DE2421524A1

DE2421524A1 - Fahrzeug mit einem den widerstand verringernden, niedrigliegenden entenleitwerk

Info

Publication number: DE2421524A1
Application number: DE2421524A
Authority: DE
Inventors: Sven Erik Larson
Original assignee: LARSON BIRGITTA EVA HELENA; LARSON CATARINA INGRID KRISTIN; LARSON INGRID HELENA; LARSON JAN ERIK GUNNAR; LARSON LARS OLOF ANDERS
Current assignee: LARSON BIRGITTA EVA HELENA; LARSON CATARINA INGRID KRISTIN; LARSON INGRID HELENA; LARSON JAN ERIK GUNNAR; LARSON LARS OLOF ANDERS
Priority date: 1973-05-04
Filing date: 1974-05-03
Publication date: 1974-11-21
Also published as: GB1470718A; SE381016B; NL7405987A; FR2227991A1; FR2227991B1; JPS5030299A; CA1005041A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE

D-8000 Mönchen ei · Arabellastrasse 4 . telefon (osii) 911087

25 377/8

1. Sven Erik Larson

2. Ingrid Helena Larson

3. Catarina Ingrid Kristina Larson

4. Birgitta Eva Helena Larson

5. Jan Erik Gunnar Larson

6. Lars Olof Anders Larson

7. Gunnar Per Gösta Larson

Spänga, Schweden

Fahrzeug mit einem den Widerstand verringernden, niedrigliegenden Entenleitwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug zum Fahren in einem kompressiblen oder inkompressiblen Medium, mit einem Rumpf, welcher einen Tragflügel und ein Entenleitwerk trägt, welches vor der Anströmseite des Tragflügels und in einer Höhe unterhalb der des Tragflügels zum Stabilisieren und Manövrieren des Fahrzeugs um die Nickachse senkrecht zur Längsrichtung des Fahrzeugs angeordnet ist.

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Die bisher angewandte Technik der Stabilisierung von Flugzeugen mittels eines Entenflügels verwendet lediglich die Fähigkeit des Entenflügels zur Aufbringung bzw. Beeinflussung des Nickmoments· Hierbei können abhängig von der Entfernung zwischen Entenleitwerk und Tragflügel zwei getrennte Gruppen unterschieden werden, die lange und die kurze Entenbauweise- Ein Beispiel der ersten Gruppe ist das Entenleitwerk bei dem Flugzeug der Gebrüder Wright und der sogenannte "Moustache" der Flugzeuges Mirage "Milan". Ein Beispiel der zweiten Gruppe ist das Flugzeug "Viggen". Wenn es an einem Rumpf angeordnet ist, erzeugt das Entenleitwerk im ersten Fall einen Auftrieb, der ein wenig grosser als der eines einzelnen Entenleitwerks im freien Fluge ist, weil eine Auftriebssteigerung durch die Rumpf-Sntenleitwerksinterferenz erzielt wird. In letzterem Fall ist das Entenleitwerk absichtlich in einer solchen Lage relativ zum Tragflügel angeordnet, dass eine merkliche Steigerung des Auftriebs des Entenleitwerks durch Interferenz mit der Strömung des Tragflügels erzielt wird. In beiden Fällen wurde der Widerstand der Konfigurationen nicht berücksichtigt.

In der Aerodynamik ist die Verringerung des Widerstandes mittels Interferenz zwischen einem Paar dicht beieinander angeordneter Körper bekannt und wird z.B. beim Formationsflug angewandt. Diese Widerstandsverringerung wurde jedoch nur bei sehr kleinen Anstellwinkeln verwendet, z.B. bei einem Auftrieb in der Nähe des Wertes Null oder bei dem Wert Null. Auch bezieht sich diese Widerstandsverringerung auf das, was im allgemeinen als Null-Widerstand bezeichnet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Fahrzeugkonfigurationen mit Entenleitwerk im Hinblick auf den Widerstand zu vermeiden.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Entenleitwerk eine den Strömungswiderstand verringernde Einrichtung für den Tragflügel beim Manövrieren des Fahrzeugs um die Nickachse bildet.

Die Erfindung benutzt den Vorteil der Erkenntnis, dass eine den Widerstand verringernde Interferenzwirkung erzielt und bis zu mittelgrossen Anstellwinkeln aufrechterhalten wird, d.h. innerhalb des gesamten Anstellwinkelbereichs,der normalerweise in der Militär- und Zivilluftfahrt verwendet wird, wenn eine kurze Entenkonfiguration gemäss der Erfindung verwendet wird. Hiermit wird eine erhebliche Verringerung des notwendigen Schubes beim Landen und beim Manövrieren mit dem Lastfaktor >1, z.B. bei engen Kurven, erzielt. Durch die Erfindung wird eine einfache Einrichtung zum Erzielen einer Verringerung des Widerstandes geschaffen, die in anderer Weise bei herkömmlichen Flügelauslegungen nur mit komplizierten Nasenklappen erzielbar ist. Zusätzlich wird eine vorteilhafte stabilisierende Wirkung erzielt.

Bei Versuchen und mittels halbempirischer Analysen wurde festgestellt, dass eine vorteilhafte aerodynamische Wirkung von der Anordnung der eigentlichen Strömung um ein paar von Tragflächen durch sorgfältiges Anordnen eines Entenleitwerks in bezug auf einen Tragflügel erzielt werden kann. Das Entenleitwerk, das vielleicht (ebenso wie der Tragflügel) jeden Grundriss haben kann, muss vor dem Tragflügel und unterhalb desselben in einen ziemlich engen vorwärts- und abwärtsweisenden Sektor von der Vorderkante des Tragflügels stromauf gesehen angeordnet werden. Wenn das Entenleitwerk in einer optimalen Lage angeordnet ist, mischen sich die Abwindfelder vom Entenleitwerk und vom Tragflügel in der Weise, dass die Ablösung der Strömung an der Vorderkante des Tragflügels unterdrückt

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und bis zu einem höheren Anstellwinkel verzögert wird. Als Folge wird sich eine günstige Entwicklung der Axialkraft der Konfiguration und auch eine Stabilisierung der Strömung um den Tragflügel, welche eine Begradigung der Nickmomentkurve ergibt, einstellen. Die den Widerstand verringernde Wirkung ergibt verschwindenden Trimmwiderstand bei kleinen Mach-Zahlen (M~<o,6 - o,7) und sehr kleinen Trimmwiderstand bei höheren transonischen Geschwindigkeiten.

Die optimale Anordnung des Entenleitwerks in bezug auf den Tragflügel kann nur durch ausgedehnte Versuche in Verbindung mit einer für diesen Zweck entwickelten aerodynamischen Theorie ermittelt werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. la eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Fahrzeugs mit einem Entenleitwerk und einem Tragflügel,

Fig. Ib eine Draufsicht des Fahrzeugs der Fig. la,

Fig. 2a eine schematische Draufsicht, welche die Leitwerks- und Flügelkonfigurationen eines Versuchsmodells darstellt, das für Versuche im Windkanal verwendet wurde,

Fig. 2b eine schematische Seitenansicht eines Modells gemäss Fig. 2a, bei welchem das Entenleitwerk oberhalb der Höhe des Tragflügels angeordnet ist,

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Fig. 2c eine der Fig. 2b ähnliche Seitenansicht,bei welcher das Entenleitwerk jedoch unterhalb der Höhe des Tragflügels angeordnet ist,

Fig. 3a Diagramme, welche experimentelle und berechnete bis 3c Verhältnisse zwischen dem Auftriebskoeffizienten C_T und dem Anstellwinkel --~<- der in Fig. 2 gezeigten

Xj

Konfigurationen veranschaulichen, wenn die Stellung des Entenleitwerks geändert wird,

Fig. 4 ein Diagramm, welches die Verhältnisse zwischen dem Widerstandskoeffizienten C und dem Anstellwinkel χ der in Fig. 2 dargestellten Konfigurationen veranschaulicht,

Fig. 5 ein Diagramm, welches die Verhältnisse zwischen dem Leistungsfaktor L/D und dem Anstellwinkel ·-*■ der in Fig. 2 dargestellten Konfigurationen veranschaulicht,

Fig. 6 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Auftriebskoeffizienten C₁. und dem Widerstandskoeffi-

Li

zienten C_ bei einem bestimmten Versuchsmodell dastellt,

Fig. 7a eine schematische Draufsicht des in Fig. 6 verwendeten Versuchsmodells,

Fig. 7b eine schematiscbe Seitenansicht des in Fig. 7a gezeigten Versuchsmodells,

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf ein Entenleitwerk und einen Tragflügel, und

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Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX der Fig. 8, welcher die möglichen Anordnungen des Entenleitwerks relativ zum Tragflügel darstellt.

In Fig. 1 ist ein Fahrzeug 1 mit einem Rumpf 2 dargestellt, an welchem ein Tragflügel 3, ein Entenleitwerk 4 und ein Seitenleitwerk 5 angebracht sind. Das Entenleitwerk 4, welches kleiner als der Tragflügel 3 ist, ist vor dem Tragflügel und unterhalb der Höhe desselben angeordnet. Das Fahrzeug 1 wird von einem nicht dargestellten Triebwerk angetrieben und kann in einer hier nicht dargestellten Weise Nickmanöver um seine Nickachse

6 ausführen, welche senkrecht zur längsverlaufenden Rollachse

7 des Fahrzeuges verläuft. Das Fahrzeug 1 kann entweder zur Bewegung in Luft, welche ein kompressibles Medium ist, oder in Wasser, welches in inkompressibles Medium ist, gedacht sein.

Um das fundamentale Strömungsphänomen zu verdeutlichen, auf welchem die Erfindung beruht, wird ein Versuchsergebnis ausgewählt, das auf den Seiten 6 und 7 der Druckschrift 1 (Behrbom, H., Basic Low Speed Aerodynamics of the Short-coupled Canard Configuration of Small Aspect Ratio. SAAB TN 6o, 1965) zu finden ist.

In Fig. 2 ist schematisch die Form von zwei in der Druckschrift benutzten Versuchsmodellen dargestellt. Das Modell in Fig. 2 ist eine Modell mit hochliegendem Entenleitwerk, wobei das Entenleitwerk 4 oberhalb der Höhe des Tragflügels 3 angeordnet ist, und das Modell in Fig. 2c ist ein Modell mit niedrigliegendem Entenleitwerk, bei welchem das Entenleitwerk 4 unterhalb der Höhe des Tragflügels 3 angeordnet ist. Bei beiden Modellen hat der Tragflügel ein symmetrisches Kreisbogenprofil, mit einer Profildicke von 5 % und.einem Nasenradius von o,55 % der örtlichen Flügeltiefe. Das Entenleitwerk ist eine flache Platte mit

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abgerundeter (kreisförmig) Vorderkante und einer Dicke von ungefähr 1,5% der Flügeltiefe in der Symmetrieachse. Die Vorderkanten sind sowohl beim Entenleitwerk als auch beim Tragflügel um 65° nach hinten gepfeilt und die Hinterkanten sind um 12° vorgepfeilt. Das Entenleitwerk kann um einen Winkelέ um eine Achse 8 schwenken, die in einer Entfernung von 67 % der Flügeltiefe in der Symmetrieachse von der Spitze 9 des Entenleitwerks entfernt ist. Die Achse 8 ist unmittelbar unterhalb

C O

der Ebene des Entenleitwerks angeordnet. Bei <* „ = 0 sind die Ebenen des Tragflügels und des Entenleitwerks parallel und bilden jeweils einen Anstellwinkel ^c mit der Anströmrichtung V. Die Fläche des Entenleitwerkes 4 beträgt 2o % der Fläche des Tragflügels 3.

In Fig. 3 sind Verhältnisse zwischen dem dimensionslosen Auftrie'bskoeffizienten C_T der Modelle in Fig. 2 und dem Anstellwinkel oc bei verschiedenen Winkelstellungen ö-, des Entenleitwerks dargestellt. Die Fläche des Tragflügels wurde als Bezugsfläche verwendet. Die Kurven 11 und 12 stellen in der Druckschrift -1 erzielte Ergebnisse dar, wobei in einem Windkanal bei Windgeschwindigkeiten von 4o bis 6o m/sec getestet wurde, d.h. ungefähr bei Landegeschwindigkeit. Die Kurven 11 stellen die Versuche mit dem Modell mit obenliegendem Entenleitwerk (Fig. 2b) und die Kurven 12 die Versuche mit dem Modell mit dem untenliegenden Entenleitwerk (Fig. 2c) dar. Es ist zu beobachten, dass das Entenleitwerk in Fig. 3b und 3c einen Anstellwinkel hat, der den Anstellwinkel x-· des Tragflügels um einen Betrag von 15° bzw. 25° übersteigt.

Aus Fig. 3a ist zu erkennen, dass der Auftriebsbeiwert bei der Kurve 11 für das obenliegende Entenleitwerk gleich oder grosser als der Auftriebsbeiwert C_x der Kurve 12 für das niedrigliegende Entenleitwerk ist. Das gleiche Verhältnis tritt in den Fig. 3b

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und 3c auf. In der Druckschrift 1 wird beschrieben, dass eine Rückverteilung des Auftriebes zwischen den zwei Flügeln, d.h. dem Entenleitwerk und dem Tragflügel, stattgefunden hat, so dass der Auftrieb des Entenleitwerks grosser ist als wenn es frei fliegen würde, während der Auftrieb des Tragflügels kleiner ist. Die in Fig. 3a erhaltene Kurve 11 ist das Optimum für diese Konfiguration (flache Flügel) und es soll hier gezeigt werden, dass sie die Summe des Auftriebs ist, der an den zwei Flügeln getrennt bei einem Anstellwinkel ■;*-' erhalten wird. Der grosse Auftrieb beruht auf der Tatsache, dass die Strömung an den Vorderkanten der Flügel abgelöst wird, und dass ein Paar Vortex-Wirbel an jedem Flügel direkt oberhalb der Oberseite jedes Flügels gebildet werden, wodurch der Druck oberhalb des Flügels im Verhältnis zu dem verringert wird, welcher theoretisch bei einer angestellten Strömung erzielt wird, d.h. eine Potentialströmung entlang der Oberflächen der Flügel. Es wird keine Potentialströmung bei wirklich viskosen Medien bei Anstellwinkeln von X _>> 2-3° bei der Art der dünnen Flügel mit einem kleinen Radius erzielt, wie sie hier verwendet werden.

Die Auftriebskraft am isolierten Tragflügel der Fig. 2 wird mit Hilfe einer halbempirischen Gleichung für den Auftrieb an Deltaflügeln berechnet, welche der Druckschrift 2 (Larson, E., Halbempirische Gleichungen für den Auftrieb an einem Deltaflügel mit scharfer Vorderkante, unter Berücksichtigung der Profildicke des Anstellwinkels und der Mach-Zahl. KTH AERO Report FL 229, 1961. Diese Druckschrift ist in schwedischer Sprache abgefasst und hat den schwedischen Titel: Halvempiriska uttryck for lyftkraften hos deltavinge med skarp framkant med hänsyn till profiltjocklek, anfallsvinkel och machtal).

Verschiedene Jahre der Erfahrung haben mittels Vergleich mit Versuchsergebnissen gezeigt, dass diese Gleichungen eine

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beruhigende Genauigkeit für technische Zwecke bei den Berechnungen des Auftriebs bei Deltaflügeln im gesamten transonischen Geschwindigkeitsbereich geben.

In der Druckschrift 2 ist auch eine Gleichung für den Überschallbereich bis zu der Mach-Zahl angegeben, bei welcher der Mach-Kegel die Vorderkante des Flügels trifft. Ein anderes, halbempirisches Verfahren zur Berechnung des Auftriebs bei Deltaflügeln wird von E. C. Polhamus beschrieben. Diese Druckschriften geben leicht zu handhabende Mittel zur Berechnung des Auftriebes an Deltaflügeln, zumindest in Abwesenheit von Näherungstheorien, einschliesslich der Wirkung von Vortex-Strömungen, d.h. nichtlinearer Theorien. Eine solche Theorie ist bisher für genaue Berechnungen noch nicht entwickelt worden. Ein numerisches Berechnungsverfahren, das eine gute Genauigkeit gibt, wurde von K.Gersten entwickelt.

Aus der Druckschrift 2 ist die folgende Gleichung für den

2/3

Auftriebskoeffizienten C₇. zu entnehmen:

_r _ 2 /T A . sin

L " 4 + (7/8)BA 2

) Ά\ /4-BA. sin 2oc '~2' M+BA 2A

wobei: A=4 tg6 = Flügelverhältnis

£ . = halber Spitzenwinkel des Deltaflügels

B= /1-M².= Prandtl-Glauert Faktor M = Mach-Zahl der freien Strömung.

In Fig. 2 ist die Fläche des Entenleitwerks 2o % der Fläche des Tragflügels. So ist die Summe der Auftriebskräfte,die an den zwei Flügeln getrennt erhalten werden, 1,2 mal grosser als der Auftrieb am Tragflügel allein. Bei -- = 25° und B = 1 wird aufgrund der niedrigen Mach-Zahl, d.h. M = 0,15, das Ergebnis gemäss der Kurve 13 in Fig. 3a erzielt. Es ist zu beobachten, dass das berechnete Ergebnis sehr dicht mit dem Ergebnis des Kurve 11 zusammenfällt. Dies hat zur Folge, dass fast

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- Io -

kein Auftrieb durch die Kombination der Flügel zur Konfiguration mit hochliegendem Entenleitwerk, gemäss Fig. 2b, verlorengeht.

Der erste Ausdruck der Gleichung (1) gibt mit grosser Genauigkeit den an einem Deltaflügel mit Potentialtheorie (Lineartheorie) erzeugten Auftrieb zumindest in dem Ausmass wieder, in dem diese Theorie für diesen Zweck verwendet werden kann. Wenn die Summe des Auftriebs an beiden Flügeln in derselben Weise wie oben berechnet wird, wird mit Hilfe dieses Ausdrucks die Kurve 14 in Fig. 3a erhalten. Es ist zu beobachten, dass die Kurve 1 2 bei --χ- Werten von weniger als ungefähr 1 6 sehr dicht an der Kurve 14 liegt, und dass sich die Kurve 12 bei steigendem-*-· schnell der Kurve 11 nähert. Das Ergebnis zeigt, dass die Strömung um die Konfiguration mit niedrigliegendem Entenleitwerk im Verhältnis zur Strömung bei der Konfiguration mit hochliegendem Entenleitwerk linearisiert wurde. Dies wird durch die Änderung von CL als Funktion des Anstellwinkels wiedergespiegelt. Bei Anstellwinkeln bis zu-v.=' 16 wurde die Ablösung der Strömung an den Vorderkanten des Flügels unterdrückt und die Auftriebskraft kann mittels Linearpotentialtheorie berechnet werden. Wie in der Druckschrift 3 (Larson, E., Tangential-Kraft an Deltaflügeln mit und ohne Nasenklappen. Zusammenstellung einiger schwedischer Ergebnisse. FFA Report AE-873, 1971. Diese Druckschrift ist in schwedischer Sprache abgefasst und hat den schwedischen Titel "Tantentialkraft pä deltavingar med och utan framkantklaff. Sammanställning av nägra snenska resultat.") und der Druckschrift 4 (Larson E., Die Wirkung der Strömung an der Vorderkante auf den Widerstand. FFA AE-962:1, 1972. Diese Druckschrift ist in schwedischer Sprache abgefasst und hat den schwedischen Titel: "Framkantstromninges inverkan pä motstrandet."), wird ein ähnliches Ergebnis erzielt, wenn die einzelnen Flügel mit Nasenklappen versehen und die Auftriebskräfte addiert werden.

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Jedoch wird ein bestimmter Auftriebsverlust dann aufgrund der Profilwölbung erhalten. Es ist auch notwendig, den Klappenwinkel zu vergrössern, wenn« anwächst. Bei>-O= 15 wird ein Klappenwinkel von 25° - 3o° benötigt, um die Strömung an den Flügeln anliegen zu lassen. Bei dem Beispiel mit niedrigliegendem Entenleitwerk, wie es in Fig. 3a dargestellt ist, wird ein Anstellwinkelbereich von Oi=jc.;=16 mit einer ungeän-

^ ο
derten Einstellung .' = 0 des Entenleitwerks erzielt.

Aus Fig. 3b ist zu ersehen, dass ein Einstellwinkel ^_n= 15 des Entenleitwerks einen geringen zusätzlichen Auftrieb liefert, wenn -X-klein ist. Jedoch verschwindet dieser zusätzliche Auftrieb schnell und wird negativ, wenn -x. anwächst. Dieses beruht auf einer Abwindwirkung des Entenleitwerks auf den Tragflügel. Wenn die Kurven 12 und 14 der Fig. 3b und 3a verglichen werden, ist zu sehen, dass der Einstellwinkel des Entenleitwerks von S „ = 15° die Auftriebskraft auch bei-x> linearisiert hat, d.h. es wurde anliegende Strömung erreicht. Das Ergebnis dieser Tatsache ist, dass in Fig. 3b die Kurve 14 dicht an die Kurve 12 herankommt, d.h. an das Ergebnis der Potentialtheorie.

Wenn £ auf 25° gesteigert wird (Fig. 3c) übersteigt der Auftrieb den in Fig. 3b erhaltenen, wenn x-klein ist. Bei 'X- = 1o° ist die Auftriebssteigerung bei obenliegendem Entenleitwerk, d.h. der Kurve 11, vollständig verschwunden und wird bei'-*:= negativ. Bei niedrigliegendem Entenleitwerk, d.h. bei der Kurve 12, steigt der Auftrieg aufgrund der Tatsache, dass der Einstellwinkel des Entenleitwerks langsamer abnimmt, wenn °c anwächst, mit Ausnahme des Bereiches um oC = 15 , wo ein Knick in der Kurve 12 zeigt, dass eine Änderung des Strömungscharakters um die Flügel stattgefunden hat. Die Neigung der Kurve 12 bei ·*-τΊ5 zeigt, dass Abtrennung und Erzeugung einer Vortex-Strömung an den Vorderkanten stattgefunden hat. Ein Absenken der

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Vorderkante, d.h. das Vorsehen von Nasenklappen am Entenleitwerk von<x, ^Lo an, würde den Knick in der Kurve 12 beseitigen und die Strömung auch bei diesem Einstellwinkel des Entenleitwerks linearisieren.

In den Druckschriften 3 und 4 wird gezeigt, dass aus der Linearisierung der Auftriebskurve (Normalkraftkurve) mittels einer geeigneten Nasenklappeneinsteilung folgt, dass eine Saugkraft (negative Tangentialkraft) am Flügel vorhanden ist. Dieses ist klar aus der Form der Tangentialkraftkurve zu erkennen. So wird aufgrund der Erfahrung abgeleitet, dass eine Saugkraft an den Vorderkanten des Flügels bei der Konfiguration mit niedrigliegendem Entenleitwerk vorhanden ist. So kann eine erhebliche Widerstandsverringerung in bezug auf das obenliegende Entenleitwerk erwartet werden, wo die Strömung in der oben beschriebenen Weise abgelöst wird. Aus den Versuchsergebnissen der Druckschrift 3 (Deltaflügel) und der Druckschrift 4 (Pfeilflügel) ist zu erkennen, dass die Tangentialkraft eines Flügelsmit einem geeigneten Nasenklappenwinkel, welcher in bezug auf den Anstellwinkel angepasst ist, dicht an den theoretischen, optimalen Wert herankommt. Es ist eine Abweichung von 1o % oder weniger zu bemerken. Eine Abweichung vom theoretischen Wert kann mittels des sogenannten Ellipsenfaktors e ausgedrückt werden, welcher als Koeffizient der Wirkung der Widerstandscharakteristik einer bestimmten Konfiguration (Flügel, gesamtes Flugzeug oder ein Teil desselben) betrachtet werden kann. Der Wert e = 1 wird theoretisch bei einem Flügel mit einer elliptischen Lastverteilung erreicht. Abweichungen von dieser Form der Lastverteilung verringern den Ellipsenfaktor. Ein Deltaflügel mit abgelöster Strömung an der Vorderkante hat einen Ellipsenfaktor von e =* 0,5. Wenn die Nasenklappen bei einem solchen Flügel ausgefahren bzw. abgesenkt werden, nimmt der Auftrieb etwas ab, und der Ellipsenfaktor wächst, abhängig davon _f wie dicht die Lastverteilung an eine elliptische Verteilung herankommt,mehr oder weniger an.

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Im Hinblick auf die obige Erfahrung ist es so eine konservative Annahme einen Ellipsenfaktor von 0,8 für die Konfiguration mit niedrigliegendem Entenleitwerk zu verwenden. Bei hochliegendem Entenleitwerk wird der Ellipsenfaktor entsprechend den obigen Ausführungen auf 0,5 angesetzt.

Der Widerstandskoeffizeint C für die Konfiguration mit hochliegendem Entenleitwerk mit abgelöster Strömung entlang der Vorderkanten wird aus der folgenden Gleichung erhalten:

D^, = C + C . sin,*; ... (2) , C D_o L

wobei C_Taus der Gleichung (1) und der Kurve 12 in Fig. 3a erhalten wird, und C der Widerstandsbeiwert bei <-»'- = 0 ist. Der Widerstandsbeiwert C_Q für das niedrigliegende Entenleitwerk wird aus der folgenden Gleichung berechnet:

^cn ^{= C}n ⁺ C⁰L)² ... (3) , ^{U U}0 γ Ae

wobei gemäss obigem i.e = 4 tg, £. = 1,87 und e = 0,8 sind. Der Auftriebsbeiwert CL der Gleichung (3) wird mittels des ersten Ausdrucks der Gleichung (1) und der Kurve 12 in Fig. 3a berechnet. Der Widerstandsbeiwert C_ wird hier mit 0,006 eingesetzt (die Grosse des Wertes ist in diesem Zusammenhang zufällig).

Unter Verwendung der Gleichungen (2) und (3) wird der Wert von C in Fig. 4 als Funktion von-x. bei !?„ = 0° abgetragen. Die Kurve 15 stellt die Konfiguration mit hochliegendem Entenleitwerk und die Kurve 16 die Konfiguration mit niedrigliegendem Entenleitwerk dar. Auf der Basis der Gleichung (3) wurde eine zusätzliche Kurve 17 hinzugefügt, die einen Ellipsenfaktor von 1 verwendet und so das theoretische Minimum für C darstellt. Die Fig. zeigt deutlich, dass die Konfiguration mit niedrig-

rerk einen niedri

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liegendem Entenleitwerk einen niedrigeren Widerstandsbeiwert C

als die Konfiguration mit hochliegendem Entenleitwerk hat, und dass der Unterschied des Widerstandsbeiwerts C mit <*£·anwächst.

In Fig. 5 ist der Leistungsfaktor L/D für die zwei Konfigurationen als Funktion von -^-für S=O aufgetragen. Die Kurve 18 gehört zum hochliegenden Entenleitwerk und die Kurven 19 und 2o zum niedrigliegenden Entenleitwerk mit Ellipsenfaktoren von e = 0,8 bzw. e = 1,0. Die Kurve 2o zeigt die theoretische, obere Grenze für L/D, die nur unter idealen Bedingungen erreichbar ist, d.h. bei Potentialströmung und elliptischer Lastverteilung. Die Entfernung zwischen den Kurven 18 und 19 zeigt den Gewinn an Manövrierfähigkeit, der erzielt werden kann, wenn der Vorteil der Strömungsinterferenz in Verbindung mit der durch die Konfiguration mit niedrigliegendem Leitwerk dargestellte Auslegung voll in Anspruch genommen wird. Bei dieser Auslegung nimmt die Strömung um die Vorderkante des Tragflügels einen Potentialströmungscharakter an, d.h. die Strömung liegt immer an und die Lastverteilung nähert sich demzufolge der elliptischen Lastverteilung. Dieses steht im Gegensatz zu den Bedingungen, die durch die Kurve 18 wiedergespiegelt werden, wo die Strömung an der Vorderkante abgelöst wird und Erzeugung von Vortex-Wirbeln und demzufolge grossen Widerstand verursacht. Auch die Lastverteilung weicht erheblich von der elliptischen Lastverteilung ab.

Die Entfernung zwischen den Kurven 18 und 19 ist im inkompressiblen Strömungsbereich (M^ 0,5 - 0,6) am grössten und es ist zu erwarten, dass sie sukzessive mit wachsender Mach-Zahl im kompressiblen Bereich absinkt und möglicherweise Null geworden ist, wenn die Vorderkante des Tragflügels zu einer Überschallvorder kante wird, d.h., wenn M = 2,3 5 bei dem ausgewählten Rechenbeispiel mit einem Pfeilwinkel der Vorderkante von 65 ist.

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Bei hohen transonischen Geschwindigkeiten und bei Überschallgeschwindigkeit tritt eine Stosswelle an der Hinterkante des Entenleitwerks auf und trifft auf die Vorderkante des Tragflügels ,- bewirkt ein anhebendes Moment an der Nase der Konfiguration, welches der steigenden Stabilität entgegenwirkt, die bei Deltaflügelkonfigurationen am deutlichsten beim Ansteigen der Geschwindigkeit von Unterschall- auf Überschallgeschwindigkeit auftritt. Dies verringert den Trimmwiderstand und kann zur Folge haben, dass die Konfiguration mit niedrigliegendem Entenleitwerk, sogar wenn die Vorderkante des Tragflügels eine Überschallvorderkante geworden ist, einen kleineren Widerstand als die Konfiguration mit hochliegendem Entenleitwerk hat.

Es ist nicht bekannt, ob die Anordnung des Entenleitwerks bei der Konfiguration mit tiefliegendem Entenleitwerk in den oben verwendeten Versuchsergebnissen optimal ist, was die linearisierende Wirkung auf die Strömung um die Konfiguration betrifft, insbesondere in Verbindung mit der Verwendung von Klappen an der Flügelvorder- und/oder Flügelhinterkante des Entenleitwerks in Verbindung mit der Klappeneinstellung an der Hinterkante des Tragflügels. Für eine solche Optimierung sind Windkanalversuche erforderlich.

Zur Bestätigung der obigen Darlegungen, welche die erzielbare Verbesserung der Manövrierfähigkeit betreffen, welche indirekt über halbempirische Berechnungen geschätzt wurde, ist in Fig. 6 ein direkter Beweis in Form eines Versuchsergebnisses einer Konfiguration mit tiefliegendem Entenleitwerk dargestellt. Die dargestellten Kurven beziehen sich auf eine Mach-Zahl von M = 0,5 und zeigen das Verhältnis zwischen CL. und C_T .

D L·

Das schematisch in den Fig. 7a und 7b dargestellte Versuchsmodell besteht aus einem nicht dargestellten schmalen Rumpf und zwei Deltaflügeln bzw. einem Tragflügel in Deltaform und

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einem Entenleitwerk in Deltaform, deren Vorderkanten um einen Winkel von 60 nach hinten gepfeilt sind und deren Hinterkanten um 12 vorgepfeilt sind. Die Flügel sind mit einfachen Klappen &~_f i und £-. ausgerüstet.

Die folgenden Charakteristika können der Fig. 6 entnommen werden: Die Kurve 23 zeigt im Versuch ermittelte Werte des Auftriebskoeffizienten C_x, aufgetragen über C , für ein aus einem Rumpf und einem Flügel zusammengesetztes Modell bei welchem das Entenleitwerk fehlt. Das Modell wird nicht getrimmt. Die Kurve 22 ist mittels der obigen Gleichung (2) ausgelegt, wobei die durch den Versuch gegebenen Koeffizienten

C und C aus der Kurve 23 eingesetzt wurden, um den Grad der JJ L·

Ablösung an der Vorderkante des Tragflügel·- Rumpfmodells zu untersuchen. Der kleine Unterschied zwischen den Kurven beweist, dass fast vollständige Ablösung auftritt.

Die Kurve 21, welche durch Multiplizieren der Kurve 23 mit dem Faktor 0,194, dem Verhältnis zwischen der Entenleitwerksfläche und der Tragflügelfläche berechnet wurde, ist eine sehr genaue Abschätzung des Auftriebskoeffizienten C_x, aufgetragen über C , für ein Modell, bei welchem Ablösung entlang aller Vorderkanten auftritt. Diese Kurve wäre für eine typische Auslegung mit hochliegendem Entenleitwerk charakteristisch. Die Kurve 21 ist ungetrimmt. Die Kurve 24 zeigt die im Versuch getrimmten Auftriebskoeffizienten C_x , aufgetragen über O_x. , für

Li JJ

das gesamte Versuchsmodell mit tiefliegendem Entenleitwerk, und die Kurve 25 ist eine Extrapolation der Kurve 24 durch Antizipation grösserer Klappenwinkel als sie im Versuch verwendet wurden. Die Kurve 25 ist daher etwas weniger zuverlässig als die anderen Versuchsergebnisse. Die Kurve 26 ist als Bezugskurve eingesetzt, welche die optimalen Auftriebskoeffizienten C_x über C für die Konfiguration mit tiefliegendem Entenleitwerk darstellt, die nur unter idealisierten Strömungsbedingungen

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(Potentialströmung) erzielbar sind.

Die bemerkenswerte Verbesserung der Manövrierfähigkeit, die nur mit der beanspruchten Auslegung mit tiefliegendem Entenleitwerk gegenüber den heutzutage vorhandenen Auslegungen erzielt werden kann, ist auf folgende Weise in Fig. 6 zu beobachten:

Bei einem gegebenen getrimmten C₁.-Wert ist der C -Wert viel

J_l JJ

niedriger als der ungetrimmte C -Wert für dasselbe Flügel-Rumpfmodell (ohne Entenleitwerk) und sehr viel niedriger als der C_n~Wert derselben Entenkonfiguration mit allseitiger Vorderkantenablösung. Wie allgemein bekannt ist, ist das Trimmen herkömmlicher Flugzeugkonfigurationen mit einer Steigerung des Widerstandskoeffizienten C_Q verbunden. Durch sorgfältiges Anordnen des Entenleitwerks in bezug auf den Tragflügel, um die Möglichkeiten sich gegenseitig beeinflussender Strömungsfelder auszunutzen,ist es möglich, die C_T -C_n -Kurve drastisch

Jj JJ

in Richtung ihres theoretischen Optimums zu verschieben.

Der Bereich vor und unterhalb der Nullauftriebsflache des freifliegenden Tragflügels, in welchem die hier besprochene Wirkung der Widerstandsverringerung durch sorgfältiges Anordnen des Entenleitwerks erzielbar ist, ist in einer Weise in den Fig. 8 und 9 definiert. In Fig. 8 ist eine schematische Draufsicht einer Entenkonfiguration dargestellt, in der die Grundrisse des Entenleitwerks und des Tragflügels frei ausgewählt sind. Die Länge der Flügeltiefe entlang der Mittellinie des Entenleitwerkes ist mit C,_Tr, bezeichnet. Die Bezugs-

INW

zahlen 3o und 4o bezeichnen die mittlere aerodynamische Flügeltiefe (AMC = Aerodynamic Mean Chord) des Tragflügels bzw. des Entenleitwerks.

Die Projektion 33 des vordersten Punktes 31 der mittleren aerodynamischen Flügeltiefe des Tragflügels auf die Mittelachse 3

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der Flügel wird als Ursprung eines orthogonalen Koordinatensystems (X, Z) gewählt. Die positive X-Achse weist gegen die Anströmung,und die Z-Achse ist abwärts ausgerichtet. Die X-Achse ist in der Nullauftriebsebene des Tragflügels enthalten. Die Projektion 42 des hintersten Punktes 41 der mittleren aerodynamischen Flügeltiefe 4o des Entenleitwerks auf die X-Z-Ebene wird als Definition der Lage des Entenleitwerks gewählt, wenn die Nullauftriebsfläche des Entenleitwerks (welche an dem alleine freifliegenden Entenleitwerk bestimmt wurde) parallel zur entsprechenden Oberfläche des Tragflügels verläuft. Die Entfernung zwischen den zwei definierten Punkten 33, 42 hängt von der Auslegung der Konfiguration ab.

In Fig. 9 ist der schraffierte Bereich 5o in Form eines gestutzten Sektors im ersten Quadranten (links unten liegender Quadrant) der X-Z-Ebene (in der vertikalen Symmetrieebene) der hier beanspruchte Bereich für erfolgreiche Ausnutzung der günstigen Interferenzwirkung, welche die beschriebene Verbesserung der Fahrzeugmanövrierfähigkeit ermöglicht.

Der schattierte Bereich 5o ist an drei Seiten durch drei gerade Linien a, b und c für X^O und Z^O in der folgenden Weise begrenzt:

Die Linie a ist durch die Punkte 33 und 51 definiert, welche die X-Z-Koordinaten (0;0) bzw. (0; 0,25 C._fTT) haben.

JnW

Die Linie b ist durch die Punkte 33 und 52 mit den X-Z-Koordinaten (0;0) bzw. (2C,_TTT;0,1 cL,,) bestimmt.

NW ISJW

Die Linie c ist durch die Punkte 51 und 53 mit den X-Z-Koordina ten (O;O,25 C_NW) bzw. (2 C"_NW; C_NW) definiert. Hier ist C_nw die

Länge der Flügeltiefe in der Symmetrieachse des Entenleitwerks.

Die Fläche 5o schliesst auf der einen Seite herkömmliche an der Vorderkante des Tragflügels befestigte Klappen und Vorflügel aus und auf der anderen Seite Entenleitwerke, der

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in der Einleitung dieser Anmeldung beschriebenen Art.

Der oben benutzte Ausdruck "Flügel" wurde verwendet, um eine Fläche zu bezeichnen, die Auftrieb erzeugt, wenn sie einem strömendem Medium, z.B. Luft oder Wasser, ausgesetzt wird und unter einen Anstellwinkel zur Strömungsrichtung angeordnet ist.

Es wird vorgeschlagen, den Ausdruck "Stabilisierungsflügel" für ein tiefliegendes Entenleitwerk mit den hier beschriebenen Eigenschaften zu verwenden.

Es versteht sich, dass viele Abwandlungen innerhalb des Anwendungsbereiches der vorliegenden Erfindung möglich sind.

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Claims

P atentansprüche

1. Fahrzeug zum Fahren in einem kompressiblen oder inkompressiblen Medium, mit einem Rumpf, welcher einen Tragflügel und ein Entenleitwerk trägt, welches vor der Anströmseite des Tragflügels und in einer Höhe unterhalb der des Tragflügeln zum Stabilisieren und Manövrieren des Fahrzeugs um die Nickachse senkrecht zur Längsrichtung des Fahrzeugs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , dass das Entenleitwerk (4) eine den Strömungswiderstand verringernde Einrichtung für den Tragflügel (3) beim Manövrieren des Fahrzeugs (1) um die Nickachse bildet.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Entenleitwerk (4) eine den Widerstand verringernde Wirkung auf den Tragflügel (3) bei Anstellwinkeln des Tragflügels (3) bis mindestens 25 bis 3o aufweist, wenn das Fahrzeug (1) um die Nickachse manövriert wird.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Entenleitwerk (4) um eine zur Nickachse parallele Achse des Fahrzeugs (1) bewegbar ist.

4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entenleitwerk (4) an der Vorderkante mit Klappen, Vorflügeln oder dergleichen (£..) versehen ist.

5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass das Entenleitwerk (4) an der Hinterkante mit Klappen (S₂) versehen ist.

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6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass das Entenleitwerk (4) eine Unterschallvorderkante aufweist.

7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass das Entenleitwerk (4) relativ zum Tragflügel (3) so angeordnet ist, dass eine Projektion (42) des am weitesten hinten liegenden Punktes (41) der mittleren aerodynamischen Flügeltiefe (4o) des Entenleitwerks in eine Ebene durch die längsverlaufende Symmetrieachse (3 2) des Flügels (3) und.senkrecht zur Nickachse (6) in einen sektorähnlichen Bereich (5o) fällt, der im ersten Quadranten eines orthogonalen Koordinatensystems (X,Z) definiert ist, welches in dieser Ebene angeordnet ist und seinen Ursprung in der Projektion (33) des vordersten Punktes (31) der mittleren, aerodynamischen Flügeltiefe (3o) des Tragflügels (3) auf die Ebene hat und dessen X-Achse in der Nullauftriebsebene des Tragflügels (3) liegt und stromauf gegen die Anströmrichtung zeigt, dass die Z-Achse im allgemeinen der Auftriebsrichtung entgegengerichtet ist, dass der sektorähnliche Bereich (5o) an einer ersten Seite durch eine gerade Linie (a) begrenzt ist, welche durch die Z-Achse gebildet wird, und an einer zweiten Seite durch eine zweite gerade Linie (b) durch zwei Punkte (33, 52), welche die X-Z-Koordinate (0;0) und (2C„_TT; 0,1 Ö,_TTT)

JNW NW

haben und an einer dirtten Seite durch eine dritte gerade Linie (c) durch zwei Punkte (51, 53) mit den X-Z-Koordinaten (0; 0,25 C_NW) und (2 C^; C_ffl), wobei Ö_NW die Länge der Flügeltiefe (in der Symmetrieachse) des Entenleitwerks (4) ist.

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