweglich an dem Rippenelement 21 an.
Zur Verdeutlichung des Funktionsprinzipes der Verwölbung des flexiblen
Bereiches 13 einer jeden Rippe 11 ist in Fig. 3 eine Prinzipskizze dargestellt.
Der Aktuator 50 stützt sich auf den im starren Bereich 12 der Rippe fest
eingespannten ersten Rippenelement 20 ab. Vorzugsweise stellt dies die
Fortsetzung des starren Bereichs der Rippe dar. Der Aktuator 50 greift über ein
Angriffsgelenk 51 an dem Rippenelement 21 an. Über dieses Angriffsgelenk 51
leitet er somit eine Kraft in das Rippenelement 21 ein.
Das Rippenelement 21 ist über das Drehgelenk 30 mit dem ersten
Rippenelement 20 verbunden. Rippenelement 21 und Rippenelement 22 sind
über ein Drehgelenk 31 miteinander verbunden. Mit dem Rippenelement 22 ist
das Rippenelement 20 über das Schubgelenk 40 verbunden.
Das dritte Rippenelement 22 und das vierte Rippenelement 23 sind über ein
weiteres Drehgelenk 32 miteinander verbunden. Mit diesem Rippenelement 23
ist das Rippenelement 21 über ein Schubgelenk 41 verbunden. Das vierte
Rippenelement 23 und das fünfte Rippenelement 24 sind wiederum über ein
Drehgelenk 33 miteinander verbunden. Rippenelement 24 und Rippenelement
22 sind über ein Schubgelenk 42 verbunden. Das fünfte Rippenelement 24 und
das sechste Rippenelement 25 sind durch ein weiteres Drehgelenk 34 und
Rippenelement 25 und Rippenelement 23 sind über ein weiteres Schubgelenk
43 miteinander verbunden. Durch Betätigen des Aktuators 50 wird das
Rippenelement 21 um das Gelenk 30 gedreht. Über das Drehgelenk 31 wird
dadurch auch das dritte Rippenelement 22 mitgeführt. Es stützt sich dabei über
das Schubgelenk 40 auf dem ersten Rippenelement 20 ab. Dadurch wird das
dritte Rippenelement 22 durch Rotation um das Drehgelenk 31 gegenüber dem
Rippenelement 21 geneigt. Diese Neigung führt auch bei dem Rippenelement
23 sowie den nachfolgenden Rippenelementen zu einer entsprechenden
Neigung aufgrund von deren Anbindung über Drehgelenke sowie
Schubgelenke. Dieses kinematische Prinzip wird somit von Rippenelement zu
Rippenelement beliebig weit fortgesetzt. Zur Sicherstellung des Prinzips sind
dabei lediglich zumindest drei Rippenelemente vorzusehen. Eine Maximalanzahl
von Rippenelementen ist hingegen nicht gegeben. Das kinematische Prinzip
läßt sich bei einer beliebigen Anzahl von Rippenelementen verwirklichen.
Die Neigungswinkel der einzelnen Rippenelemente zueinander kann individuell
variiert werden. Dies geschieht durch geeignete Wahl bzw. Variation der
Längenverhältnisse der Bereiche zwischen den jeweiligen Drehgelenken 30, 31;
31, 32; 32, 33; 33, 34 bzw. zwischen den Dreh- und Schubgelenken 30, 40; 40,
31; 31, 41 etc.
In Fig. 4 sind die drei möglichen Positionierungen eines jeweiligen flexiblen
Bereiches 13 der Rippen dargestellt. Position I stellt dabei eine Verwölbung des
flexiblen Bereiches 13 nach oben, Position II die Normalstellung und Position III
die Verwölbung des flexiblen Bereiches nach unten dar. Zur Verwölbung nach
oben wird der Aktuator 50 nach unten ausgefahren (siehe Pfeil in Position I),
wodurch das zweite Rippenelement 21 gegenüber dem ersten Rippenelement
20 geneigt wird. Zum Schaffen einer Verwölbung nach unten wird hingegen der
Aktuator (nach oben) eingefahren in Richtung des in Position III dargestellten
Pfeiles. Dadurch wird wiederum das Rippenelement 21 gegenüber dem
Rippenelement 20 geneigt, wodurch eine Abwärtsbewegung der hinteren Kante
des Tragflügels erzeugt wird.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rippenelementes 22. Das
Rippenelement 22 weist eine zentrale Öffnung 60 auf. Die zentrale Öffnung 60
wird beidseitig flankiert von weiteren Öffnungen 61 bis 64. Das Rippenelement
ist im wesentlichen flach und scheibenförmig.
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht sowie eine Schnittansicht durch das
Rippenelement 22. In der Seitenansicht ist die Anordnung der Öffnungen 60 bis
64 besser erkennbar. Die Öffnungen weisen unterschiedliche Durchmesser auf.
Innerhalb der größten Öffnung, nämlich der zentralen Öffnung 60, wird ein
Schub- oder Drehgelenk vorgesehen. Innerhalb dieser Öffnung kann dadurch
eine entsprechende Schubbewegung, begrenzt jeweils durch die Öffnungsweite
der Öffnung vollzogen werden. Wie aus der Schnittansicht gemäß Fig. 6
ersichtlich, ist die Öffnung in dem Bereich des Rippenelementes vorgesehen, in
dem eine Gabelung 70 angeordnet ist. Die beiden sich durch die Gabelung
ergebenden Gabelteile 71, 72 umgreifen beim Zusammenfügen der einzelnen
Rippenelemente ein dem flachen Gabelstiel 73 des Rippenelementes 22
entsprechendes Teilstück des nachfolgenden Rippenelementes. Dadurch lagern
dann die entsprechenden Öffnungen 60, 64 und 61 sowie 63 und 62
hintereinander.
Zum Schaffen einer sich zur Tragflügelhinterkante verjüngenden Struktur sind
die einzelnen Rippenelemente ebenfalls im mittleren Bereich 74 sich
entsprechend verjüngend geformt. Im jeweiligen Endbereich 75, 76 läuft das
Rippenelement ebenfalls schmal zu und weist am Ende eine jeweilige Rundung
77, 78 auf. Den Mittelpunkt dieser Rundungen 77, 78 bildet dabei jeweils die
Öffnung 61 bzw. 64.
In Fig. 7 ist eine alternative Ausführungsform des flexiblen Bereiches 13
dargestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform, welche als Prinzipskizze in
Fig. 3 dargestellt ist, sind bei dieser Ausführungsform die Schubgelenke 40 bis
43 ersetzt durch weitere Drehgelenke 80 bis 83. Um die erforderliche
Relativbewegung der Drehgelenke untereinander zuzulassen, sind die
einzelnen Rippenelemente elastisch dehn- und stauchbar.
Bei Einleiten einer Kraft in das Angriffsgelenk 51 zwischen Aktuator 50 und
Rippenelement 21 wird dieses wiederum um das Drehgelenk 30 geschwenkt.
Dadurch wird der Abstand zwischen Drehgelenk 30 und Drehgelenk 80 sowie
zwischen Drehgelenk 80 und Drehgelenk 31 vergrößert. Diese Bereiche der
Rippenelemente 20 und 22 werden dabei einer Zugbeanspruchung ausgesetzt.
Zugleich wird der Bereich zwischen den Drehgelenken 30 und 31 gestaucht,
wodurch das Element 21 dabei eine Druckbeanspruchung in diesem Bereich
erfährt. Durch geeignete Materialwahl für die Rippenelemente der
Rippenstruktur können diese Stauchungen und Dehnungen aufgenommen
werden. Vorteilhaft können dadurch die Schubgelenke eingespart und durch
entsprechend geformte Drehgelenke ersetzt werden.
Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines
erfindungsgemäß gestalteten flexiblen Bereiches 13. Bei dieser
Ausführungsform ist ein Hebelelement 90 zusätzlich zu den aus Fig. 2
hervorgehenden Bauteilen vorgesehen. Das Hebelelement 90 ist gelenkig
kraftaufnehmend mit dem Aktuator 50, nämlich im Angriffsgelenk 51, über das
Drehgelenk 30 mit dem Rippenelement 20 sowie über das Drehgelenk 33 mit
dem Rippenelement 23 gelenkig verbunden.
Das Funktionsprinzip dieser Ausführungsform geht besser aus der Prinzipskizze
gemäß Fig. 9 hervor. Durch Vorsehen des Hebelelementes 90 werden die
Belastungen in den Drehgelenken sowie die Strukturbelastungen reduziert und
zugleich die Antriebskraft, welche durch den Aktuator 50 ausgeübt werden muß,
verringert. Der Aktuator 50 leitet eine Kraft über das Angriffsgelenk 51 in das
Hebelelement 90 ein. Der Hebel 90 ist im Drehgelenk 30 gelagert und mit dem
Drehgelenk 33 über ein Schubgelenk 44 verbunden. Wird das Hebelelement 90
über den Aktuator 50 bewegt, also um das Drehgelenk 30 geschwenkt, werden
auch die Rippenelemente 24 und 23 sowie dadurch die Rippenelemente 25, 22
und 21 bewegt. Die Betätigung erfolgt hier entsprechend der zu Fig. 3
geschilderten.
Zur Optimierung des Vorganges kann der entsprechende Angriffspunkt für das
Hebelelement 90 ebenfalls variiert werden. Um das Hebelelement jedoch
überhaupt verwenden zu können, sind zumindest vier Rippenelemente
vorzusehen. Eine Begrenzung in Richtung zu der Maximalanzahl von
Rippenelementen besteht jedoch nicht.
In Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen flexiblen
Bereiches bereits als Prinzipskizze dargestellt. Im Unterschied zu der
Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist das Hebelelement 90 dabei mit dem
Drehgelenk 32 über das Schubgelenk 44 verbunden. Das Hebelelement 90 ist
dabei also im Bereich des Rippenelementes 23 an den flexiblen Bereich
angegliedert.
Eine weitere alternative Ausführungsform zeigt Fig. 11. Im Unterschied zu den
Fig. 9 und 10 ist dabei das Hebelelement 90 über das Schubgelenk 44 mit
dem Drehgelenk 34 verbunden. Dabei findet also eine Anbindung an den
flexiblen Bereich über das Rippenelement 25 statt.
In Fig. 12 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß
gestalteten flexiblen Bereiches 13 dargestellt. Hierbei ist das Hebelelement 90,
wie bereits in den vorherigen Figuren dargestellt, vorgesehen. Anstelle der
Schubgelenke gemäß der Fig. 8 bis 11 sind in Fig. 12 jedoch weitere
Drehgelenke und elastisch dehn- und stauchbare Rippenelemente vorgesehen.
Diese Ausführungsform ist hinsichtlich der Rippenelemente daher der
Ausführungsform gemäß Fig. 7 ähnlich.
Wird der Aktuator 50 betätigt, geschieht eine Auslenkung des Hebelelementes
90 um das Drehgelenk 30. Dadurch wird eine Kraft in das Drehgelenk 33
eingeleitet. Dadurch wird der Abstand zwischen den beiden Drehgelenken 30
und 33 verkürzt und das Hebelelement 90 erfährt eine Stauchung.
Die übrigen Rippenelemente werden, wie bereits durch die Pfeile skizziert sowie
zu Fig. 7 beschrieben, ebenfalls gedehnt bzw. gestaucht und erfahren daher
Zug- bzw. Druckbelastungen. Diese werden jedoch durch die elastisch geformte
Struktur der Rippenelemente aufgenommen.
Die Lage des Angriffspunktes des Hebelelementes 90 kann ebenso verändert
werden, wie bereits in den Fig. 10 und 11 dargestellt. In diesen Figuren
entfielen dann lediglich die Schubgelenke und würden durch die
entsprechenden Drehgelenke 80 ff. ersetzt.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß
gestalteten flexiblen Bereiches 13, bei dem der Aktuator am Gelenkbolzen 33
angreift.
In Fig. 14 ist dabei das Funktionsprinzip anhand einer Prinzipskizze der
Ausführungsform gemäß Fig. 13 verdeutlicht. Von dem Aktuator 50, welcher
innerhalb der Tragflügelstruktur starr angegliedert ist, wird eine Kraft in das
Drehgelenk 33 eingeleitet, nämlich in einen dort als Drehgelenk vorgesehenen
Bolzen. Dadurch geschieht eine Auslenkung des Rippenelementes 23. Ebenso
wird das Rippenelement 24 bewegt. Aufgrund der kinematischen Verbindung in
der Kette werden dadurch auch die übrigen Rippenelemente nacheinander mit
bewegt.
Mit dieser Anordnungsform als Ausführungsbeispiel bietet sich die Möglichkeit,
den Aktuator an jedem Bolzen innerhalb der kinematischen Kette angreifen zu
lassen. Dadurch kann an beliebiger Stelle die Kraft in den flexiblen Bereich der
Rippenstruktur eingeleitet werden.
Anstelle der in Fig. 14 dargestellten Schubgelenke 40 bis 43 können auch
entsprechend geformte Drehgelenke 80 bis 83 vorgesehen werden, wie dies
aus Fig. 15 hervorgeht. Die jeweiligen Rippenelemente sind dabei wiederum
elastisch dehn- und stauchbar geformt. Die sich bei der Auslenkung des
Aktuators ergebenden Dehnungen und Stauchungen sind in Fig. 15 durch
entsprechende Pfeile dargestellt sowie der Beschreibung zu Fig. 7
entsprechend modifiziert zu entnehmen.
In Fig. 16 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß
gestalteten elastischen Bereiches 13 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist
ein Hebelelement 91 vorgesehen. In dieses Hebelelement 91 wird von dem im
Tragflügel festgelegten Aktuator 50 eine Kraft eingeleitet. Vorzugsweise
geschieht dies über einen Gelenkbolzen, hier den des Gelenkes 33. Abhängig
von der Länge des gewählten Hebelelementes 91 und der Anordnungsposition
des Aktuators 50 kann diese Ausführungsform beliebig variiert werden. Von
dem Aktuator kann jeder beliebige Bolzen eines Drehgelenkes zwischen den
einzelnen Rippenelementen angesteuert werden. Der übrige Aufbau dieser
Ausführungsform kann ebenfalls beliebig sein, insbesondere dem Aufbau einer
der im vorstehenden beschriebenen Figuren entsprechen.
Fig. 17 zeigt das Funktionsprinzip der Anordnung gemäß Fig. 16. Durch
Auslenken des Aktuators 50 wird das Hebelelement 91 ebenfalls bewegt.
Ebenso werden damit die mit diesem zusammenhängenden Rippenelemente
nacheinander nach dem kinematischen Prinzip bewegt. Die Bewegung eines
Elementes zieht dabei jeweils die Bewegung auch des nachfolgenden
Elementes nach sich. Dadurch wird eine kontinuierliche Verwölbung des
Tragflügels geschaffen.
In Fig. 18 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß
gestalteten flexiblen Bereiches 13 als Prinzipskizze dargestellt. Im Unterschied
zu den beiden Darstellungen gemäß Fig. 16 und Fig. 17 ist bei dieser
Ausführungsform wiederum ein Austausch der Schubgelenke 40 bis 43 gegen
Drehgelenke 80 bis 83 vorgenommen worden. Entsprechende Zug- und
Druckbelastungen werden wiederum, wie bereits in den Fig. 15, 12, 7
dargestellt und erläutert, durch die dehn- und stauchbare Elastizität der
Rippenelemente aufgenommen. Durch den Aktuator 50 wird dabei eine Kraft
zunächst in das Hebelelement 91 eingeleitet. Dadurch geschieht ein Schwenken
des Hebelelementes im Bereich des Gelenkes 30. Dadurch wiederum wird der
Bereich zwischen dem Drehgelenk 30 und dem Drehgelenk 33 gestaucht.
Aufgrund des kinematischen Prinzips werden Stauchungen und Dehnungen
auch in den übrigen Rippenelementen erzeugt. Dies ist jeweils in Fig. 18 durch
die Doppelpfeile angedeutet. Der Aktuator 50 ist im Tragflügel an beliebiger
Stelle festgelegt. Es können alternativ oder zusätzlich auch im Bereich von
mehreren oder allen Gelenken Aktuatoren vorgesehen sein.
Für die für die entsprechenden Ausführungsformen gemäß Fig. 18 bzw. der
vorstehenden Figuren vorzusehende Anzahl von Rippenelementen wird auf die
übrigen Figuren mit Hebelelement und ohne Hebelelement verwiesen. Bei
Vorsehen eines Hebelelementes sind zumindest vier Rippenelemente
vorzusehen, bei Ausführungsformen ohne Hebelelement sind es lediglich drei
Rippenelemente. Die Maximalanzahl der Rippenelemente ist nicht begrenzt, wie
dies bereits weiter vom beschrieben wurde. Ebenfalls ist die Anzahl der
Aktuatoren nicht begrenzt.
Anstelle der in den vorherigen Figuren dargestellten Linearaktuatoren 50
können ebenfalls Drehaktuatoren eingesetzt werden. Dadurch würde dann ein
Moment in die jeweiligen Bolzen der Drehgelenke eingeleitet werden. An dem
Funktionsprinzip der kinematischen Kette ändert sich dadurch jedoch nichts,
weswegen von einer detaillierten Ausführung, insbesondere in Form von
weiteren Figuren, an dieser Stelle Abstand genommen wird.
Anstelle des Einleitens der Kraft von dem Aktuator in einen Bolzen eines
Gelenkes besteht ebenso die Möglichkeit, diese Kraft direkt in irgendein
Rippenelement einzuleiten. Die Position der Krafteinleitung kann dabei frei
gewählt werden. Es ergibt sich dadurch theoretisch eine unendliche Anzahl von
Anordnungsmöglichkeiten für die Krafteinleitung durch einen Aktuator. Auf
entsprechende graphische Darstellungen wird an dieser Stelle daher verzichtet.
Das Funktionsprinzip entspricht dabei im wesentlichen dem in den vorherigen
Figuren geschilderten.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, an den beiden seitlichen äußeren Enden
der Tragflügelstruktur jeweils einen Aktuator vorzusehen und die flexiblen
Bereiche der einzelnen Rippen miteinander durch ein stangenförmiges Mittel zu
verbinden. Die Verbindung geschieht vorzugsweise in jeweils einen Drehgelenk
so, daß alle ersten oder n-ten Rippenelemente der Rippen zugleich parallel
angesteuert werden.
Eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäß gestalteten
flexiblen Bereiches 13 ist Fig. 19, welche eine Prinzipskizze darstellt, zu
entnehmen. Bei dieser Ausführungsform sind weitere Hebelelemente 100 bis
103 vorgesehen. Der Aktuator 50 stützt sich auf dem ersten Rippenelement 20
ab. Das erste Rippenelement 20 ist weiterhin fest mit dem starren Bereich 12
der Rippe 11 verbunden.
Über das Angriffsgelenk 51 wird das zweite Rippenelement 21 von dem
Aktuator 50 angetrieben. Das zweite Rippenelement 21 ist über das Drehgelenk
30 mit dem ersten Rippenelement 20 verbunden. An dem zweiten
Rippenelement 21 ist das dritte Rippenelement 22 mittels des Drehgelenkes 31
angekoppelt.
Bindeglied zwischen den ersten drei Rippenelementen ist das Hebelelement
100. Dieses ist drehbar mit dem ersten Rippenelement 20 im Gelenk 35, über
ein Schubgelenk 45 mit dem zweiten Rippenelement 21 sowie über ein weiteres
Schubgelenk 110 mit dem dritten Rippenelement 22 verbunden.
Die Verbindung der jeweils nachfolgenden Rippenelemente mit dem zweiten
und dritten Rippenelement ist entsprechend vorgesehen. Das dritte
Rippenelement 22 ist dabei mit dem zweiten Rippenelement 21 über das
Drehgelenk 31, das vierte Rippenelement 23 mit dem dritten Rippenelement 22
über das Drehgelenk 32, das fünfte Rippenelement 24 mit dem vierten
Rippenelement 23 über das Drehgelenk 33 und das sechste Rippenelement 25
mit dem fünften Rippenelement 24 über das Drehgelenk 34 verbunden. Die
Angliederung der jeweiligen Hebelelemente 101, 102 und 103 an die jeweiligen
Rippenelemente geschieht über Drehgelenke 36, 37, 38 sowie Schubgelenke
46, 47, 48 und 111, 112 und 113.
Wird der Aktuator 50 betätigt, neigt sich das zweite Rippenelement 21 durch
eine Rotation um das Drehgelenk 30. Dadurch wird das Hebelelement 100 über
das Schubgelenk 45 durch eine Rotation um das Drehgelenk 35 geneigt. Über
das Schubgelenk 110 wird aufgrund der Neigung des Hebelelementes 100 das
dritte Rippenelement 22 um das Drehgelenk 31 rotiert. Dadurch wird eine
Neigung des dritten Rippenelementes 22 gegenüber dem zweiten
Rippenelement 21 hervorgerufen.
Aufgrund der Ausbildung einer kinematischen Kette werden die nachfolgenden
Rippenelemente entsprechend ausgelenkt, wodurch die gewünschte
Verwölbung der Tragflügelhinterkante erzeugt wird.
Die in Fig. 19 dargestellte Ausführungsform kann für einen flexiblen Bereich,
der zumindest drei Rippenelemente aufweist, verwendet werden. Die
Maximalanzahl von Rippenelementen ist nicht begrenzt, es können also beliebig
viele Rippenelemente hintereinander geschaltet sein.
Die Neigungen der einzelnen Rippenelemente zueinander können individuell
dadurch variiert werden, daß die jeweiligen Längenverhältnisse der
Hebelelemente 100, 101, 102 und 103 sowie der Rippenelemente 20 bis 25
variiert werden.
Das in Fig. 19 dargestellte Prinzip des zusätzlichen Vorsehens von
Hebelelementen kann auch mit den in den vorigen Figuren dargestellten
Ausführungsformen kombiniert werden. Insbesondere kann anstelle der
Schubgelenke in der Ausführungsform gemäß Fig. 19 dort auch die Elastizität
der Struktur genutzt und die Schubgelenke durch Drehgelenke ersetzt werden.
Eine solche Modifizierung wurde beispielsweise in Fig. 7 beschrieben. Auch
die Positionierung des Aktuators 50 kann variiert werden, wie bereits zu den
Fig. 13 bis 18 beschrieben. Der Aktuator kann demnach sowohl an einem
Gelenkbolzen also auch an den Rippenelementen selbst angreifen.
Bezugszeichenliste
1
Anströmprofil
2
Vorderteil
3
Hinterkante
4
Hautfeld, nicht gleitfähig
5
Hautfeld, gleitfähig
6
Querrippe
7
Querrippe
10
Rippenstruktur
11
Längsrippe
12
starre Bereich
13
flexibler Bereich
20
Rippenelement
21
Rippenelement
22
Rippenelement
23
Rippenelement
24
Rippenelement
25
Rippenelement
26
Öffnung
30
Drehgelenk
31
Drehgelenk
32
Drehgelenk
33
Drehgelenk
34
Drehgelenk
35
Drehgelenk
36
Drehgelenk
37
Drehgelenk
38
Drehgelenk
40
Schubgelenk
41
Schubgelenk
42
Schubgelenk
43
Schubgelenk
44
Schubgelenk
45
Schubgelenk
46
Schubgelenk
47
Schubgelenk
48
Schubgelenk
50
Aktuator
51
Angriffsgelenk
60
zentrale Öffnung
61
Öffnung
62
Öffnung
63
Öffnung
64
Öffnung
70
Gabelung
71
Gabelteil
72
Gabelteil
73
Gabelstiel
74
mittlerer Bereich
75
Endbereich
76
Endbereich
77
Rundung
78
Rundung
80
Drehgelenk
81
Drehgelenk
82
Drehgelenk
83
Drehgelenk
90
Hebelelement
91
Hebelelement
100
Hebelelement
101
Hebelelement
102
Hebelelement
103
Hebelelement
110
Schubgelenk
111
Schubgelenk
112
Schubgelenk
113
Schubgelenk