DE2243337C3 - Drehflügelflugzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Drehflügelflugzeug mit einem Rotorträger, der durch den umlaufenden Rotor in Biegeschwingungen versetzt wird.

Um bei derartigen Drehflügelflugzeugen die Übertragung der Biegeschwingungen vom Rotorträger auf die Flugzeugkabine zumindest zu verringern, ist es bereits bekannt (US-PS 35 14 054) zur Verbindung von Rotorträger und Flugzeugkabine elastische Elemente zu verwenden, so daß die Biegeschwingungen des Rotorträgers gedämpft und die Flugzeugkabine geringeren Belastungen ausgesetzt wird. Bei dieser bekannten so Anordnung werden jedoch noch erhebliche Schwingungen und Kräfte vom Rotorträger auf die Flugzeugkabine übertragen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Drehflügelflugzeug derart auszugestalten, daß die Flugzeugkabine, insbesondere im Reiseflug, weitgehend gegenüber Schwingungen vom Rotorträger isoliert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Drehflügelflugzeug der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß derart ausgestaltet, daß die Flugzeugkabine an denjenigen Stellen des Rotorträgers befestigt ist, an denen Knotenpunkte der vom Rotor induzierten Biegeschwingungen entsprechend dem Betriebspunkt im Reiseflug auftreten.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehflügelflugzeug erfolgt somit die Befestigung der Flugzeugkabine am Rotorträger an ganz speziell ausgewählten Punkten, nämlich den sich beim Reiseflug ergebenden Schwingungsknotenpunkten, so daß die Verbindungen an solchen Stellen des Rotorträgers angeordnet sind, an denen dieser kein Schwingungsverhalten zeigt, also auch auf die Flugzeugkabine keine Schwingungen übertragen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Hubschraubers.

Fig.2 zeigt ein zu Entwurfszwecken verwendetes Modell.

F i g. 3 zeigt ein weiteres Modell.

Fig.4 zeigt eine Abwandlung des Modells gemäß F15.3.

Fig.5 zeigt in einer Teildarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotorträgers.

F i g. 6 zeigt eine Trägeranordnung.

F i g. 7 zeigt in einer Teildarstellung ein anderes Ausführungsbeispiel eines Rotorträgers.

Fig.8 zeigt eine Kopplung von Trägern aus den Fig.7und8.

Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel hat einen Rotorträger 10 mit Motoren 11, einem Getriebe 12 und einem einen Hauptrotor 14 mit Blättern 15 und 16 tragenden Pylon 13. Eine Taumelplatie 17 dient zur Steuerung des Einstellwinkels der Rotorblätter 15 und 16 über ein Gestänge 18. In das Cockpit führt ein Steuergestänge 19, das auf die Handbetätigung durch den Piloten anspricht Eine Antriebswelle 20 verläuft durch den Rotorträger 10 zu einem auf einer Welle 22 befestigten Heckrotor 21. Die Motoren 11, das Getriebe 12 und der Pylon 13 sowie die Welle 20 und der Heckrotor 21 werden vom Rotorträger 10 mittels eines Stützträgers 23 getragen. Das Getriebe 12 ist auf diesem Stützträger mit Hilfe eines Jochs 24 befestigt

Der Rotorträger 10 ist mit einer stromlinienförmigen Verkleidung 25 versehen, die entsprechende öffnung zur Aufnahme der auf dem Stützträger 23 befestigten Elemente aufweist

Wenn der Hubschrauber steigt, ist er bei einer Schwingungen induzierenden Frequenz des Rotors 14 verhältnismäßig frei von Schwingungen. Während der Vorwärtsbewegung werden jedoch im Rotorträger 10 sowohl vertikale Schwingungen, die durch den Pfeil 30 angedeutet sind, als auch Kräfte induziert, wie dies mittels des Pfeiles 31 dargestellt ist.

Es hat sich gezeigt daß die Schwingungen innerhalb des Rotorträgers 10 und insbesondere im Stützträger 23 charakteristisch für einen gegebenen Aufbau sind, dessen Verhalten sich von dem Verhalten irgendeines anderen Aufbaus unterscheidet. In jedem Fall sind jedoch Schwingungsknotenpunkte (F i g. 1) entlang dem StUtzträger 23 feststellbar, wobei die Bezeichnung »Schwingungsknotenpunkt« zur Bezeichnung von Punkten benutzt wird, an denen die Schwingungsamplitude null ist.

Um die Lage der Schwingungsknotenpunkte zu bestimmen, kann ein Rotorträger 10 Erregungsversuchen mit der dominanten Frequenz ausgesetzt werden. Wie in F i g. 1 angedeutet, stellen die Knotenpunkte 40 und 41 Stellen dar, an denen die über den Pylon 13 und das Getriebe 12 induzierten Schwingungen einen Arnplitudenwert von null haben. Die gestrichelten Linien A und B zeigen in einem geeigneten Maßstab die Größe der Schwingungen entlang des Stützträgers 23, wenn dieser mit einer gegebenen Frequenz erregt wird.

An den Punkten 40 und 41 kann eine Flugzeugkabine 50 starr und unmittelbar am Stützträger 23 befestigt werden. Vorsprünge 42 und 43 erstrecken sich über die Kabine 50 hinaus und sind jeweils an den Punkten 40 und 41 mittels Kopplungszapfen befestigt Auf diese Weise ist die Kabine 50 starr mit dem Rotorträger 10 verbunden. Bei einer derartigen Kopplung der Kabine 50 bleiben der Pilot, die Passagiere, der Brennstoff und das Gepäck frei von Schwingungen, die bisher die Passagiere störten und den lasttragenden Aufbau ι ο beeinfluß'en. Während des Fluges wird die optimale Rotorgeschwindigkeit normalerweise im wesentlichen konstant gehalten, so daß die Schwingungsknotenpunkte 40 und 41 charakteristisch sind und für einen gegebenen Aufbau eine feste Lage haben und dabei im wesentlichen unabhängig von der an den Knotenpunkten befestigten Last sind.

Ein Steuergestänge 19a, 196 zur gemeinsamen und zyklischen Blattverstellung führt von der Taumelplatte 17 im Bereich des Schwingungsknotenpu.iktes 40 in die Kabine 50. Dadurch wird die Übertragung von Schwingungen auf den Steuerknüppel des Piloten verringert

Zum Entwurf und Aufbau eines Rotorträgers 10 wird dieser einem Schwingungsversuch unterworfen, und durch Messungen an Stellen entlang des Aufbaues werden die Schwingungsknotenpunkte ermittelt, an denen dann der Lastaufnahmeaufbau befestigt wird.

Die gleichen Ergebnisse lassen sich analytisch für einen gegebenen Aufbau mit angenommenen Abmessungen sowie Masse und Steifigkeit erreichen. Diese Faktoren können als entlang einer angenommenen elastischen Achse des Grundrumpfes konzentriert angesehen werden. Konzentrationen von Massen an Gitterpunkten können zur Darstellung der Masse des Luftfahrzeuges angenommen werden. Zur Darstellung der elastischen Achse können seitliche Dachträger hinzugefügt werden, an denen die Motoren angebracht sind. Derartige Dachträger werden so betrachtet, als wenn sie sich seitlich von einem Punkt unter dem Mast zu Punkten erstrecken, die die Motorenstellungen bezeichnen. Der Mast kann auch als elastisches Stabelement mit einer am oberen Ende konzentrierten Masse angesehen werden, um die wirksame Masse des Rotors darzustellen. Die Rotormasse wird als starr am Grundrumpf befestigt betrachtet, so daß ein starrer Pylonaufbau vorausgesetzt wird. Aus einer eingenommenen Konfiguration läßt sich eine Analyse für die Schwingungen eines derartigen Aufbaues simulieren. Die Lage der so ermittelten Schwingungsknoten kann beispielsweise zu einer Veränderung des wirklichen Entwurfes des Rotorträgers 10 führen, so daß die Knoten an Punkten verteilt sind, die sich zur Anbringung der Lasthalterung eignen.

Bei einem wirklichen Entwurfsvorgang wurden die Ergebnisse eines derartigen Computerversuches in ein maßstabsgerechtes Modell der in F i g. 2 gezeigten Art eingetragen. In dieser Figur ist ein Träger 60 mit einem vertikalen Treiberei gekoppelt, der durch den Pylon 13 dargestellt ist Der Treiber wurde mechanisch betätigt, ufd in Richtung des Pfeiles 62 Kräfte auszuüben. Der Träger war so dimensioniert daß ein wirklicher Rotorträgfcr nachgeahmt wurde. Die Aufbringung der vertikalen Schwingungen einer geeigneten Frequenz von zwei pro Umdrehung für einen Rotorträger voller Größe führte zur Induzierung von Schwingungen im Träger, die durch die gestrichelte Linie 63 dargestellt sind. Man erkennt, daß über die Länge des Trägers 60 ein Knotenpunkt 64 und ein Knotenpunkt 65 vorhanden ist Die Schwingung, die zwei Schwingungsknoten hervorruft kann als Schwingung erster Ordnung bezeichnet werden.

Die Schwingungsknoten 64 und 65 können an Stellen auftreten, die sich nicht zur Anbringung der Last am durch den Träger 60 dargestellten Rotorträger eignen. Wenn die Frequenz des Treibers 61 erhöht wird, kann der Träger 60 in Schwingungsarten höherer Ordnung schwingen, die drei oder mehr Schwingungsknoten bilden. Die gleiche Wirkung kann erreicht werden, wenn man bei konstanter Frequenz die Elastizitätseigenschaften des Aufbaues ändert Somit ist beim Träger 70 gemäß F i g. 3 angenommen, daß dieser gegenüber dem Träger 60 eine andere Größe und andere Elastizitätseigenschaften hat Eine Schwingung der gleichen Frequenz wie in Fig.2 bewirkt beim Träger 70 drei Schwingungsknoten. So sind beispielsweise in F i g. 3 die Schwingungsknoten 66,67 und 68 vorhanden, wenn der Träger 70 mit einer Frequenz der zweiten Ordnung schwingt Die Schwingungsknoten 66 und 67 sind zur Befestigung der Lasthalterung besser geeignet als die Knoten 64 und 65 gemäß F i g. 2. Die gestrichelte Linie 69 stellt die relativen Größen der vertikalen Schwingung entlang dem Träger 70 dar. Die quantitativ gemessenen Beschleunigungen waren 2,8 g an der Spitze, ein Maximum von 1,8 g zwischen den Knoten 67 und 68 und 2,0 g am Ende. Im Gegensatz dazu wurden an den in F i g. 3 gezeigten Stellen des Bodens 71 Werte von 0,08 g, 0,2 g und 0,05 g gemessen.

Man erhält also eine wertvolle Entwurfsmöglichkeit bei der die Konstanten des Rotorträgers derart gewählt werden können, daß die Schwingungsknotenpunkte vorteilhaft angeordnet sind.

In Fig.3 ist ein Lastaufnahmeboden 71 von einem entsprechenden Joch im Knoten 66 gehalten. Eine Querstange 72 am Träger 70 erstreckt sich seitlich, um seitlich voneinander entfernte Punkte zur Lastbefestigung zu schaffen. Die Stange 72 bedeutet eine Verlängerung des Trägers 70 und bildet beim Schwingen Schwingungsknoten 73 und 74. An diesen Punkten sind Jochs 75 und 76 mit der Stange 72 gekoppelt so daß eine schwingungsfreie Halterung des Bodens 71 gegeben ist

Die in Fig.4 dargestellte Abwandlung zeigt die Schwingung des Trägers 70 in etwa der gleichen Stärke, wie F i g. 3. Die Schwingung des Bodens 71 ist jedoch durch die Einfügung eines Holms 80 zwischen der Hinterkante des Bodens 71 und dem Träger 70 erheblich verstärkt. Dies zeigt die Wirkung von Kopplungen der bisher bekannten Art. Man erkennt ohne weiteres, daß die Größe der Beschleunigung im Träger selbst nur geringfügig gegenüber den Werten aus F i g. 3 gedämpft ist Gleichzeitig haben die Schwingungen des Bodens 71 eine wesentlich erhöhte Amplitude. Die durch den Holm 80 vom Träger 70 auf den Boden 71 übertragene Energie erhöht dessen Beschleunigungswerte, wie dies durch die gestrichelten Linien 81 und 82 gezeigt ist die die Größe der Beschleunigung an den Kanten des Bodens 71 darstellen. Während die Weite gemäß F i g. 4 Relativwerte sind, zeigt die Anwendung auf einen Flugzeugaufbau überraschend starke Verringerungen der Schwingung im lasttragenden Bereich.

In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt In: Grundaufbau eines Hubschraubers ist ein Rotorträger 100 mit einem Hauptträger mit einer Dachverkleidung 102 und Landekufen 103 vorgesehen. Der Hauptträger enthält einen vertikalen Abschnitt 101, der

einen Motoren- und Pylonbefestigungsteil darstellt. Ein sich horizontal erstreckender Abschnitt 104 ist einstükkig mit dem vertikalen Abschnitt 101 ausgebildet. Der Trägeraufbau 101, 104 schwingt in der vorstehend beschriebenen Weise in Abhängigkeit von der durch den Rotor induzierten Kraft.

Bei diesem Aisführungsbeispiel ist ein gestrichelt dargestellter Kabinenaufbau 105 vom Abschnitt 104 getragen und an die Verkleidung 102 angepaßt. Insbesondere verlaufen die Auslegerträger 106 und 107 im hinteren Bereich des Kabinenaufnahmeteils seitlich vom Abschnitt 104 weg, während die Träger 108 und 109 im vorderen Bereich des Kabinenaufnahmeteils sich von diesem Abschnitt seitlich nach außen erstrecken. Die Träger 106 bis 109 schwingen und können so dimensioniert sein, daß an den Stellen 106a bis 109a Schwingungsknotenpunkte entstehen. Der Kabinenaufbau 105 kann dann an den Knotenpunkten 106a bis 109a an den Trägern 106 bis 109 befestigt werden.

Ein einstückig mit dem Abschnitt 104 ausgebildeter, kleinerer Trägerabschnitt erstreckt sich nach vorn. Auf dem Ende des Trägers 110 kann beispielsweise eine Batterie 111 oder eine andere derartige Last befestigt sein. Dieser Träger 110 ist zweckmäßigerweise so dimensioniert und belastet, daß er an der Stelle UOa einen Schwingungsknotenpunkt bildet. An dieser Stelle werden Gelenke oder Gestänge befestigt, die zur Rotorsteuerung führen, wodurch diese vom Piloten in der Kabine betätigte Steuerung gegen Schwingungskräfte isoliert wird. Somit können in jedem Fall die lasttragenden Bereiche starr und direkt am Rotorträger befestigt werden. Selbst wenn dieser Rotorträger sehr stark schwingt, sind die lasttragenden Bereiche des Hubschraubers bzw. Flugzeuges gegenüber derartigen Schwingungen isoliert

F i g. 6 zeigt einen Aufbau mit einem Verbundträger zur Mehrfrequenzisolierung. Ein Rahmenelement 210 bildet einen Teil eines Rotorträgers, an dem der Aufbau befestigt ist und von dem er herabhängt. Das Element 210 trägt einen Primärträger 212 mit einer Masse 214 am freien Ende. Der Träger 212 ist ein Ausleger, der am Rahmenelement 210 befestigt ist Der Träger schwingt in Abhängigkeit von den vom Rotor induzierten Kräften, so daß sich zwischen dem Element 210 und der Masse 214 ein Schwingungsknotenpunkt 216 ergibt Obwohl das Element 210 sehr stark schwingt und die Masse 214 ebenfalls einer induzierten Schwingung ausgesetzt ist entsteht keine oder nur eine geringe Schwingung am Punkt 216.

Ein zweiter Träger 218 ist am Träger 212 befestigt und liegt in der gleichen Ebene wie dieser. An seinem Ende ist eine zweite Masse 220 befestigt Der Träger 218 ist so aufgebaut, daß sich im Zuge seines Längsverlaufes ein Schwingungsknotenpunkt 222 ergibt

Der Träger 212 ist vorzugsweise zu 90% auf die vom Hauptrotor induzierten, zu isolierenden Harmonischen abgestimmt, so daß der Knoten 216 nahe dem Einspannende des Trägers liegt Der mit dem Träger 212 verbundene zweite Träger 218 ist zu 90% auf die höhere, zu isolierende Frequenz abgestimmt Somit stellt der Punkt 222 einen Schwingungsknoten für beide Frequenzen dar.

Am Punkt 222 läßt sich irgendeine Masse mit sehr hoher Isolierung gegen beide Frequenzen befestigen.

Der Teil des Trägers 212 zwischen dem Schwingungsknotenpunkt 216 und dem Rahmenelement 210 führt infolge der auf den Träger 212 durch Schwingung der Masse 220 ausgeübten Kräfte sowohl Torsions- als auch Biegeschwingungen aus. Der Träger 280 unterliegt einer Biegeschwingung. Beim Entwurf des Trägers 212 kann somit sowohl die Torsionsfederkonstante als auch die Biegefederkonstante berücksichtigt werden. Zum Entwurf des Trägers 280 wird dessen Biegefederkonstante verwendet.

Das Gestänge am Schwingungsknotenpunkt 222 sollte der Stoßwirkung des Trägers 218 nicht entgegenwirken. Dies wird durch eine kardan- oder kugelartige Kupplung erreicht, die die Überlagerung unerwünschter Reaktionskräfte auf die Stoßbewegung des Trägers durch die vom Träger gehaltene Last verhindert.

Das in F i g. 6 gezeigte System ist in F i g. 7 in

montiertem Zustand zu erkennen, wobei der Rotorträger 300 ohne den Pylon dargestellt ist Der Rotorträger 300 hat einen Grundrahmen 301, der einen Dachaufbau 302 und einen hinteren Rumpf 302a trägt. Die Landeeinrichtung mit Kufen 303 ist am Grundrahmen 301 befestigt und wird von ihm gehalten. Zum Schutz der Insassen und der Fracht gegen Windkräfte ist eine Abdeckung 305 vorgesehen.

Der Boden (nicht gezeigt) der Kabine ist frei von Schwingungen bei der vom Hauptrotor im wesentlichen induzierten Frequenz und von Vielfachen dieser Frequenz, beispielsweise der Harmonischen von sechs pro Umdrehung, gehaltert. Vier Verbundträger der in Fig.6 gezeigten Art erstrecken sich seitlich vom Grundrahmen 301. Die Träger 311, 312, 313 und 314 haben jeweils einen Zweifrequenz-Schwingungsknotenpunkt, etwa die Punkte 321, 322, 323 und 324. Der Bodenaufbau für die Kabine kann dann an den Punkten 321 bis 324 befestigt sein, so daß vom Boden gehaltenes Frachtgut und Personal gegenüber im Rotorträger vorhandenen Schwingungen von zwei und sechs je Umdrehung isoliert ist.

Es ist bekannt daß Hubschrauber beim Steigflug verhältnismäßig frei von Schwingungen bei der Hauptrotorfrequenz von zwei pro Umdrehung sind.

Während der Vorwärtsbewegung werden im Rotorträger 300 vertikale Schwingungen induziert, wie dies durch den Pfeil 330 angedeutet ist Die Schwingungen sind charakteristisch für einen gegebenen Aufbau, d. h. die Reaktion eines Aufbaus unterscheidet sich von der

Reaktion eines anderen Aufbaus.

Die Träger 311 bis 314 können starr am Rotorträger befestigt sein, um den lasttragenden Bereich zu halten, der in der gewünschten Weise gegen Schwingungen verschiedener Frequenzen isoliert ist

so In Fig.8 ist eine geeignete Kopplung am Schwingungsknotenpunkt 321 des Trägers 311 gezeigt. Der Träger 311 hat eine kugelförmige Fassung 340 zur Aufnahme des kugelförmigen Kopfes eines Bolzens 342. Am Träger ist mittels Schrauben 346 eine Platte 344 befestigt, um den kugelförmigen Kopf des Bolzens 342 zu halten. Durch diese Verbindung kann der Träger 311 Stoß- oder Schwingungsbewegungen ausführen, ohne daß die Kopplung über den Bolzen 342 eine Gegenwirkung durch die Last hervorruft In der dargestellten Ausführung kann die Last von einem

Bodenelement 346 gehalten werden, das zwischen Scheiben 348 und Muttern 350 am Bolzen 342 befestigt

ist

Es ist klar, daß elastische Befestigungen auch zur

Kopplung mit dem Träger 321 benutzt werden können, damit eine Lasthalterung ohne Gegenwirkung auf die Stoßbeweeiirnr prreicht wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Drehflügelflugzeug mit einem Rotorträger, der durch den umlaufenden Rotor in Biegeschwingungen versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugzeugkabine (50; 105; 305) an denjenigen Stellen (40,41; 106a bis 109a; 321 bis 324) des Rotorträgers (10; 100; 300) befestigt ist, an denen Knotenpunkte der vom Rotor (14) induzierten Biegeschwingungen entsprechend dem Betriebspunkt im Reiseflug auftreten.

2. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Rotorträger (Rahmenelement 210) ein erster Auslegerträger (212) befestigt ist, der sich mit seiner Längsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Richtung der zu isolierenden Schwingung erstreckt und einen ersten Knotenpunkt (216) der Primärfrequenz der isolierenden Schwingung aufweist, und daß im Bereich des ersten Knotenpunktes (216) am Auslegerträger (212) ein zweiter Auslegerträger (218) befestigt ist, der einen zweiten Knotenpunkt (222) einer Frequenz, die ein Vielfaches der Primärfrequenz ist, aufweist

3. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Knotenpunkt eine aus einem kugelförmigen Kopf und einer diesen aufnehmenden, kugelförmigen Fassung (340) bestehende Kupplung angebracht ist.

4. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch mehrere am Rotorträger (300) angebrachte erste und zweite Auslegerträger.

5. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den freien Enden der ersten und zweiten Auslegerträger Abstimmgewichte befestigt sind.