DE2318022C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugzeug, das sich insbesondere zum Transport extrem hoher Nutzlasten eignet.

Ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung eines Hubsystems für Luftfahrzeuge ist in der US-PS 33 72 891 offenbart, die eine Flügelkonstruktion beschreibt, bei der der Flügel einen Tragflächenteil aufweist, der einen Auftrieb erzeugt, sobald die Tragfläche durch Luft hindurchbewegt wird. Zu dem Tragflächenteil gehört ein Rotor, der sich in einer halbkreisförmigen Konfiguration dreht, die von der Hinterkante der Tragfläche begrenzt wird. Der Rotor hat mehrere Rotorblätter, deren Spitzen sich in einer Ebene drehen. Die Rotationsebene der Blattspitzen schneidet die Hinterkante der Tragfläche, und die Blattspitzen liegen innerhalb des Profils der Hinterkante. Der Vorteil des in der obigen Patentschrift beschriebenen Konstruktionsprinzips ist darin zu sehen, daß die Verwendung des Rotors die Auftriebseigenschaften der Flügelkonstruktion gegenüber einer aus einer Tragfläche und einem Rotor bestehenden Konstruktion erheblich verbessert, bei der der Rotor nicht in der in der obigen Patentschrift beschriebenen Weise mit der Tragfläche verbunden ist. Im Grunde wird dadurch erreicht, daß der rotierende Rotor die Luftströmung über die Oberseite der Tragfläche verstärkt und die Strömung quer über die Unterseite der Tragfläche verringert. Dies hat zur Folge, daß der Wirkungsgrad der Tragfläche vergrößert wird. Dazu kommt, daß dann, wenn die Spitzen der Rotorblätter umlaufen, an diesen Spitzen dort ansässige Wirbel erzeugt werden, die zu einer zusätzlichen Auftriebskraft führen, welche auf die Unterseite die Tragfläche einwirkt. Demzufolge wird eine Flügelkonstruktion mit erheblich verbesserten Antriebseigenschaften geschaffen, bei der die Druckkräfte des Motors wie auch des Flügels sich addieren und die Tragflächen wesentlich effektiver gemacht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem gattungsgemäßen Flugzeug diese in bezug auf die Lastentragfähigkeit mit zum Teil herkömmlich bekannten Mitteln zu optimieren.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 stellt eine besonders günstige Lösung für diesen Anwendungsfall dar.

Dies führt dazu, daß das erfindungsgemäße Flugzeug in Abhängigkeit von der Größe seiner Bauteile in der Lage ist, Nutzlasten von etwa 2500 Tonnen zu tragen. Aufgrund der außergewöhnlichen Nutzlast, die das erfindungsgemäße Flugzeug transportieren kann, läßt sich das Flugzeug auch zur Beförderung von flüssigem Erdgas oder Rohöl aus Gebieten einsetzen, die sich durch schwieriges Terrain und gefährliche Umweltbedingungen kennzeichnen, wie beispielsweise die arktischen Inseln von Kanada und der nördliche Teil von Alaska. Tatsächlich würde eine Flotte aus solchen Flugzeugen eine wirksame und praktikable Alternative zu einer Pipeline für den Transport solcher Stoffe aus diesen Zonen darstellen.

Als besonders vorteilhaft ist dabei eine Neigung der Rotorachse um ca. 10° von der Vertikalen aus nach vorne anzusehen, um ein besonders günstiges Verhältnis von Auftriebs- und Vortriebskräften zu erhalten. Je nach Platzbedarf für Auftriebsmedium bzw. Nutzlast können die mit den Flügelenden verbundenen Begrenzungskörper zylindrisch oder auch in Form stehender Platten angeordnet sein, die natürlich jeweils mit stromliniengünstigen Anfangs- und Endbereichen versehen sind. Dabei sollten diese Begrenzungskörper jeweils nach oben und unten über den höchsten bzw. tiefsten Punkt wenigstens einer Tragfläche hinausgehen.

Insgesamt erscheinen Konstruktionen mit zwei oder drei Tragflächen als besonders vorteilhaft, wobei jedoch der lichte Abstand zwischen der ersten und letzten Tragfläche nicht mehr als etwa 70% der Tragflächenspannweite betragen sollte.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische, etwas bildhafte Darstellung eines erfindungsgemäßen Flugzeugs,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Flugzeugs,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Flugzeugs von Fig. 1,

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Teils des in Fig. 1 gezeigten Flugzeugs,

Fig. 5 eine schematische Ansicht der Tandembeziehung der Tragflächen des Flugzeugs sowie der Wirkung der Rotoren auf den Tandemflügeln, die sie aufeinander ausüben,

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung der Abhängigkeit zwischen Winkellage des Rotors und der Erzeugung eines erheblichen Vorwärtsschubs,

Fig. 7 eine schematische Draufsicht eines Teils einer Rotor- und Tragflächenkonstruktion,

Fig. 8 eine schematische, bildhafte Darstellung der Rotor-Flügel-Konstruktionsverhältnisse,

Fig. 9, 10, 11 und 12 schematische, bildhafte Darstellungen der Luftströmung, die rund um die verschiedenen aerodynamischen Konstruktionen stattfindet, und

Fig. 13 eine graphische Darstellung des Hubvermögens der einzelnen aerodynamischen Konstruktionen.

Das im folgenden beschriebene Flugzeug eignet sich insbesondere zum Transport von verflüssigtem Erdgas oder Rohöl von Plätzen auf der Erde, die schwer zu erreichen sind und möglicherweise auf andere Weise praktisch nicht zugänglich sind, und zwar auch nicht einer Erschließung durch Förderleitungen.

Das neuartige Flugzeug ist schematisch und bildhaft in Fig. 1 dargestellt und mit 10 bezeichnet. Es weist zwei mit Abstand getrennte Konstruktionseinheiten 11, 12 auf, die auch Nutzlastträger sein können. Das Flugzeug 10 ist ferner mit mehreren Tragflächen 14, 16 und 18 ausgestattet. Die äußeren gegenüberliegenden Enden der Tragflächen 14, 16 und 18 sind mit Auftriebseinheiten verbunden, welche leichter als Luft sind. Die Nutzlast läßt sich auch in den Begrenzungskörpern 20 und 22 und in den Flügeln 14, 16, 18 genauso wie in den obenerwähnten Konstruktionseinheiten 11, 12 befördern.

Die Konstruktionseinheiten und Nutzlastträger 11 und 12 können eine an sich beliebige, herkömmliche Bauweise aufweisen und sind in der Zeichnung als in etwa strömlinienförmige, langgestreckte Lagerbehälter dargestellt, die Kammern zur Aufnahme irgendeiner Nutzlast, beispielsweise verflüssigtes Erdgas, Erdöl od. dgl., bilden. Bei den Nutzlastträgern 11 und 12 sind Rumpfspanten, Spannhaut und Zellenkonstruktion so ausgebildet, daß sie die vorgesehene Last befördern können, wobei jede beliebige geeignete Bauweise Verwendung finden kann.

Das Flugzeug 10 ist mit einem mit 40 bezeichneten Flugdeck versehen. Auf den vorderen Enden der Auftriebseinheiten 20 und 22 können Beobachtungsgondeln 41 und 42 vorgesehen werden. Darüber hinaus sind allgemein mit 43 bezeichnete Fahrgestelle vorhanden, die zum Landen und Starten des Flugzeugs dienen. Das Flugzeug hat auf jeder Auftriebseinheit 20 und 22 einen Steuerruderteil, der zur Flugzeugstabilisierung dient. Das Flugzeug ist in der Lage, im wesentlichen vertikal abzuheben und zu landen und könnte auch so gebaut werden, daß es von Wasseroberflächen, Schneeflächen etc. abheben oder auf solchen Flächen landen kann.

Die Begrenzungskörper 20 und 22 kennzeichnen sich durch eine Konstruktion, die leichter als Luft ist. Die Einheit 22 setzt sich, wie aus Fig. 2 ersichtlich, aus mehreren Kammern 24 zusammen. Jede Kammer kann Helium aufnehmen. Das Helium befindet sich vorzugsweise in Säcken, die in den Kammern 24 angeordnet sind. Sobald die Heliumsäcke in den Auftriebseinheiten angeordnet sind, erzeugen diese Einheiten natürlich, da sie leichter als Luft sind, eine erhebliche Auftriebskraft, die auf das Flugzeug einwirkt. In einem für diese Zwecke gebauten Flugzeug der obigen Art, das eine Nutzlast von 2500 Tonnen transportiert, kann der durch die Begrenzungseinheiten 20, 22 erzeugte Auftriebseffekt in der Größenordnung von 800 Tonnen liegen. Die von den Begrenzungseinheiten 20, 22 erzeugte Hubkraft kann das Gewicht des Flugzeugs übersteigen. In solchen Fällen sind dann geeignete Vorrichtungen, beispielsweise Ballast oder Zugseile vorzusehen, die verhindern, daß das Flugzeug im unbeladenen Zustand aufsteigt.

Die Tragflächenkonstruktion 14 enthält mehrere Tragflächenteile 26, 28 und 30. Der Tragflächenteil 26 ist mit der Auftriebseinheit 20 und dem Nutzlastträger 11 verbunden. Der Tragflächenteil 28 ist mit dem Nutzlastträgern 11 und 12 verbunden. Der Tragflächenteil 30 schließlich steht mit dem Nutzlastträger 12 in Verbindung sowie mit der Auftriebseinheit 22. Diese Tragflächenteile 26, 28 und 30 können jedoch Teil einer einzigen, durchgehenden Tragfläche sein, die sich durch die Nutzlastträger 11, 12 hindurcherstreckt. Die Tragfläche 18 ist in gleicher Weise aufgebaut und besitzt drei Teile oder Abschnitte 26 a, 28a und 30 a, die gleichermaßen in Verbindung stehen, wie dies bei der Tragfläche 14 oben erläutert wurde.

Die Tragflächenkonstruktionen 14 und 18 sind an den Nutzlastträgern und den Begrenzungskörpern im wesentlichen in deren Mitte befestigt und liegen etwa zentral in bezug auf die senkrechten äußersten Enden des Flugzeugs. Die Auftriebseinheiten 20 und 22 haben einen beträchtlichen Durchmesser, der etwa bei 43 m liegt, und sind zentral an den äußeren Spitzen der Tragflächenabschnitte 26, 26 a und 30, 30 a angebracht. Die Begrenzungseinheiten 20, 22 haben Teile, die sich über den Tragflächenspitzen befinden sowie Teile, die unter die Tragflächenspitzen ragen. Diese Teile bilden gewissermaßen Stirn- oder Endplatten der Tragflächenspitzen und verringern insbesondere die Luftströmung über die Tragflächenspitzen zwischen der Unterseite und der Oberseite der Tragflächenspitzen. Tatsächlich lenken die Begrenzungskörper die Luftströmung über die Flügelabschnitte hinweg und neigen dazu, den Auftriebswirkungsgrad der Tragflächenkonstruktionen 14, 18 auf Höchstwerte zu bringen. Die Tragflächenkonstruktion 16 besteht aus einer einzelnen Konstruktionseinheit, die sich zwischen den oberen Teilen der Auftriebseinheiten 20 und 22 erstreckt und über dem oberen Teil der Nutzlastträger 11 und 12 liegt. Die Tragflächenkonstruktion 16 ist natürlich mit den oberen Teilen der Nutzlastträger 11 und 12 sowie der Auftriebseinheiten 20 und 22 verbunden. Die Begrenzungseinheiten 20, 22 bilden die Stirn- oder Endplatte der Tragflächenkonstruktion 16, indem sie eine Luftströmung von der Unterseite der Tragfläche zu der Tragflächenoberseite um die Tragflächenspitze herum verhindert und dadurch den Auftriebswirkungsgrad der Tragflächenkonstruktion 16 auf einen Höchstwert steigert.

Aus dem obigen ergibt sich, daß die auf die Tragflächenkonstruktionen 14, 16 und 18 einwirkenden Hubkräfte auf diese durch die Nutzlastträger 11, 12 und die Begrenzungseinheiten 20, 22 übertragen werden, und daß für die zu transportierenden Gewichte die richtige konstruktive Auslegung sowohl der Tragfläche als auch der Verbindungen der Tragfläche mit den Begrenzungseinheiten 20, 22 und den Nutzlastträgern 11, 12 erforderlich ist.

Um das Hubvermögen bzw. den Auftrieb des Flugzeugs erheblich zu vergrößern, ist jede Tragflächenkonstruktion 14, 16 und 18 mit einem Ansaug-Lufthubsystem versehen. Wie aus der dargestellten Ausführungsform hervorgeht, besitzt die Tragflächenkonstruktion 14 und insbesondere ihr Abschnitt 30 eine Vorderkante 50 und eine Hinterkante 51 (Fig. 2). Die Hinterkante ist so ausgebildet, daß sie zwei halbkreisförmige Aussparungen 52 und 53 begrenzt. Der Abschnitt 30 hat die Form einer Tragfläche und wird von einer Oberseite 55 und einer Unterseite 56 begrenzt, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Der Aufbau des Abschnitts 30 der Tragfläche 14 ist so gewählt, daß die Luftströmung über die Oberseite 55 und die Unterseite 56, sobald sich das Flugzeug 10 durch die Luft hindurchbewegt, auf der Tragfläche in der üblichen Weise eine Hubkraft erzeugt. Die Hubkraft ergibt sich natürlich aufgrund der Tatsache, daß die Luft, die sich über die Oberseite der Tragfläche hinwegbewegt, dies mit einer viel größeren Geschwindigkeit tut, wodurch ein Druckabfall längs der Oberseite der Tragfläche eintritt, während die Luftgeschwindigkeit über der Unterseite geringer ist, wodurch ein höherer Druck auf die Unterseite der Tragfläche bewirkt wird. Dies ist der bekannte aerodynamische Tragflächeneffekt, der zum Entstehen einer Hubkraft führt, die auf die Tragflächen des Flugzeugs einwirkt.

Bei dem dargestellten Flugzeug 10 werden die Rotoren 60, 62 verstärkt. Jeder Rotor weist mehrere Rotorblätter auf, die den halbkreisförmigen Aussparungen 52 und 53 in dem Hinterkantenteil des Tragflächenabschnitts 30 zugeordnet sind. Die Rotorblätter sind so angeordnet, daß ihre Spitzen ganz nahe an dem Hinterkantenteil liegen, der die Oberfläche des Halbkreises begrenzt, jedoch von dieser Kante einen ausreichenden Abstand aufweisen. Die Rotorblätter haben Spitzen, die um eine im allgemeinen vertikale Achse rotieren, welche, wie aus Fig. 1 hervorgeht, etwa der Achse der halbkreisförmigen Aussparung entspricht, der die Rotorblätter zugeordnet sind. Die Spitzen der Blätter 60, 62 rotieren in einer Ebene, die sich lotrecht zu der Oberfläche erstreckt, welche die halbkreisförmige Hinterkantenoberfläche begrenzt, und die die halbkreisförmige Hinterkantenoberfläche der Tragflächen schneidet.

Wenn sich die Rotorblätter 60 und 62 drehen, vergrößert sich die Geschwindigkeit, mit der sich die Luft über die Oberseite 55 des Tragflächenabschnitts 30 hinwegbewegt, indem die Luft schneller über die Oberfläche hinweggezogen wird, wie dies durch den Strömungspfeil B angedeutet ist, während sie gleichzeitig die Luft verdichten oder den Luftdruck unter dem Tragflächenabschnitt 30 erhöhen und zusätzlich die Strömungsgeschwindigkeit über der Unterseite der Tragfläche verlangsamen, wie dies durch den Strömungspfeil C angedeutet wird (siehe Fig. 6). Als Folge dessen unterstützen die Rotorblätter 60, 62 die Hub- oder Auftriebswirkung des Tragflächenflügelabschnitts 30, dem sie zugeordnet sind.

Dazu kommt, daß beim Rotieren der Rotorblätter an den Blattspitzen, die an der halbkreisförmigen Hinterkante vorbeilaufen, ein Wirbel erzeugt wird, wie dies aus Fig. 8 hervorgeht. Diese Wirbelbildung erzeugt eine Luftströmung, die eine zusätzliche Auftriebskraft auf die Unterseite der Tragfläche ausübt. Der Wirbel tritt hinter jedem Rotorblatt auf und wird in der Zeichnung schematisch durch die Strömungspfeile A dargestellt, wie sie aus den Fig. 6, 7 und 8 entnehmbar sind.

Zusätzlich zu der Wirbelbildung und der Verbesserung der Tragflächenwirkung erzeugen die Rotorblätter einen vertikalen Schub, der sich in etwa mit dem Schub eines Hubschrauberblattes vergleichen läßt und von dem eine zusätzliche Hubkraft ausgeht, die auf den Flügelabschnitt 26 einwirkt.

Die Rotorblätter 60, 62 werden durch eine passende Antriebsvorrichtung angetrieben, der Energie oder Brennstoff zugeführt wird. Dazu kommt, daß die Blätter 60, 62 von dem Tragflächenabschnitt 30 getragen werden, mit dem sie durch einen Holmstützteil 69 verbunden sind, der in der Lage ist, den vertikalen Schub der Blätter 60, 62 auf die Tragflächenkonstruktion zu übertragen.

Aus den Zeichnungen geht hervor, daß der Abschnitt 26 des Flügels 14 sowie der Abschnitt 28 des Flügels 14 ebenfalls zwei Rotoreinheiten aufweisen, die mit ihnen in Verbindung stehen und mit 65-68 bezeichnet sind. Alle diese Rotoreinheiten sind mit ihrem zugehörigen Tragflächenabschnitt in der gleichen Weise verbunden und sind auch konstruktiv ebenso aufgebaut, wie dies in Verbindung mit den Rotoreinheiten 60 und 62 oben beschrieben worden ist.

Nicht nur die Tragfläche 14 hat sechs Rotoreinheiten, die ihm zugeordnet sind, sondern auch die Tragfläche 16, dessen Rotoreinheiten mit 70 bis 75 bezeichnet sind. Die Tragfläche 18 ist ebenfalls mit sechs Rotoreinheiten versehen, die mit 80 bis 85 bezeichnet sind und ihm zugeordnet sind. Die Rotoreinheiten sind alle auf den verschiedenen Tragflächen in demselben Abstand zueinander so angeordnet, daß eine durch die Mitte jeder Rotoreinheit gezogene Linie mit der Hinterkante des Teils der Tragfläche zusammenfällt, der sich zwischen den Rotoreinheiten befindet.

Aus dem obigen ergibt sich, daß die Rotoreinheiten, die zu den verschiedenen Tragflächenabschnitten gehören, das Hubvermögen des Flugzeugs 10 gegenüber demjenigen der Tragflügelabschnitte ohne Rotoreinheiten außerordentlich verstärken. Anzahl und Größe der Rotorblätter sowie die Größe der Antriebsvorrichtungen für den Blätterantrieb, die zu den Tragflächenabschnitten gehören, lassen sich natürlich noch weiter erhöhen, um dadurch das Hubvermögen oder das Tragvermögen des Flugzeugs 10 noch mehr zu steigern. Obgleich in der Zeichnung sechs Rotoreinheiten als zu jeder Tragflächenkonstruktion gehörig dargestellt sind, läßt sich auch irgendeine andere Anzahl Rotoreinheiten der Tragfläche zuordnen, um dadurch den gewünschten Nutzlasterfordernissen zu entsprechen.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Rotoreinheiten, die zu den einzelnen Tragflächenkonstruktionen gehören, dem Flugzeug 10 eine außerordentlich hohe Tragkraft verleihen. Diese Rotoreinheiten dienen aber auch dazu, das Flugzeug vorwärtszutreiben. Dieser Vortriebeffekt wird durch die Rotorblätter dadurch erzeugt, daß diese eine Drucksteigerung im Bereich unterhalb der Rotorblätter bewirken sowie in radialer Richtung außerhalb der Blattspitzen. Diese durch die Blattspitzenwirkung erzeugte Druckerhöhung läßt einen Vorwärtsschub entstehen, der durch den Pfeil D in der Zeichnung gekennzeichnet wird und auf den Hinterkantenteil der Tragfläche einwirkt. Dieser Vorwärtsschub ist in der Lage, das Flugzeug vorwärtszutreiben.

Um die Vortriebswirkung der Rotorblätter erfindungsgemäß weiter zu steigern, wie dies am besten aus Fig. 6 hervorgeht, sind die Rotorblätter in Vorwärtsrichtung schräggestellt. Zusätzlich zu dem Vorwärtsdruck, der durch den Druckpfeil D dargestellt wird und auf die Hinterkantenfläche einwirkt, erzeugen die Rotorblätter aufgrund ihrer Vorwärtsneigung eine Druckkomponente in Vorwärtsrichtung. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Rotationsachse der Blätter um etwa 10° aus der Vertikalen verschoben, so daß die Drehebene der Blätter, die in Fig. 6 mit X bezeichnet ist, die Richtung der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs während des Reiseflugs unter einem Winkel von etwa 10° schneidet. Der halbkreisförmige Hinterkantenteil verläuft, wie aus Fig. 6 hervorgeht, parallel zur Rotationsachse der Blätter und schließt gleichermaßen mit der Vertikalen einen Winkel von 10° ein.

Obgleich im obigen das Zusammenspiel der Rotoreinheiten mit der Tragfläche, der sie zugeordnet sind, im einzelnen beschrieben wurde, ist für die vorteilhafte Wirkung der Rotoreinheiten eine Tandemtragflügelanordnung von Bedeutung. In Fig. 5 ist diese Wirkung schematisch dargestellt. In Fig. 5 sind die Tandemflügel 14, 16 im Schnitt gezeigt, wobei nur ein Rotor jeder Tragfläche zugeordnet ist. Selbstverständlich lassen sich auch noch weitere Rotoren den einzelnen Flügeln zuordnen.

Wenn sich das Flugzeug 10 durch die Luft bewegt, wirken die Rotoren auf eine große Luftmasse oberhalb und unterhalb des Flugzeugs ein, und diese Luftmassen bewegen sich langsam abwärts und bezüglich des Flugzeugs nach hinten, wie dies allgemein durch die Strömungspfeile 90 in Fig. 5 angedeutet ist. Jeder Rotor auf jeder Tragfläche verursacht eine Bewegung großer Luftmassen. Wenn die Tragflächen in Tandemanordnung zueinander angeordnet sind, so erzeugt jede Tragfläche eine abwärts und rückwärts gerichtete Bewegung eines Teils der Luftmenge oder Gasmenge in der Nähe der anderen Tragfläche. Wie schematisch aus Fig. 5 durch die voll ausgezogenen Pfeile hervorgeht, erzeugt der zu der Tragfläche 14 gehörende Rotor 60 eine abwärts und rückwärts gerichtete Bewegung eines Teils der Luftmasse in der Nähe der Tragfläche 16, und umgekehrt erzeugt der Rotor 70 eine abwärts gerichtete Bewegung der in der Nähe der Tragfläche 14 befindlichen Luftmasse, wie dies durch die gestrichelt gezeichneten Pfeile verdeutlicht wird. Die Wirkung jedes Rotors auf seine Nachbartragfläche ist natürlich nicht so groß wie die Wirkung auf seine eigene Tragfläche.

Demzufolge findet bei jeder Tragfläche eine abwärts und rückwärts gerichtete Luftströmung rund um die Tragfläche statt, die durch die Tragfläche selbst sowie durch die zu ihm gehörenden Rotoren erzeugt wird und durch die Wirkung der Rotoren der Nachbartragfläche. Daraus folgt, daß der Gesamthub, der auf das Flugzeug einwirkt, sich aus dem Hub der Tragfläche 14, dem Hub der Tragfläche 16, dem Hubanteil der Tragfläche 14, der durch die Tragfläche 16 hervorgerufen wird, sowie den Hubanteil der Tragfläche 16, der durch die Tragfläche 14 bewirkt wird, zusammensetzt. Daraus ergibt sich, daß die von den Tandemtragflächen 14 und 16 erzeugte Hubkraft oder Tragkraft größer ist als das Zweifache derjenigen Hubkraft, die von einer der beiden Tragflächen alleine erzeugt wird. Demzufolge wird durch die Tandemtragflächen eine erhebliche Verbesserung des Tragsystems erreicht.

Der Abstand der Tragflächen 14 und 16 ist insofern von Bedeutung, als die eine Tragfläche die gewünschte Wirkung auf die Nachbartragfläche ausübt. Der Abstand zwischen den Tandemtragflächen 14 und 16 sollte nicht größer sein als etwa 7% der gesamten Tragflächenspannweite jeder Tragfläche. Mit anderen Worten, der mit 79 in den Fig. 2 und 5 bezeichnete Abstand kann bis zu 7% des Innenabstands zwischen den Begrenzungseinheiten 20, 22 betragen.

Bei der Wahl des kleinsten Abstandes oder Zwischenraums zwischen den Tandemtragflächen muß die aerodynamische Wirkung der vorderen Tragfläche auf die hintere Tragfläche berücksichtigt werden. Für den Fall, daß die Tragflächen in derselben Ebene nahe beieinander angeordnet sind, wird durch die vordere Tragfläche eine schädliche Wirkung auf die hintere ausgeübt. Im einzelnen bedeutet dies, daß der Angriffswinkel oder derjenige Winkel, unter dem die Luft im allgemeinen die hintere Tragfläche anströmt, ungeeignet ist, so daß selbst bei der bevorzugten Ausführungsform die Tragfläche 16 einen vertikalen Abstand aufweist, um die Wirkung des Anströmwinkels auf ein Mindestmaß zu beschränken.

Dazu kommt, daß die Rotoreinheiten auf der vorderen Tragfläche die Luftströmung der hinteren Tragfläche beeinflussen. Die halbkreisförmigen Aussparungen 52, 53 in der Hinterkante des Vorderflügels ragen um etwa die Hälfte des obigen Abstandes über die Tragflächensehne hinaus. Demzufolge ragen die Rotorblätter um etwa die Hälfte einer Tragflächensehne aus der Hinterkante der vorderen Tragfläche heraus. Daraus folgt, daß die hintere Tragfläche, falls sie sich in der Ebene der vorderen Tragfläche befinden würde, rein körperlich so angeordnet werden müßte, daß sie wenigstens so ausreichend weit entfernt von der vorderen Tragfläche ist, daß die Rotorblätter der vorderen Tragfläche nicht behindert werden. Der Abstand zwischen den Tragflächen 16 und 18 sollte in ähnlicher Weise gewählt werden, um die Vorteile der Tandemwirkung zu erreichen.

Die gegenseitige Beeinflussung von Rotor und Tragfläche in Verbindung mit der zwischen den in Tandemanordnung vorhandenen Tragflächen stattfindenden Wirkung läßt sich anhand von sich näherungsweise ergebenden Strömungslinien der Luft begutachten, wie dies in den Fig. 9, 10, 11 und 12 gezeigt wird. In Fig. 9 ist die ungefähre Luftstromkonfiguration für einen Rotor allein dargestellt, der sich durch eine Luftmenge auf eine Weise vorwärtsbewegt, wie sie in etwa bei einem Hubschrauber beobachtet werden kann.

Fig. 10 zeigt eine angenäherte Luftströmungskonfiguration für einen solchen Rotor, der mit einer Tragfläche zusammenarbeitet. Es wird darauf hingewiesen, daß eine größere Luftmenge veranlaßt wird, sich abwärts und über die aus Tragfläche und Rotor bestehende Kombination zu bewegen, als dies in Fig. 9 bei dem Rotor der Fall ist, der unabhängig von der Tragfläche arbeitet. Tatsächlich entsteht, wenn die Tragfläche mit dem Rotor zusammenarbeitet, ein Stromlinienbild der Luft, das sich mit demjenigen vergleichen läßt, das beobachtet werden kann, wenn die Rotorblätter theoretisch während des vorderen Teils ihrer Drehbewegung verlängert würden, um eine Fläche zu überstreichen, die den kombinierten Bereich Tragfläche-Rotor einschließt. Mit anderen Worten, die Rotor-Tragfläche-Kombination wirkt auf die Luft in derselben Weise wie ein sehr viel längerer Rotor in Verbindung mit einer Fläche, die gleich derjenigen des vorhandenen Rotors ist, vermehrt um den Teil der Tragfläche, der sich vor dem Rotor befindet. Dies führt dazu, daß die Leistung über einen großen Bereich verteilt wird, um dadurch den Wirkungsgrad einer sehr geringen Scheibenbelastung zu erreichen, und zwar gemessen als kleiner Bruchteil eines PS pro Flächeneinheit der effektiven gemeinsamen Tragflächen-Rotor-Fläche. Bekanntermaßen steigt die benutzte Leistungsbelastung eines Hubschraubers, gemessen in pro PS gehobenem Bruttogewicht, erheblich an, wenn die Rotorfläche vergrößert wird, um dadurch eine niedrige Scheibenbelastung zu erreichen, und zwar gemessen in PS pro Flächeneinheit der Rotorfläche. Aufgrund der durch das Material gesetzten Grenzen der Festigkeit besteht, was die Größe der Rotorfläche anbelangt, die in einem beliebigen Hubschraubersystem zur Verfügung steht, eine praktische Grenze. Im allgemeinen arbeitet ein brauchbares Hubschraubersystem mit Scheibenbelastungen von etwa 5 PS/m² bis etwa 30 PS/m². Mit dem kombinierten Tragflächen-Rotor-System der hier beschriebenen Art und der durch die US-PS 33 72 891 gegebenen Lehre ist es nunmehr möglich, die auf den Rotor übertragene Leistung über eine sehr viel größere effektive Fläche zu verteilen, die sich aus der Rotorfläche und der Tragflächenfläche zusammensetzt, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Auf dieser Basis besteht die Möglichkeit, effektive Scheibenbelastungen im Bereich von 1 PS/m² bis 10 PS/m² zu erreichen und dadurch eine entsprechend höhere Leistungsbelastung in kp/PS.

Fig. 11 zeigt das angenäherte Strömungsbild, das sich aus der Tandemanordnung der Ansaug-Tragflächen-Rotor-Systeme ergibt.

Fig. 12 läßt das angenähert, effektive Luftströmungsbild für eine einen größeren Abstand voneinander aufweisenden Tandemanordnung der Ansaug-Tragflächen-Rotor-Systeme erkennen. Es wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 12 einer größeren Luftmenge eine wirksame Abwindgeschwindigkeit verliehen wird als in Fig. 11. Wenn die in Tandemanordnung verwendeten Ansaug-Rotor-Systeme weiter auseinanderbewegt werden, dann arbeitet jedes System unabhängig und erzeugt für die zwischen in einer solchen Tandemanordnung angeordneten Systeme befindliche Luft keine Abwindgeschwindigkeit. Demzufolge ist es wichtig, daß die Ansaug- Tragflächen-Rotor-Anordnungen ausreichend nahe beieinander liegen, so daß der zwischen ihnen befindliche Luftstrom durch das Zusammenwirken des vorderen und des hinteren Tragflächen-Rotor-Systems in der in Fig. 12 gezeigten Weise wirksam abwärts getrieben wird. Ferner ist auch wichtig, daß diese Ansaug-Tragflächen-Rotor-Systeme weit genug auseinanderliegen, so daß einer maximalen Luftmenge eine wirksame Abwindgeschwindigkeit verliehen wird, wie in Fig. 12 gezeigt, und nicht nur einem begrenzten Luftvolumen, wie in Fig. 11 gezeigt.

Für jede besondere Kombination aus benutzter Leistung und angewendeten geometrischen Bedingungen hinsichtlich der Tragflächen und des Rotors läßt sich ein optimaler Abstand zwischen den Tandemanordnungen durch experimentelle Messungen oder aerodynamische Berechnungen ermitteln. Die Wirkung des Ansaugens einer großen Luftmenge, der eine wirksame Abwindgeschwindigkeit zwischen den Luftvolumina erteilt werden soll, auf die normalerweise jede Ansaug-Tragflächen-Rotor-Anordnung getrennt einwirkt, verteilt die den Rotoren zugeführte Leistung wirksam über die ganze Fläche, die jedes Tragflächen-Rotor-System einschließt sowie die Fläche, die sich zwischen den in Tandem-Bauweise angeordneten Tragflächen-Rotor-Systemen befindet. Demzufolge ist die effektive Scheibenbelastung, gemessen in PS/m², der diesbezüglichen Fläche sehr klein und reicht von 0,01 PS/m² bis zu 1 PS/m², wobei die effektive Scheibenfläche den ganzen Bereich zwischen den in Tandemanordnung vorhandenen Tragflächen-Rotor-Systemen umfaßt sowie auch die Fläche der Tragflächen-Rotor-Systeme selbst. Wenn die effektive Scheibenbelastung auf diese Weise sehr klein gemacht wird, dann kann die effektive Leistungsbelastung für derartige Tandem-Ansaug-Tragflächen-Rotor-Anordnungen wesentlich erhöht werden.

Fig. 13 zeigt die angenäherte Beziehung zwischen der effektiven Leistungsbelastung in pro PS gehobenen kp auf der senkrechten Skala in Abhängigkeit von der effektiven Scheibenbelastung in kp/m² auf der waagerechten Skala. Wie aus dem Schaubild hervorgeht, hat der Hubschrauber sehr niedrige Wirkungsgrade hinsichtlich der effektiven Hubkraft/PS. Das mit einem Einzelflügel arbeitende Ansaug-Hub-System ist mechanisch in der Lage, eine PS-Verteilung über einen größeren effektiven Bereich zu erreichen, der von 1 PS/m² bis 10 PS/m² reicht, wodurch sich entsprechende effektive Leistungsbelastungen einstellen. Die Tandem-Induktions-Tragflächen-Rotor-Anordnungen können eine weitere Verteilung der Leistung über einen größeren, effektiven Bereich erreichen, so daß die Scheibenbelastung auf Werte von zwischen 0,01 PS/m² bis 1 PS/m² gesenkt wird, wodurch sich eine entsprechende Änderung des effektiven Leistungsbelastungsbereiches ergibt.

Claims (8)

1. Flugzeug mit wenigstens einer Tragfläche, die auf wenigstens einer Teillänge der Abströmkante mit einem halbkreisförmigen Ausschnitt versehen ist, in dem die Rotorblätter eines Rotors drehbar angeordnet sind, wobei die Rotorachse etwa im Kreismittelpunkt des Ausschnittes liegt und die den Ausschnitt begrenzenden Fläche von der Rotorblattebene geschnitten wird, sowie parallel zur Rotorachse verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Rotorachse nach vorne geneigt ist,
• - die von den Rotoren (60, 70) bestrichene Fläche zwischen zwei horizontalen Ebenen liegt, die den obersten bzw. untersten Punkt des Tragflächenprofils beinhalten, wobei diese Fläche mit der Horizontalen einen spitzen Winkel bildet,
• - mindestens zwei Tragflächen (14, 16, 18) vorhanden sind, die an ihren äußeren Enden durch Begrenzungskörper (20, 22) miteinander verbunden sind,
• - der horizontale Abstand der Tragflächen (14, 16, 18) so groß ist, daß die Rotoren mindestens freigängig sind, jedoch höchstens 7% des Innenabstandes zwischen den Auftriebseinheiten (20, 22) beträgt, und
• - die Tragflächen (14, 16, 18) vertikal gestaffelt sind.

2. Flugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Rotoren (60, 70) bestrichene Fläche mit der Horizontalen einen Winkel von 10° bildet.

3. Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungskörper (20, 22) im wesentlichen zylindrisch sind.

4. Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungskörper (20, 22) im wesentlichen plattenförmig sind.

5. Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es drei Tragflächen aufweist.

6. Flugzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Tragfläche höher als die vordere Tragfläche angeordnet ist.

7. Flugzeug nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der lichte horizontale Abstand zwischen den Tragflächen nicht größer ist als 70% der Flügelspannweite.

8. Flugzeug nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungskörper (20, 22) sich nach oben über die Oberseite wenigstens einer der Tragflächenspitzen hinaus erstrecken sowie nach unten über die Unterseite wenigstens einer der Tragflächen.