DE19825224C2 - Strömungskörper mit einstellbarer Profilwölbung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungskörper mit einstellbarer Profilwölbung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 sowie dessen Verwendung gemäß Patentanspruch 16.

Strömungskörper oder Körper zur Beeinflussung strömender Medien finden Anwendung in einer Vielzahl sehr unterschied­ licher technischer Gebiete. Ein wesentlicher Aspekt bei der Verwendung derartiger Strömungskörper ist in all diesen technischen Gebieten das generelle Prinzip, nach welchem der Strömungskörper und das strömende Medium sich relativ zueinander bewegen und der Strömungskörper dabei von dem Medium zumindest teilweise umströmt wird. Durch die Wech­ selwirkung zwischen strömendem Medium und der Oberfläche des Strömungskörpers wird die Strömung des Mediums z. B. da­ durch beeinflußt, daß die Strömungsrichtung zumindest ab­ schnittsweise in der Strömung verändert wird. Dadurch wer­ den aber auch die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten sowohl der Richtung nach wie auch dem Betrag nach verändert. Durch diese Veränderung resultiert nach den Gesetzen der Fluiddynamik eine Kraft zwischen dem Strömungskörper und dem strömenden Medium.

Die auf den Strömungskörper wirkende Kraft wird in den technischen Anwendungsgebieten als lokale oder auch resul­ tierende Auftriebs-, Abtriebs- und/oder auch Quertriebs­ kraft nutzbar gemacht.

Als typische Anwendungsgebiete, in denen Strömungskörper zur Beeinflussung strömender Medien eingesetzt werden, sei der Bereich der Luftfahrzeug- und/oder Wasserfahrzeugtech­ nik genannt.

Dabei werden die entsprechenden Strömungskörper nicht nur im Bereich der Tragflächen oder des Tragwerks bzw. des Steuer- oder Leitwerks eingesetzt, sondern die Strömungs­ körper finden auch Anwendung im Bereich der Antriebsmittel für derartige Fahrzeuge, z. B. bei Rotorblättern, Turbinen, Turbinenschaufeln, bei Propellern oder dergleichen.

Gemein ist all diesen technischen Gebieten, daß die Strömungskörper durch eine freie oder eine erzwungene Be­ wegung in einem Medium, sei es ein Gas oder eine Flüssig­ keit, von dem Medium umströmt werden.

Der Betrieb und der Einsatz der Strömungskörper läßt sich in der Regel in verschiedene Phasen oder zeitliche Ab­ schnitte unterteilen, im einfachsten Fall nämlich in eine Anfangsphase, eine stationäre Betriebsphase und in eine Endphase. Beim Flugbetrieb wären z. B. die Startphase, der eigentliche Flug und die Landephase zu nennen.

Gemäß den unterschiedlichen zeitlichen Abschnitten oder Phasen ist es wünschenswert, dem Strömungskörper, z. B. einer Tragfläche eines Flugzeugs, für die jeweilige Phase optima­ le Betriebseigenschaften zuzuschreiben.

Bekannt ist zudem, daß die geometrischen Eigenschaften, insbesondere die Form, die Gewichtsverteilung und die Ober­ flächeneigenschaften, welche maßgeblich die Grenzschicht zwischen Strömungskörper und umströmendem Medium beein­ flussen, das Verhalten des Strömungskörpers im strömendem Medium definieren.

Zur Anpassung und Optimierung des Strömungsverhaltens des Strömungskörpers im Medium werden bereits Strömungskörper eingesetzt, welche in ihrer geometrischen Anordnung und damit in ihrem Strömungsprofil an die entsprechende Be­ triebsphase und Situation im strömenden Medium angepaßt werden können.

So sind z. B. bei Flugzeugen während der Start- und während der Landephase den Auftrieb von Tragflächen und den Strö­ mungswiderstand des Flugzeugs allgemein beeinflussende Start-/Landeklappen vorgesehen. Diese werden bei Düsenjets als zusätzliches Tragflächenelement in den Strömungsweg der die Tragfläche umströmenden Luft eingebracht, wodurch der Auftrieb und der Strömungswiderstand des Flugkörpers ver­ ändert werden, um ein Starten oder ein Landen des Flug­ körpers mit jeweils gegenüber der normalen Reisegeschwin­ digkeit verminderten Geschwindigkeit zu ermöglichen.

Andererseits sind auch vielfältige Maßnahmen bekannt, mit denen die Wölbung von Tragflächen bei Flugzeugen oder anderen Fahrzeugen an eine bestimmte Strömungssituation an­ gepaßt werden können, um z. B. die Flug- oder allgemeine Bewegungsstabilität des Fahrzeugs zu gewährleisten.

All diese bekannten Maßnahmen sind aufwendig in ihren Ein­ richtungen, im Betrieb und in ihrer Handhabung, weil sie eine Vielzahl, oft auch mehrteilige mechanische Elemente, wie z. B. ausfahrbare Landeklappen, beinhalten, welche den Betrieb derartiger Einrichtungen unnötig verteuern und gegenüber Störungen anfällig machen.

Demgegenüber ist in dem US-Patent US-PS 5,150,864 eine Steuerung für eine Tragfläche mit variablem Auftrieb vor­ geschlagen worden.

Bei dieser bekannten Tragfläche wird ein Strömungskörper zur Beeinflussung strömender Medien geschaffen, welcher eine Außenstruktur mit einer Außenhaut aufweist. Der Strö­ mungskörper an sich ist im wesentlichen hohl ausgebildet und besitzt aufgrund der Außenstruktur mit Außenhaut eine bestimmte geometrische Anordnung, an welcher das zu beein­ flussende Medium entlang- und vorbeiströmt. Im Inneren der Tragfläche ist eine Innenstruktur vorgesehen, welche von der Außenstruktur und den Außenhäuten zumindest in einer ersten Richtung querschnittsmäßig im wesentlichen umschlos­ sen wird.

Die Innenstruktur ist dabei an die Außenstruktur der Trag­ fläche derart ankoppelbar, daß die geometrische Anordnung der Außenstruktur der Tragfläche dadurch variabel und steuerbar wird, daß von der Innenstruktur Kräfte auf die Außenstruktur der Tragfläche ausübbar sind. Ferner ist da­ bei eine Einrichtung zum Übertragen von Kräften auf die Außenstruktur vorgesehen, wobei die Kräfte bewirken, daß zumindest ein erster Außenhautabschnitt und ein zweiter Außenhautabschnitt der Außenhaut der Tragfläche durch die übertragenen Kräfte relativ zueinander bewegbar sind.

Es wird dadurch erreicht, daß mit einer im wesentlichen ge­ schlossenen Außenstruktur das fluiddynamische Profil des Strömungskörpers, also der Tragfläche, dadurch beeinflußbar wird, daß in dem angesprochenen Fall, ein Bereich dar Trag­ fläche unter dem Einfluß der wirkenden Kräfte gegenüber dem Rest der Tragfläche eine andere strömungswirksame Neigung erhält, mithin also lokal abknickt.

Wünschenswert bei einem derartigen Strömungskörper ist aber zur möglichst variablen Beeinflussung des strömenden Mediums eine über das reine Abknicken einer Tragfläche hinausgehende Modellieren des Strömungsprofils über dessen gesamten Verlauf. Dies ist mit diesem bekannten Steuerungs­ mechanismus für den Auftrieb einer Tragfläche nicht mög­ lich.

Ein Strömungskörper, welcher eine über ein bloßes Abknic­ ken hinausgehende Änderung des Strömungsprofils ermöglicht, ist in der DE 196 43 222 A1 offenbart.

Der dort beschriebene Auftriebskörper mit veränderlicher Wölbung weist eine elastisch verformbare Struktur auf, wel­ che im Inneren durch eine Vielzahl von senkrecht zur Haupt­ strömungsrichtung angeordneten elastischen Stegen gestützt wird.

Im Inneren des Auftriebskörpers sind mehrere Verstellein­ richtungen vorgesehen, mittels welcher die Wölbung des Auf­ triebskörpers variabel eingestellt werden kann. Die Ver­ stelleinrichtungen können dabei in der Form von "Hörnern" ausgebildet sein, welche drehbar gelagert und durch Bewe­ gung eines Linearaktors bewegt werden können.

Die Verformung des Profils erfolgt durch Krafteinwirkung der Verstelleinrichtungen, beispielsweise der "Hörner", im wesentlichen normal, d. h. senkrecht zu der zu verformen­ den Außenhaut.

Die in der DE 196 43 222 A1 beschriebenen Verstelleinrich­ tungen sind vergleichsweise aufwendig konstruiert. Weiter­ hin sind mittels der beschriebenen "Hörner" nur Strömungs­ profile entsprechend der Kontur dieser "Hörner" einstell­ bar.

Ein weiterer Strömungskörper, der eine über ein bloßes Abknicken hinausgehende Veränderung des Strömungsprofils gestattet, ist in "NAVY TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN", Vo­ lume 10, Nr. 4, June 19, 1985 veröffentlicht.

Es ist dort eine Tragflächenstruktur beschrieben, welche aus verschiedenen kammerartigen Segmenten aufgebaut ist. Dabei sind in einigen der Kammern Aktuatoren angeordnet, mittels welcher das Querschnittsprofil dieser kammerar­ igen Segmente veränderbar ist.

Insgesamt ist dadurch das Wölbungsprofil der Tragflächen­ struktur veränderbar. Es wird also die Änderung der Wöl­ bung im wesentlichen durch die Änderung des Querschnitts­ profils einiger kammerartiger Segmente bewirkt, in denen Aktuatoren vorgesehen sind.

Demgemäß wird bei solchen Tragflächenstrukturen eine ver­ gleichsweise große Anzahl von Aktuatoren benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungskörper zur Beeinflussung strömender Medien zu schaffen, bei welchem das umströmte Profil auf besonders einfache und flexible Art und Weise anpaßbar ist.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Strömungskörper zur Beeinflussung strömender Medien durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Strö­ mungskörpers sind Gegenstand der Unteransprüche. Auf die erfindungsgemäße Verwendung des Strömungskörpers ist der Verwendungsanspruch 16 gerichtet.

Ein Strömungskörper mit einstellbarer Profilwölbung weist erfindungsgemäß folgende Merkmale auf:

• a) eine Außenhautstruktur mit oberem und unterem Außen­ hautabschnitt, wobei die Außenhautstruktur mindestens eine Außenhautlücke aufweist, welche quer zur Haupt­ strömungsrichtung auf einer Ober- oder Unterseite der Außenhautstruktur verläuft,
• b) dünne Stege zur Innenaussteifung, welche an den oberen und den unteren Außenhautabschnitt angekoppelt sind,
• c) eine Kraftübertragungseinrichtung, mittels welcher durch Kraftübertragung auf zumindest einen der Außenhautab­ schnitte eine relative laterale Verschiebung des oberen Außenhautabschnitts gegen den unteren Außenhautabschnitt durchführbar ist und die Profilwölbung der Außenhaut­ struktur variabel einstellbar ist.
• d) Der erfindungsgemäße Strömungskörper ist darüber hinaus dadurch gekennzeichnet,
• e) daß die Außenhautlücke eine Ausnehmung aufweist,
• f) daß die Kraftübertragungseinrichtung in der Ausnehmung als Aktuator angeordnet ist, mittels welchem zur relati­ ven lateralen Verschiebung des oberen Außenhautab­ schnitts gegen den unteren Außenhautabschnitt im wesent­ lichen laterale Kräfte auf zumindest einen der Außen­ hautabschnitte übertragbar sind,
• g) daß die dünnen Stege zur Übertragung von lokalen Biege­ momenten auf die Außenhautstruktur fest an den oberen und den unteren Außenhautabschnitt angekoppelt sind und mittels des Aktuators auf Biegung belastbar sind und
• h) daß die Profilwölbung vom lokalen Verhältnis der Biege­ steifigkeit der Außenhautstruktur zur Biegesteifigkeit eines Steges abhängig ist.

Eine Grundidee der Erfindung besteht also darin, daß in ei­ nem Strömungskörper mit einer Kraftübertragungseinrichtung und einer Außenhautstruktur, welche mehrere Außenhautab­ schnitte aufweist, zur Innenaussteifung dünne Stege, welche geeignet sind, lokale Biegemomente auf die Außenhautstruk­ tur zu übertragen, zwischen die Außenhautabschnitte fest eingebaut werden.

Die dünnen Stege, welche auch als Innenstruktur bezeichnet werden können, besitzen über ihre gesamte Ausdehnung hin­ weg einen vorgegebenen Verlauf für die lokale Biegefestig­ keit, die Elastizität und für weitere mechanische Parame­ ter.

Diese mechanischen Parameter der dünnen Stege sind insge­ samt so gewählt, daß die Innenstruktur geeignet ist, lokal ein definiertes Biegemoment auf die Außenhautstruktur zu übertragen, wobei das lokale Biegemoment auf der vorgegebe­ nen und gewünschten Biegelinie der Außenhautstruktur, wel­ che im folgenden auch als Außenstruktur bezeichnet wird, basiert.

Im Betrieb erfolgt dann das Steuern und/oder Regeln gerade über die Wechselwirkung zwischen der Innenstruktur und der ankoppelbaren oder angekoppelten Außenstruktur, wenn Außen­ hautabschnitte der Außenstruktur relativ zueinander bewegt werden.

Ursächlich für die lokal definierte Übertragung eines Bie­ gemoments auf die Außenstruktur und damit die lokal defi­ nierte Verbiegung oder Verformung der Außenstruktur und damit des Strömungskörpers insgesamt ist die - in der Regel mittels der Einrichtung zum Übertragen von Kräften erzwun­ gene - Relativbewegung von Außenhautabschnitten der Außen­ struktur gegeneinander. Aufgrund der Ankopplung zwischen Außenstruktur und Innenstruktur führen die Relativbewegung­ en der Außenhautabschnitte zu Änderungen der Kräfte und Drücke im Bereich der Innenstruktur und somit in der Regel auch zu Verbiegungen der Innenstruktur. Aufgrund der im Be­ reich der Innenstruktur definierten lokalen Biegesteifig­ keit, Elastizität und dergleichen erfolgt eine Rückwirkung auf die Außenstruktur und damit zu einer definierten Über­ tragung lokaler Biegemomente auf die Außenstruktur und ins­ besondere zwischen den Außenhautabschnitten.

Durch entsprechende Wahl der Verteilung der mechanischen Parameter der verschiedenen dünnen Stege ist dann über das Maß der Relativbewegung der Außenhautabschnitte das auf die Außenstruktur übertragene lokale Biegemoment steuerbar und/oder regelbar.

Eine Regelbarkeit des übertragenen lokalen Biegemoments er­ gibt sich insbesondere auch dann, wenn die Biegesteifigkeit der verschiedenen dünnen Stege lokal variierbar ist. Da­ durch wäre dann die Krümmungslinie des Strömungskörpers be­ einflußbar.

Besonders einfach und mechanisch stabil gestaltet sich der Strömungskörper, wenn die Außenstruktur des Strömungskör­ pers im wesentlichen geschlossen, z. B. in Form einer ge­ schlossenen Hülle, ausgebildet ist. Insbesondere kann es in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungskörpers vorgesehen sein, daß die Außenstruktur zu­ mindest in einer ersten Richtung zumindest querschnitts­ mäßig im wesentlichen geschlossen ausgebildet ist. Gedacht ist hier z. B. an eine Tragfläche oder an einen Tragflügel für ein Flugzeug, der an einem entsprechenden Flugzeugrumpf angebracht ist. Die Richtung in welcher der Strömungskörper, also hier die Tragfläche, im wesentlichen querschnittsmäßig geschlossen ausgebildet ist, ist hier die Hauptströmungsrichtung um das Tragflächenprofil, also der Tragflächenquerschnitt parallel zur Flugzeuglängsachse.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Änderung des Strö­ mungsprofils des Strömungskörpers allein durch entsprechen­ de Verformungen der Außenstruktur erfolgen kann. Zusätz­ liche Elemente oder mechanische Bestandteile, wie Klappen, Winglets und dergleichen, sind also nicht unbedingt erfor­ derlich oder entbehrlich, so daß die im wesentlichen ge­ schlossene Außenstruktur den Aufbau des Strömungskörpers vereinfacht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Strömungskörpers sind die Außenhautabschnitte im wesentlichen parallel und/oder beabstandet angeordnet.

Hier kann es z. B. vorgesehen sein, daß beim Beispiel der Tragfläche oder des Tragflügels eines Flugzeugs sich die Außenhautabschnitte gegenüberliegend auf der Oberseite bzw. der Unterseite der Tragfläche befinden und durch Einwir­ kung der Einrichtung zum Übertragen von Kräften relativ zueinander bewegt werden.

Vorteilhafterweise sind an der Außenstruktur des Strömungs­ körpers ein vorderer Kantenbereich und/oder ein hinterer Kantenbereich vorgesehen, wobei die Kantenbereiche im Hin­ blick auf die Hauptströmungsrichtung des Mediums ausgebil­ det sind.

Bei einer typischen Flugzeugtragfläche handelt es sich beim vorderen und/oder beim hinteren Kantenbereich insbesondere um die Anströmkante bzw. die Abrißkante der Tragfläche, welche entsprechend der Art und Weise ausgebildet sind, um ein geeignetes Umströmen des Mediums um das Profil des Strömungskörpers zu gewährleisten.

Der vordere Kantenbereich und/oder der hintere Kantenbe­ reich sind gegenüber Zug-, Druck- und/oder Scherkräften im wesentlichen starr ausgebildet. Um dies zu erreichen, sind vorteilhafterweise, z. B. entsprechende vordere und hintere Kantenaussteifungen im vorderen bzw. hinteren Kantenbereich vorgesehen.

Aufgrund dieser starren Ausführungsform der Kantenbereiche kann den Belastungen beim An- und Abströmen des Mediums am Strömungskörper standgehalten werden, wobei dann sämtliche Deformationen und Profiländerungen zur Anpassung des Strö­ mungsprofils des Strömungskörpers an die Strömung des Mediums in einem zwischen den Kantenbereichen liegenden Zwischenbereich erfolgen.

Demgemäß sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strömungskörpers die Außenhautabschnitte zwischen dem vorderen Kantenbereich und dem hinteren Kan­ tenbereich angeordnet, so daß die Deformation des Strö­ mungsprofils auf der Grundlage der in die Außenstruktur eingeführten Kräfte ausschließlich zwischen den beiden Kan­ tenbereichen erfolgt.

Um einem stark lokalisierten Verbiegen oder Abknicken der Außenhautstruktur an einer Stelle bei Einwirkung der Kräfte und mithin Relativbewegung der Außenhautabschnitte entge­ genzuwirken und um demgemäß ein im Bereich der Außenhaut­ struktur verteiltes und kontinuierliches Einleiten der lo­ kal definierten Biegemomente zu ermöglichen, weist die Außenhautstruktur im Bereich ihrer Innenseite zumindest teilweise eine Außenhautversteifung auf, um der Außenstruk­ tur eine vorgegebene lokale Steifigkeit zu verleihen.

Insbesondere ist die Außenhautversteifung im Bereich der Außenhautabschnitte, welche durch Einwirkung der lateralen Kräfte relativ zueinander bewegt werden sollen, ausgebil­ det.

Um die Innenstruktur an die Außenstruktur in geeigneter Art und Weise mechanisch ankoppeln zu können, ist es vorgese­ hen, daß die Außenstruktur im Bereich ihrer Innenseite eine Innenhaut aufweist, wobei insbesondere die Innenhaut auf der Innenseite der Außenhautversteifung ausgebildet ist. Dabei können z. B. vorteilhafterweise die dünnen Stege me­ chanisch an der Innenhaut der Außenstruktur mittels ent­ sprechender Maßnahmen - z. B. Kleben, Schweißen, Löten, Nieten oder dergleichen - befestigt werden, so daß ein Kraft- und/ oder Momentenübertrag zwischen den dünnen Ste­ gen und der Außenstruktur gewährleistet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Strömungskörper ist es vorgese­ hen, daß die Außenstruktur zumindest eine Außenhautlücke aufweist. Diese Außenhautlücke, Lücke oder Unterbrechung im Bereich der Außenstruktur erstreckt sich in einer Quer­ richtung des Strömungskörpers.

Aufgrund dieser Lücke oder der Öffnung im Bereich der an­ sonsten geschlossenen Außenhautstruktur ist eine stärkere relative Verschiebung oder Bewegung der Außenhautabschnitte gegeneinander möglich. Eine vollständig geschlossene Außen­ hautstruktur widersetzt sich nämlich aufgrund ihrer eigenen Steifigkeit lateralen und auch transversalen Verschiebungen im allgemeinen in erheblichem Maße. Beim Verschieben der Außenhautabschnitte im Ausführungsbeispiel mit Lücke in der Außenhautstruktur wird je nach Verschiebungsrichtung die Lücke stärker geschlossen oder weiter geöffnet.

Vorteilhafterweise wird die Lücke und damit der in der Aus­ nehmung erfindungsgemäß angeordnete Aktuator bezogen auf die Hauptströmungsrichtung in einem vorderen Bereich des Strömungskörpers angeordnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Strömungskörpers wird durch die Außenhautlüc­ ke eine erste und eine zweite Außenhautkante gebildet, wel­ che voneinander lateral beabstandet sind, und der Aktuator ist so angeordnet, daß er an der ersten und/oder zweiten Außenhautkante, welche durch die oben beschriebene Lücke im Bereich der Außenhautstruktur gebildet wird, angreift. Dadurch sind dann die Außenhautkanten und mithin die Außen­ hautabschnitte in besonders geeigneter Weise relativ zuein­ ander, insbesondere in lateraler Richtung, verschiebbar.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausnehmung, in wel­ cher die Kraftübertragungseinrichtung angeordnet ist und durch welche die Lücke im Bereich der Außenhaut gebildet wird, wird erreicht, daß die Kraftübertragungseinrichtung in unmittelbarer Nähe des gewünschten Angriffpunkts für die zu übertragenden Kräfte, nämlich der ersten und/oder zwei­ ten Außenhautkante, angeordnet ist. Zum anderen ist gewähr­ leistet, daß sich die Kraftübertragungseinrichtung auch ge­ gen den relativ starren Bereich der Kantenaussteifung der vorderen Kante abstützen kann.

Ferner ist es von Vorteil, daß im Bereich der Innenseite der zweiten Außenhautkante, an welcher die Kraftübertra­ gungseinrichtung angreifen kann, ein Absatz ausgebildet ist und daß dieser Absatz in der Ausnehmung lateral verschieb­ lich angeordnet ist.

Dadurch wird gewährleistet, daß beim Angreifen der Kraft­ übertragungseinrichtung nicht direkt auf die Außenhaut­ struktur zugegriffen wird sondern indirekt, wodurch ein gleichmäßigeres Übertragen und Einleiten der zur Ver­ schiebung führenden Kräfte in die Außenhautstruktur mög­ lich wird.

Zur Verminderung des Reibwiderstandes beim Relativbewegen der Außenhautabschnitte gegeneinander kann am Absatz und in dem dem Absatz gegenüberliegenden Bereich der vorderen Kante ein Lagermittel vorgesehen sein.

Dadurch wird ferner erreicht, daß die Relativverschiebung der Außenhautabschnitte in reproduzierbarer Art und Weise erfolgen kann.

Oben wurde bereits erwähnt, daß ein wesentlicher Kerngedan­ ke der Erfindung darin zu sehen ist, daß die Außenstruktur eine in bezug auf ihre Ausdehnung und die gewünschte Biege­ linie hin angepaßte Verteilung der lokalen Biegesteifigkeit sowie der weiteren mechanischen Parameter aufweist. In ei­ ner vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Strömungskörpers ist es vorgesehen, daß die Außenstruktur eine Biegesteifigkeit und/oder weitere mechanische Parame­ ter aufweist, deren Werte entlang einer Hauptströmungsrich­ tung des Mediums abnehmen.

Dadurch wird z. B. bei einer Flugzeugtragfläche erreicht, daß unter Wirkung der Kraftübertragungseinrichtung oder eines Aktuators ein Verbiegen der Tragfläche nicht nur in einem vorderen Tragflächenbereich erfolgt, sondern in bezug auf die Hauptströmungsrichtung des Mediums bis in die hin­ teren Tragflächenabschnitte hinein einleitbar und einstell­ bar ist. Eine höhere Biegesteifigkeit im vorderen Bereich verhindert nämlich in diesem Bereich das lokale Abknicken der Flugzeugtragfläche, weil sie dem lokal übertragenden Biegemoment entgegenwirkt.

Durch die Innenstruktur des Strömungskörpers, d. h. durch die dünnen Stege, sind eine lokal definierte Biegesteifig­ keit sowie die weiteren lokal definierten mechanischen Pa­ rameter und deren Verläufe über die Ausdehnung der Innen­ struktur hinweg gegeben.

Dadurch wird gerade erreicht, daß eine entsprechend durch die gewünschte Biegelinie der Außenstruktur und somit des Strömungskörpers erforderliche Übertragung eines lokal de­ finierten Biegemoments möglich ist.

Dazu ist es vorgesehen, daß die dünnen Stege fest an den oberen und den unteren Außenhautabschnitt angekoppelt sind. Dadurch wird erreicht, daß die gegenüberliegenden Bereiche der Außenstruktur miteinander in der Form mechanisch wech­ selwirken, daß über die dünnen Stege lokal ein definier­ tes Biegemoment auf die sich gegenüberliegenden Bereiche der Außenstruktur übertragen wird.

Dabei können die dünnen Stege durch einen Vollkörper gebil­ det sein, welcher insbesondere eine Mehrzahl ausgesparter Bereiche aufweist, so daß durch die Begrenzungen oder Be­ grenzungsbereiche der ausgesparten Bereiche die dünnen Ste­ ge geschaffen werden, welche entsprechend der gewählten Ma­ terialeigenschaften eine vorgegebene Verteilung der Biege­ steifigkeit hervorrufen.

Verwendet werden kann der erfindungsgemäße Strömungskörper praktisch in jedem Bereich der technischen Mechanik und der Fluiddynamik. Insbesondere aber ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Strömungskörper als Abschnitt eines Trag-, Lenk- und/oder Leitwerks eines Luft und/oder Wasserfahr­ zeugs, insbesondere als Tragfläche eines Flugzeugs, zu ver­ wenden. Ferner ist an eine Verwendung als Rotor- oder Pro­ pellerelement bei einem Antriebsmittel für ein Fahrzeug ge­ dacht. Ferner bietet sich eine Verwendung als Quer-, Höhen- und/oder Seitenruder oder Steuerruder für ein Luft- bzw. Wasserfahrzeug oder dergleichen oder jeweils als Teil davon an.

Generell kann aber auch daran gedacht werden, Abschnitte eines Rumpfes für ein entsprechendes Fahrzeug in Form des erfindungsgemäßen Strömungskörpers auszubilden, um die ent­ sprechenden Strömungseigenschaften, z. B. bei einer Rakete oder einem anderen Luftfahrzeug, anzupassen.

Darüber hinaus kann auch daran gedacht werden, üblicherwei­ se an herkömmlichen Flugzeugen vorgesehene Lande- oder Bremsklappen oder dergleichen dadurch zu verbessern, daß sie zumindest teilweise in Form des erfindungsgemäßen Strö­ mungskörpers ausgelegt sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispie­ le näher erläutert.

In dieser ist/sind:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungs­ gemäßen Strömungskörpers,

Fig. 2A und 2B schematische Querschnittsansichten eines Aus­ führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Strö­ mungskörpers mit zwei unterschiedlich eingestell­ ten Strömungsprofilen,

Fig. 3A bis 3C schematische Querschnittsansichten verschiedener Details der Innenstruktur eines Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Strömungskörpers,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Aus­ führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Strö­ mungskörpers zur Veranschaulichung der geometri­ schen Dimensionen,

Fig. 5 eine Tabelle zur Veranschaulichtung der geometri­ schen Dimensionen und der mechanischen Parameter eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Strömungskörpers,

Fig. 6A und 6B schematische Querschnittsansichten zweier unter­ schiedlicher Ausführungsbeispiele des erfindungs­ gemäßen Strömungskörpers zur Veranschaulichtung des Einflusses der mechanischen Parameter,

Fig. 7 eine schematische graphische Darstellung zur Ver­ anschaulichung des Einflusses mechanischer Para­ meter bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 6A und 6B,

Fig. 8 eine schematische perspektivische Ansicht ver­ schiedener Details der Innenstruktur eines Aus­ führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Strö­ mungskörpers und

Fig. 9A und 9B schematische Darstellungen zur Veranschauli­ chung möglicher Anwendungsgebiete des erfin­ dungsgemäßen Strömungskörpers.

Fig. 1 zeigt in schematischer Querschnittsansicht ein Aus­ führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strömungskörpers 1. Dieser Strömungskörper 1 kann hier z. B. als Tragfläche für ein Flugzeug, als Start-/Landeklappe dafür oder z. B. auch als Helicopterrotor ausgebildet sein.

Der erfindungsgemäße Strömungskörper 1 umschließt im In­ neren seiner Außenstruktur 2, welche aus einer Außenhaut 3 mit Außenhautversteifung 4 gebildet wird, eine Innenstruk­ tur 5.

In einer ersten Richtung 20, welche auch mit der Hauptströ­ mungsrichtung 21 des den Strömungskörper 1 umströmenden Mediums übereinstimmen kann und bezüglich der die Quer­ schnittsebene gewählt ist, weist der erfindungsgemäße Strö­ mungskörper 1 einen vorderen Kantenbereich 8 und einen hinteren Kantenbereich 9 auf.

Im Innern der Außenhaut 3 sind die Kantenbereiche 8 und 9 mit sogenannten Kantenaussteifungen 11 und 12 versehen, so daß sich der vordere Kantenbereich 8 und der hintere Kan­ tenbereich 9 gegenüber äußeren mechanischen Beanspruchungen relativ starr verhalten.

Zwischen den Kantenbereichen 8 und 9 weist die Außenhaut 3 der Außenstruktur 2 einen oberen Außenhautabschnitt 3a und einen unteren Außenhautabschnitt 3b auf. Diese Außenhautab­ schnitte 3a und 3b sind in ihrem Inneren mit einer Außen­ hautversteifung 4 versteift, so daß übermäßige lokale Ver­ biegungen der Außenhaut 3, welche nicht erwünscht sind, un­ terdrückt werden. Dieser Bereich der Außenhautversteifung 4 ist auf seiner Innenseite mit einer Innenhaut 7 ausgestat­ tet.

Zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Innenhaut 7 sind in einer zur Hauptströmungsrichtung 21 transversalen Richtung Verbindungselemente 18, hier in Form von Stegen, angeordnet und mittels Verbindungseinrichtungen 19 an der Oberseite und der Unterseite der Innenhaut 7 mechanisch an­ gekoppelt. Diese Ankopplung ist im Detail in Fig. 8 be­ schrieben.

Im vorderen Kantenbereich 8 ist eine Ausnehmung 17 gebil­ det, durch welche im Bereich der Außenhaut 3 eine Außen­ hautlücke 13 definiert wird. Durch die Außenhautlücke 13 entstehen im Bereich der Außenhaut 3 eine erste und eine zweite Außenhautkante 16a bzw. 16b.

Bei praktischen Ausführungsformen ist die Außenhautlücke durch entsprechende Maßnahmen - insbesondere luftdicht - zu verschließen, damit sich ein insgesamt geschlossenes Strömungsprofil ergibt.

In der Ausnehmung 17 selbst ist die Kraftübertragungsein­ richtung 10 angeordnet. Diese greift im Bereich der ersten und der zweiten Außenhautkante 16a, 16b an, um zur Haupt­ strömungsrichtung 21 laterale insbesondere parallele Kräfte auf die Außenhaut 3 und insbesondere auf die Außenhautab­ schnitte 3a und 3b so zu übertragen, daß zumindest die Außenhautabschnitte 3a und 3b relativ zueinander, insbeson­ dere lateral, verschoben werden.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 greift die Kraftüber­ tragungseinrichtung 10 zum einen an dem Absatz 14, an wel­ cher ebenfalls in der Ausnehmung 17 angeordnet ist, und stützt sich zum anderen rückwärtig an der Kantenaussteifung 11 des vorderen Kantenbereichs 8 ab.

Die Unterseite des Absatzes 14 sowie die Oberseite des Bo­ denbereichs der Ausnehmung 17 weisen Lagermittel 15a bzw. 15b auf, um eine definierte laterale Verschiebung des Ab­ satzes 14 in der Ausnehmung 17 unter möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen.

Durch die Kraftübertragungseinrichtung 10 wird der Abstand der sich gegenüberstehenden Außenhautkanten 16a, 16b gegen­ über dem Ruhezustand verkürzt oder erweitert, wodurch die Außenhautabschnitte 3a und 3b, die sich im Ausführungsbei­ spiel der Fig. 1 in etwa parallel und zueinander beabstan­ det gegenüberliegen, relativ zueinander lateral bewegt wer­ den.

In den Fig. 2A und 2B ist der erfindungsgemäße Strö­ mungskörper 1 des Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ebenfalls in schematischer Querschnittsansicht gezeigt, wobei zur Vereinfachung die Details des vorderen Kantenbereichs 8, der Kraftübertragungseinrichtung 10 sowie des Absatzes 14 fortgelassen wurden.

Gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ruhestellung für die Außenhautabschnitte 3a und 3b zeigen die Fig. 2A und 2B den erfindungsgemäßen Strömungskörper 1 aus Fig. 1 im ver­ stellten Zustand.

Dort ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2a der Abstand zwischen der ersten Außenhautkante 16a und der zweiten Außenhautkante 16b vergrößert. Dies wird dadurch erreicht, daß zwischen den Außenhautkanten 16a und 16b über die Kraftübertragungseinrichtung 10 eine Druckkraft ausgeübt wird, so daß die Kanten 25a und 25b der Außenhautverstei­ fung 4 im Bereich der Außenhautabschnitte 3a und 3b um ei­ nen positiven Verstellweg d in bezug auf die Ruhelinie 23 gegeneinander verschoben sind.

Als Folge dieses positiven Verstellweges d und mithin der relativen Verschiebung der Außenhautabschnitte 3a und 3b zueinander werden die Verbindungselemente 18 oder Stege aufgrund ihrer mechanischen Ankopplung an die Außenstruktur 2 gekrümmt.

Wegen ihrer eigenen Biegesteifigkeit übertragen die Stege 18 über die mechanische Ankopplung an gegenüberliegende Seiten der Innenhaut 7 lokal ein definiertes Biegemoment an die Außenhautabschnitte 3a und 3b sowie an die entsprechen­ den Außenhautversteifungen 4, so daß der erfindungsgemäße Strömungskörper 1 ein gegenüber dem Ruhezustand aus Fig. 1 in Richtung des Pfeiles 24 stärker nach unten gekrümmtes Strömungsprofil aufweist. Dies wird insbesondere auch durch den stärker nach unten verschwenkten hinteren Kantenbereich 9 deutlich.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2B ist die Außenhautlücke 13 aufgrund einer über die Kraftübertragungseinrichtung 10 zwischen den Außenhautkanten 16a und 16b ausgeübten Zug­ kraft gegenüber dem Ruhezustand aus Fig. 1 verkürzt, so daß die Kanten 25a und 25b der Außenhautabschnitte 3a und 3b in bezug auf die Ruhelinie 23 um einen negativen Verstellweg d gegeneinander verschoben sind.

Entsprechend weisen die Verbindungselemente 18 eine ent­ gegengesetzte Krümmung auf, und über die Biegesteifigkeit der Verbindungselemente 18 gemäß der mechanischen Ankopp­ lung an die gegenüberliegenden Flächen der Innenhaut 7 ent­ gegengesetzt ein lokal definiertes Biegemoment an die Außenhautabschnitte 3a und 3b und die entsprechenden Ver­ steifungen 4 übertragen, so daß gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Ruhezustand das Profil des erfindungsgemäßen Strömungskörpers 1 in Pfeilrichtung 24 ausgebildete entge­ gengesetzt nach oben gekrümmt ist. Der hintere Kantenab­ schnitt 9 ist gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten Ruhezustand in Pfeilrichtung 24 angehoben.

Die Fig. 3A bis 3C zeigen Details der Innenstruktur 5 sowie der mechanischen Ankopplung an die Innenhaut 7 in ei­ ner detaillierteren und schematischen Querschittsansicht.

In Fig. 3A ist gezeigt, daß die Stege 18 der Innenstruktur 5 über Verbindungseinrichtungen 19 an die Innenhaut 7 der Außenstruktur mechanisch angekoppelt sind. Die Stege oder Verbindungselemente 18 besitzen mechanische Eigenschaften, die zwar eine Verbiegung entlang der Hauptströmungsrichtung 21 ermöglichen, die aber der Innenstruktur 5 gegenüber Druck- und Zugbelastungen in transversalen Richtungen eine relative Starrheit verleihen.

Die Fig. 3B zeigt die aufgrund der Biegesteifigkeit der Stege 18 mögliche Verbiegung und damit die Fähigkeit der Stege 18 definierte Biegemomente zunächst auf die Innen­ haut 7 und über die Außenhautversteifungen 4 auf die Außen­ struktur 2 insgesamt zu übertragen.

Die Innenstruktur 5 reagiert also gegenüber lateralen Druck- und/oder Zugkräften in Hauptströmungsrichtung 21 relativ schubweich.

Die Fig. 3C zeigt, daß es bei der Ankopplung der Verbin­ dungselemente 18 oder Stege an die Innenhaut 7 der Außen­ struktur 2 des erfindungsgemäßen Strömungskörpers 1 darauf ankommt, daß die Verbindungseinrichtungen 19 zur Ankopplung der Stege 18 an die Innenhaut 7 möglichst starr reagieren, wenn die sich gegenüberliegenden Abschnitte der Innenhaut 7 gemäß der Druck- und/oder Zugkräfte entlang der Richtung 21 relativ zueinander verschieben.

Hätten die Enden der Verbindungselemente 18 oder Stege in den Verbindungseinrichtungen 19 oder Halterungen ein zu großes "Spiel", so daß die Stege und ihre Halterung quasi "gelenkig" verbunden sind, so könnte die Verbiegung der Stege 18 nicht zur Übertragung eines lokalen und definier­ ten Biegemoments zwischen den gegenüberliegenden Außenhaut­ abschnitten 3a und 3b genutzt werden.

Die Fig. 4 zeigt ebenfalls in schematischer Querschnittsan­ sicht entlang der Hauptströmungsrichtung 21 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungskör­ pers 1, wobei hier in Verbindung mit der Tabelle aus Fig. 5 die geometrischen Dimensionen sowie mechanischen Parameter im Detail erläutert werden.

Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 zeigt im Querschnitt einen Strömungskörper 1, bei welchem zwischen einem vorde­ ren Kantenbereich 8 und einem hinteren Kantenbereich 9 mit Kantenaussteifungen 11 und 12 Außenhautabschnitte 3a und 3b der Außenhaut 3 im wesentlichen parallel und zueinander be­ abstandet angeordnet sind.

Im Innenbereich der Außenhauptabschnitte 3a und 3b ist eine Außenhautversteifung 4 vorgesehen, welche im weiteren Verlauf nach innen mit einer sogenannten Innenhaut 7 ab­ schließt, welche die Innenstruktur 5 umgibt. Die Innen­ struktur 5 wird hier durch sieben Verbindungselemente in Form von Stegen 18 gebildet.

Wie in Fig. 1 ist, so auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 der erfindungsgemäße Strömungskörper 1 im Ruhezu­ stand gezeigt, bei welchem die Kraftübertragungseinrichtung 10 keinerlei Zug- oder Druckkräfte auf den Absatz 14 einer­ seits und die Rückseite der Kantenaussteifung 11 ausübt. Demgemäß sind die Kanten 25a und 25b, der Außenhautab­ schnitt 3a und 3b bzw. der entsprechenden Außenhautverstei­ fungen 4 unverschoben und parallel zueinander angeordnet und darüber hinaus parallel zur sogenannten Ruhelinie 23.

Gegenüber dieser Ruhelinie 23 weisen die Stege 1 bis 7 Ab­ stände a1 bis a7 auf, wobei die Stege untereinander um 83 mm voneinander beabstandet sind und wobei der Steg 1 gegenüber der Ruhelinie 23 einen Abstand a1 von 166 mm be­ sitzt. Die Stege 1 bis 7 weisen Höhen h1 bis h7 in trans­ versaler Richtung 22 auf. Diese Höhen h1 bis h7 sowie die Abstände a1 bis a7 von der Ruhelinie 23 sind in der Tabelle der Fig. 5 zusammengefaßt.

Ebenfalls in der Tabelle der Fig. 5 sind die mechanischen Eigenschaften sowohl der Außenhäute als auch der Innenhaut und der Außenhautversteifungen angegeben.

Der Elastizitätsmodul E beträgt für die Außenhaut 100.000 MPa, für die Außenhautversteifung 2.000 MPa und für die In­ nenhaut ebenfalls 100.000 MPa. Sämtliche Stege 1 bis 7 wei­ sen identische Elastizitätsmoduln E von 100.000 MPa auf. Die Querkontraktionen betragen für die Innenhaut sowie für die Stege 1 bis 7 0,35 und für die Außenhaut und Außenhaut­ versteifungen 0,3.

In den beiden Spalten ganz rechts der Tabelle aus Fig. 5 sind zwei verschiedene Varianten I und II für die Stärken t1 bis t7 der Stege 18 sowie für die Stärke der Außenhaut und der Innenhaut angegeben.

Bei beiden Varianten I und II betragen die Stärken t für die Außenhaut, die Innenhaut und die Stege 1 und 21 mm. Die Stärken t3 bis t7 für die Stege 3 bis 7 betragen bei Variante I 2 mm und bei der Variante II jeweils 1 mm.

Die Fig. 6A und 6B zeigen in schematischer Querschnitts­ ansicht die Auswirkungen der in der Tabelle der Fig. 5 an­ gegebenen geometrischen Dimensionierungen und mechanischen Parameter bei einem identischen Verstellweg von d = 22 mm bei einem durch die Fig. 4 und 5 definierten erfindungs­ gemäßen Strömungskörper 1, wobei in den Fig. 6A und 6B die in den Fig. 2A und 2B beschriebenen Details darge­ stellt sind.

In der Fig. 7 ist dazu der Verlauf der relativen maximalen Biegemomente für die Stege 1 bis 7 aufgetragen, so wie sie sich aus dem mechanischen Parametern der Tabelle der Fig. 5 bei einem entsprechenden Verstellweg d und der entsprechen­ den geometrischen Auslegung ergeben.

Bei beiden Varianten I und II zeigt sich in Fig. 6A und 6B ein im wesentlichen gleiches Verschwenken des hinteren Kantenbereiches 9 in Richtung des Pfeils 24 um etwa 150 bis 160 mm, wobei aber aufgrund der Geometrie der Stege 18, al­ so insbesondere aufgrund ihrer Stärke t, beim Ausführungs­ beispiel II (Fig. 6B) die Verbiegung des Profils im hinter­ en Bereich in bezug auf die Hauptströmungsrichtung 21 bei den Außenhautabschnitten 3A und 3B auftritt.

Bei der Variante I (Fig. 6A) ist dagegen die Krümmung des Profils gleichmäßig auf die Außenhautabschnitte 3a und 3b in Hauptströmungsrichtung 21 verteilt.

In der Fig. 7 bezeichnet der Graph mit der durchgezogenen Linie für Variante I das relative Biegemoment, welches durch die Stege 1 bis 7 auf die Außenstruktur 2 übertragen wird. Der gestrichelte Graph beschreibt den Verlauf des relativen Biegemoments für die Variante II.

Das relative (übertragene) Biegemoment ist dabei definiert als der Quotient des Biegemoments, welches durch einen Steg übertragen wird, mit dem Maximum der Biegemomente über alle Stege. Demgemäß liegt der Wert für das relative Biegemoment zwischen 0 und 1.

Für die Variante II mit identischen Stegen der Stärke 1 mm fällt das relative Biegemoment von seinem Maximalwert 1,0 bei Steg Nr. 1 etwa monoton auf 70% bei Steg Nr. 7. Insge­ samt gesehen findet also keine wesentliche Variation des relativen Biegemoments über den Verlauf der Innenstruktur 5 statt.

Bei der Ausführungsform I dagegen ist das bei den Stegen 1 und 2 übertragene Biegemoment minimal und liegt bei etwa 20%. Es steigt dann bei Steg Nr. 3 auf sein Maximum an und fällt dann monoton und etwa linear auf etwa 30% bei Steg Nr. 7.

Fig. 8 zeigt in perspektivischer und teilweise geschnit­ tener Ansicht eine Möglichkeit der Befestigung eines Steges 18 oder eines Verbindungselements 18 über eine Verbindungs­ einrichtung 19 an der Innenhaut 7 der Außenstruktur 2 des erfindungsgemäßen Strömungskörpers.

Der Steg 18 ist hier jeweils mit wechselseitigen Aufbie­ gungsabschnitten 18a, 18b und 18c versehen, welche mittels Nietverbindungen 19 an der Innenhaut 7 befestigt sind. Selbstverständlich können auch andere Verbindungen wie Kleben, Löten, Schweißen, Schrauben oder dergleichen vor­ gesehen sein.

Die Fig. 9A und 9B zeigen verschiedene Einsatzmöglichkeiten und Verwendungen des erfindungsgemößen Strömungskörpers 1 im Bereich der Luftfahrtechnik. Eine Anwendung im Bereich der Wasserfahrzeuge kann analog erfolgen.

In Fig. 9A ist ein üblicher Düsenjet gezeigt. Bei einem derartigen Düsenjet kann der erfindungsgemäße Strömungs­ körper 1 im Bereich der Tragflächen 30 eingesetzt werden, wobei z. B. der in Fig. 1 gezeigte Querschnitt des Strö­ mungskörpers 1 dann gerade dem Querschnitt der Tragfläche 30 entspräche. An einer herkömmlichen Tragfläche 30 wäre dann auch ein Einsatz im Bereich der Winglets 32c oder der Start-/Lande- oder Steuerklappen 32a bzw. 32b möglich. Auch der Einsatz im Bereich der hinteren Leitwerke 33 und 34 mit entsprechenden Rudereinrichtungen 33a und 34a ist denkbar.

Darüber hinaus kann auch daran gedacht werden, den erfin­ dungsgemäßen Strömungskörper 1 im Bereich des Antriebs­ aggregats 37 z. B. in Form einer Turbinenschaufel auszubil­ den.

Die Fig. 9B zeigt den Einsatz bei einem herkömmlichen Helicopter.

Dort ist an einem Einsatz im Bereich der Blätter 31 des Hauptrotors gedacht. Ferner kann auch der Querrotor 36 mit entsprechend gemäß der Erfindung verstellbaren Rotorblät­ tern versehen sein. Darüber hinaus kann auch an einen Ein­ satz des erfindungsgemäßen Strömungskörpers 1 im Bereich der Leitwerke 35 eines Helicopters gedacht werden.

Im folgenden soll noch einmal kurz im Zusammenhang das vor­ liegende Konzept zur Steuerung des Profils eines Strömungs­ körpers zur Beeinflussung strömender Medien erläutert wer­ den:

Bei dem vorliegenden Konzept erfolgt die Ansteuerung der im wesentlichen geschlossenen Außenhaut des Strömungskörpers mittels eines Aktuators oder einer Kraftübertragungsein­ richtung direkt über die Außenhautstruktur, welche zur Krafteinleitung und zur Einstellung der geforderten Biege­ linie mit einer Außenhautversteifung versteift ist. Dabei wird durch den Aktuator im vorderen Bereich z. B. eines Tragflügels eine Relativverschiebung von Außenhautab­ schnitten der Außenhaut verursacht. Durch die mechanische Ankopplung resultiert eine Verbiegung von Verbindungsele­ menten im Bereich der Innenstruktur, wodurch Biegemomente zwischen den Deckhäuten oder Außenhäuten der Außenstruktur übertragen werden. Aufgrund der lokalen Biegesteifigkeit wird die Krümmung der Außenhautstruktur erzeugt.

Maßgeblich für die Krümmung ist insgesamt gesehen das Ver­ hältnis von Biegesteifigkeit der Außenstruktur zum lokal durch den Steg oder das Verbindungselement eingeleiteten Biegemoment. Die Höhe des übertragenen Momentes ist lokal abhängig von der Steghöhe, der lokalen Relativverschie­ bung der Außenhäute zueinander und der Steifigkeit des Steges, insbesondere der Schubsteifigkeit und der Biege­ steifigkeit. Diese werden durch die mechanischen Parameter wie Elastizitätsmodul, Stärke bzw. Dicke, Querkontraktion und dergleichen eingestellt.

Beim Aufbau der Innenstruktur kommt es ganz wesentlich auf die Abfolge von Aussparung oder Leerraum und Randbereich oder Steg an, welcher als Verbindungselement zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Außenstruktur dient.

Es ist also entscheidend für die Übertragung eines defi­ nierten lokalen Biegemoments zwischen den gegenüberliegen­ den Abschnitten der Außenstruktur, daß dünne Stege bei der Relativverschiebung der Außenhäute zueinander verwendet werden, wobei die Stege genau dann als dünn bezeichnet wer­ den, wenn die Stegdicke klein ist gegenüber der Steghöhe. Analoges gilt für lamellenartige Verbindungselemente oder Verbindungselemente die durch die Wände von Hohlräumen in einem Werkstoff gebildet werden.

Ein wesentlicher Aspekt ist, daß die Gesamtstruktur des er­ findungsgemäßen Strömungskörper gegenüber Schubverformungen in Längsichtung oder Hauptströmungsrichtung relativ weich ist, in allen übrigen Richtungen aber eine relativ hohe Steifigkeit - nämlich Zug-, Druck- und Schubsteifigkeit senkrecht zur Strömungsrichtung - besitzt.

Um eine kontinuierliche Deformation z. B. eines Tragflächen­ querschnitts zu ermöglichen, müssen die Relativverschiebun­ gen der Außenhautabschnitte der Außenhaut auch in einen in bezug auf die Hauptströmungsrichtung hinteren Bereich der Gesamtstruktur eingeleitet werden können. Ist die Steifig­ keit der Außenstruktur gegen Verbiegung zu gering im Ver­ hältnis zur Steifigkeit der dahinterliegenden Gesamtstruk­ tur gegen Schubverformung, so kommt es zum lokalen Abknic­ ken des Profils des Strömungskörpers.

Obwohl der Aktuator in den beschriebenen Ausführungsbei­ spielen im vorderen Bereich des Strömungskörpers, also z. B. der Tragfläche, angeordnet ist und dort die Außenstruktur des Strömungskörpers schließt, kann der Aktuator auch an jeder beliebigen anderen Stelle im Bereich der Außenstruk­ tur angeordnet werden. Darüber hinaus kann er über die ge­ samte Breite des Strömungskörpers relativ zur Hauptströ­ mungskörpers des Mediums wirken, wenn z. B. ein entsprechen­ der Angriff über die Ausbildung eines Absatzes in einer Ausnehmung des Strömungskörpers vorgesehen ist.

Für die Anforderung der einzelnen Komponenten des Strö­ mungskörpers ergibt sich folgendes Bild:

Die Außenhautstruktur, welche von der Außenhaut und der Außenhautversteifung gebildet wird, muß zur Erfüllung des Kriteriums maximal zulässiger Verformungen unter der Auf­ triebslast eine Versteifung der Außenhaut aufweisen. Dabei ist zu beachten, daß die gewünschte und geforderte Biege­ linie für das Strömungsprofil des Strömungskörpers im Be­ reich der elastischen Verformungen der eingesetzten Werk­ stoffe erreichbar ist. Der Steifigkeitsverlauf wird bei der Außenstruktur maßgeblich durch den Verlauf des Elasti­ zitätsmoduls und durch die Komposition und die Dicke der Außenstruktur sowie der entsprechenden Versteifung beein­ flußt und definiert. Eine weitere Randbedingung ist, daß übermäßige lokale Deformationen und Welligkeiten der Außen­ haut bei der Einwirkung des Aktuators durch eine entspre­ chende Dimensionierung und mechanischer Ausgestaltung der Außenstruktur vermieden werden müssen.

Bei der Innenaussteifung oder Innenstruktur muß darauf ge­ achtet werden, daß die Biegebelastung der Verbindungsele­ mente oder Stege, welche durch die Relativverschiebungen der Außenhäute aufgeprägt wird, d. h. die durch makroskopi­ sche Schubverformungen erreichten Biegebelastungen, sich ebenfalls im elastischen Bereich der Innenstruktur abspie­ len. Ferner wurde bereits erwähnt, daß die Innenstruktur eine geringe Schubsteifigkeit in der Hauptströmungsrichtung besitzen soll, in allen übrigen Belastungsrichtungen ist aber eine hohe Steifikgeit erforderlich. Insgesamt werden die mechanischen und geometrischen Parameter so gewählt, daß eine Übertragung eines lokal definierten Biegemoments zwischen den sich gegenüberliegenden Abschnitten der Außen­ struktur möglich ist.

Die mechanischen Parameter werden durch die Steghöhe, die Stegdicke, den Elastizitätsmodul, die Anbindung an die Innenhaut der Außenstruktur sowie die Anzahl der Stege de­ finiert.

Der Aktuator schließlich dient der Übertragung von Zug- und Druckkräften im wesentlichen entlang der Hauptströmungs­ richtung und bewirkt somit die Verstellwege in der Größen­ ordnung der Außenhautverschiebungen. Beeinflußt wird die Wirkung des Aktuators über seine Anbindung an entsprechend ausgebildete Absätze oder Außenhautkanten und über die Aktuatorzahl in Richtung der Spannweite des Strömungskör­ pers. Der auf die Deckhaut wirkende Aktuator schließt im wesentlichen die geöffnete Außenhaut und trägt somit zur Gesamtsteifigkeit bei.

Die Lagerung im Bereich der verschieblichen Außenhautab­ schnitte muß eine Parallelverschiebung der Außenhaut unter möglichst geringen Reibungsverlusten zulassen, wobei eine Transversalbewegung, mithin also eine Krümmung des Tragflä­ chenprofils, auszuschließen ist.

Das vorliegende Konzept ermöglicht die Verstellung eines Tragflächenprofils mittels eines einzigen Aktuators oder mittels einer einzigen Kraftübertragungseinrichtung im Bereich der Außenstruktur des Strömungskörpers.

Dabei können auch große Verstellwege realisiert werden, z. B. im Bereich von 10 bis 15% der verstellbaren Trag­ flächenabmessung in Strömungsrichtung.

Da nur ein einziger Aktuator die Verstellung übernehmen kann, treten keine Ansteuerungsprobleme auf. Ein Gegenein­ anderwirken, wie es bei Lösungen mit mehreren Aktuatoren auftreten könnte, entfällt. Durch die günstige Wirkrichtung des Aktuators ergeben sich geringe Aktuatorkräfte bei Ver­ stellwegen, die der Größenordnung der maximalen Außenhaut­ verschiebung entsprechen. Die Verstellgeschwindigkeiten lassen das Durchmessen des maximalen Verstellweges inner­ halb von Sekunden zu, so daß sich auch ein Einsatz im Be­ reich von Flugzeugtragflächen denken läßt, bei dem eine mo­ mentane Anpassung des Strömungsprofils der Tragfläche an die Flugbedingungen notwendig ist.

Anstelle einer Außenstruktur mit den Einzelkomponenten Außenhaut, Außenhautversteifung und Innenhaut kann - ins­ besondere bei geometrisch kleiner Dimensionierung, z. B. Rotor für Helikopter - eine Außenstruktur in Form einer homogenen und/oder Blockstruktur verwendet werden, solange diese die den diskutierten Anforderungen an die Steifig­ keit an die weiteren mechanischen Parameter aufweist.

Claims (16)

1. Strömungskörper mit einstellbarer Profilwölbung mit:

• a) einer Außenhautstruktur (2) mit oberem (3a) und unterem Außenhautabschnitt (3b),
  wobei die Außenhautstruktur (2) mindestens eine Außenhautlücke (13) aufweist, welche quer zur Hauptströmungsrichtung (21) auf einer Ober- oder Unterseite der Außenhautstruktur (2) verläuft,
• b) dünnen Stegen (18) zur Innenaussteifung, welche an den oberen (3a) und den unteren Außenhautabschnitt (3b) angekoppelt sind,
• c) einer Kraftübertragungseinrichtung (10), mittels welcher durch Kraftübertragung auf zumin­ dest einen der Außenhautabschnitte (3a, 3b) eine relative laterale Verschiebung des oberen Außen­ hautabschnitts (3a) gegen den unteren Außenhautab­ schnitt (3b) durchführbar ist und die Profilwölbung der Außenhautstruktur (2) variabel einstellbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Außenhautlücke (13) eine Ausnehmung (17) aufweist,
• b) daß die Kraftübertragungseinrichtung (10) in der Ausnehmung (17) als Aktuator angeordnet ist, mit­ tels welchem zur relativen lateralen Verschiebung des oberen Außenhautabschnitts (3a) gegen den un­ teren Außenhautabschnitt (3b) im wesentlichen late­ rale Kräfte auf zumindest einen der Außenhautab­ schnitte (3a, 3b) übertragbar sind,
• c) daß die dünnen Stege (18)
  zur Übertragung von lokalen Biegemomenten auf die Außenhautstruktur (2) fest an den oberen (3a) und den unteren Außenhautabschnitt (3b) angekoppelt sind und
  mittels des Aktuators auf Biegung belastbar sind und
• d) daß die Profilwölbung vom lokalen Verhältnis der Biegesteifigkeit der Außenhautstruktur (2) zur Bie­ gesteifigkeit eines Steges (18) abhängig ist.

2. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator bezogen auf die Hauptströmungsrich­ tung (21) in einem vorderen Bereich des Strömungs­ körpers (1) angeordnet ist.

3. Strömungskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhautstruktur (2) zumindest in einer er­ sten Richtung (20) querschnittsmäßig im wesentlichen geschlossen ausgebildet ist.

4. Strömungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhautabschnitte (3a, 3b) im wesentlichen parallel und beabstandet angeordnet sind.

5. Strömungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhautstruktur (2) bezogen auf eine Haupt­ strömungsrichtung (21) einen vorderen Kantenbereich (8) und/oder einen hinteren Kantenbereich (9) auf­ weist.

6. Strömungskörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhautabschnitte (3a, 3b) zwischen dem vor­ deren Kantenbereich (8) und dem hinteren Kantenbereich (9) angeordnet sind.

7. Strömungskörper nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Kantenbereich (8) und/oder der hinte­ re Kantenbereich (9) gegenüber Zug-, Druck- und/oder Scherkräften, insbesondere mittels vorderer bzw. hin­ terer Kantenaussteifungen (11, 12), im wesentlichen starr ausgebildet sind.

8. Strömungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß im Bereich der Innenseite der Außenhautstruktur (2) zumindest teilweise eine Außenhautversteifung (4) vorgesehen ist, um der Außenhautstruktur (2) eine vor­ gegebene lokale Steifigkeit zu verleihen.

9. Strömungskörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhautversteifung (4) im Bereich der Außen­ hautabschnitte (3a, 3b) ausgebildet ist.

10. Strömungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhautstruktur (2) im Bereich ihrer Innen­ seite eine Innenhaut (7) aufweist, wobei die Innenhaut (7) insbesondere auf der Innenseite der Außenhautver­ steifung (4) ausgebildet ist.

11. Strömungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Außenhautlücke (13) eine erste und eine zweite Außenhautkante (16a, 16b) gebildet werden, wel­ che voneinander lateral beabstandet sind und
daß der Aktuator zum Angreifen an der ersten und/oder zweiten Außenhautkante (16a, 16b) ausgebildet ist.

12. Strömungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich der Innenseite der zweiten Außenhaut­ kante (16b) ein Absatz (14) ausgebildet ist und
daß der Absatz (14) in der Ausnehmung (17) lateral verschieblich angeordnet ist.

13. Strömungskörper nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Absatz (14) und in dem dem Absatz gegenüber­ liegenden Bereich der vorderen Kante Lagermittel (15a, 15b) vorgesehen sind.

14. Strömungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhautstruktur (2) eine Biegesteifigkeit aufweist, welche entlang der Hauptströmungsrichtung (21) abnimmt.

15. Strömungskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die dünnen Stege (18) aus einem Vollkörper gebil­ det sind,
daß im Vollkörper eine Mehrzahl ausgesparter Bereiche vorgesehen ist, und
daß die dünnen Stege (18) als Begrenzungsbereiche der ausgesparten Bereiche ausgebildet sind.

16. Verwendung des Strömungskörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 15, als Abschnitt eines Trag-, Lenk- und/oder Leitwerks eines Luft- und/oder Wasserfahrzeugs, insbesondere als Tragfläche eines Flugzeugs, als Rotor- oder Propeller­ element eines Antriebsmittels für ein Fahrzeug, als Quer-, Höhen- und/oder Seitenruder oder Steuerruder für ein Luft- bzw. Wasserfahrzeug oder dergleichen oder jeweils als Teil davon.