DE2434516A1

DE2434516A1 - Vorrichtung zum unterdruecken von luftwirbeln an den enden der tragflaechen von flugzeugen

Info

Publication number: DE2434516A1
Application number: DE2434516A
Authority: DE
Inventors: Jun James Claude Patterson
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1974-07-18
Publication date: 1975-12-04
Also published as: JPS50156200A; US3984070A; CA1002027A

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. H. E. BÖHMER 703 BÖB LINGEN/WO RTT. . S Γ N D B \. V I N G E R STRASSE 49

FERNS PRECHER (0 7031) 6130 40 4-HOtO IU

Anmelder: National Aeronautics and Space Administration

NASA Headquarters, Washington, D.C, USA

Amtl .Aktenzeichen: Neuanmeldung

Böblingen, 16JuIi 1974

Vorrichtung zum Unterdrücken von Luftwirbeln an den Enden der Tragflächen von Flugzeugen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bedampfen oder zur weitgehenden Unterdrückung des an den Tragflächenspitzen von Flugzeugen im Luftstrom erzeugten Wirbels.

Der bei großen mit Strahltriebwerken angetriebenen Flugzeugen durch den Auftrieb an den Tragflächenspitzen oder Tragflächenenden hervorgerufene Wirbel hat sich für die Flugüberwachung als beträchtliches Problem und auch für kleinere Flugzeuge als unsichtbare Gefahr herausgestellt. Diese Schwierigkeit ergibf sich aus der Tatsache, daß die durch große Flugzeuge erzeugten Wirbel sehr stark sind, lange erhalten bleiben und mit zunehmendem Gewicht der Flugzeuge in ihrer Intensität größer werden. Ein an oder in der Nähe des Tragflächenendes eines Flugzeuges einmal erzeugter rotierender Luftstrom oder

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Wirbel bleibt im Raum im wesentlichen stationär und übt, falls kleine Flugzeuge in diesen Wirbel geraten sollten, auf diese ein Rollmoment aus. Dieses Rollmoment kann so stark sein, daß es die Grenzen der Steuerbarkeit kleinerer Flugzeuge überschreitet und ein solcher Verlust der Steuerbarkeit ist nachweisbar bereits bis zu etwa 7,5 km hinter einem großen Flugzeug festgestellt worden. Die durch diese Wirbel hervorgerufenen Probleme sind insbesondere in den Flugschneisen rund um größere Flughafen besonders schwerwiegend, da dort kleinere Flugzeuge mit größter Wahrscheinlichkeit hinter großen Flugzeugen fliegen werden, und wo einem kleinen Flugzeug wenig Höhe zur Verfügungsteht, um seine Steuerfähigkeit wieder zu erlangen.

Bisherige Versuche, die Wirkung solcher Wirbel einzuschränken, waren im allgemeinen bisher weitgehend erfolglos, da die etwa an den Enden der Tragflächen angebrachten Klappen oder sonstigen Mittel den Luftstrom hinter dem Flugzeug oder den Wirbel in diesem Luftstrom nicht ausreichend veränderten. Mit Änderungen an den Landeklappen und mit Tragflächenspoilern hatte diese Art der Bedämpfung der Wirbel für das Flugzeug einen zu großen Verlust an Auftriebskraft zur Folge.

Die vorliegende Erfindung baut die Rotationsströmung des Wirbels ab und beseitigt damit weitgehend die Gefahr, daß ein sonst stationärer Wirbel in der Luft verbleibt und die Flugbahn eines nachfolgenden Flugzeuges stört. Dies erreicht man durch Verändern der Luftströmung in dem Bereich der Tragflächenenden des Flugzeuges in solcher Weise, daß die rotierende Luftströmung des Wirbels durch eine um den Wirbel herum und durch den Kern des Wirbels verlaufende lineare Luftströmung zerstört wird. Grundsätzlich wird für eine solche Zerstörung des Wirbels an jedem Tragflächenende des Flugzeuges ein Bremshilfsschirm benutzt. Solche Bremsschirme bewirken unmittelbar im Luftstrom hinter dem Trag-

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flächenende des Flugzeuges einen positiven Druckgradienten und schieben tatsächlich vor jedem Schirm und unmittelbar hinter dem Tragflächenende eine Luftmasse vor sich her. Die Abscherkräfte zwischen der Masse der durch den Bremsschirm nach vorne gedrückten Luft und der Rotationsströmung des Wirbels selbst und die Unterbrechung der Axialströmung im Kern des Wirbels bewirken, daß der Wirbel verschwindet. Ein Bremshilfsschirm ist aufgrund seiner Konstruktion eine Vorrichtung^ die nach Gebrauch nur schwierig wieder eingefahren werden kann« Während der bei der Erfindung verwendete Bremsschirm den Auftrieb des Flugzeuges nicht beeinträchtigt, wird jedoch jede Vorrichtung, die den Luftstrom so stark stört, daß der Wirbel verschwindet, auch eine Bremswirkung ausüben, die den Wirkungsgrad des Flugzeuges verringert. Es ist daher wünschenswert, einen Kompromiß zu schließen und die volle Bedämpfung des Luftwirbels nur dann einzusetzen, wenn das Problem für den übrigen Luftverkehr, wie z.B. in der Nähe von Flughäfen, die größten Schwierigkeiten darstellt» Ein solcher Kompromiß erfordert eine Vorrichtung, die wahlweise eingesetzt und wieder zurückgezogen oder eingefahren werden kann. Dies ist daher der Grund, weshalb eine mit starren Segmenten arbeitende Konstruktion bevorzugt wird_o Der Bremsschirm ist eine aus mehreren Segmenten bestehende Vorrichtung, die praktisch aus mehreren plattenartigen Teilen besteht, die etwa nach Art eines Windrades an einem in der Mitte liegenden Kern befestigt sind. Die plattenartigen Segmente unterscheiden sich jedoch von einem Windrad darin, daß sie exakt quer zum Luftstrom starr gehalten werden, um die Störung des Luftstromes möglichst groß zu machen. Theoretisch kann der Bremsschirm eine vollkommen kreisförmige Oberfläche, ähnlich wie ein Bremsfallschirm aufweisen, aber aus konstruktiven Gründen und wegen der Möglichkeit des Einziehens wird die Segmentkonstruktion benutzt. Außerdem ist die Wirkung auf den Wirbel im wesentlichen die gleiche wie bei einer vollständig kreisförmigen Oberfläche» Der Wirkungsgrad dieser Vor-

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richtung ist eine Funktion seiner Fläche und des Ortes dieser Fläche relativ zum Wirbel. Die Segmentkonstruktion wurde gewählt, um die geforderte kleinste Fläche für eine effektive Zerstreuung des Wirbels über den weitest möglichen Raum wirksam werden zu lassen. Diese kleinste Fläche ist angenähert diejenige, die sich aus einer Bremsschirmkonstruktion ergibt mit einem Durchmesser von 60 % der mittleren geometrischen Flügeltiefe an der Spitze der Tragfläche des Flugzeuges und einer Breite des einzelnen Segmentes von 15 % dieses Durchmessers.

Da die Bildung eines Wirbels mit der Auftriebsänderung am Ende der Tragfläche in Verbindung steht, sollte der Bremsschirm an dem Ende oder in der Nähe des Endes der Tragfläche angebracht sein. Für sich verjüngende nach hinten abgewinkelte Tragflächen bildet sich der Winkel im allgemeinen bei 80 bis 90 % der Halbspannweite und der Bremsschirm sollte demgemäß dort angebracht werden. Bei bestimmten Flugzeugen kann man durch konstruktive Überlegungen, wie z.B. den Ort der Brems- oder Landeklappen, gezwungen sein, bezüglich des idealen Anbringungsortes einen Kompromiß zu schließen.

Der Bremsschirm ist hinter der Hinterkante des Tragflächenendes mit Hilfe einer Art Sonde angebracht,, Die Sonde dient zur Unterbringung des zum Zurückführen dienenden Mechanismus^, so daß dann, wenn die Vorrichtung nicht benutzt wird, jedes Segment des Bremsschirmes zusammengeklappt werden kann und dann zusammen mit der Sonde ein stromlinienförmiges Teil bildet« Die Position des Bremsschirmes im Luftstrom hinter der Hinterkante der Tragfläche wird durch die Forderung bestimmt, daß ein nachteiliger Einfluß auf den Auftrieb des Flugzeuges möglichst klein gehalten werden solL Ein typischer Abstand zwischen

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der Hinterkante der Tragfläche und dem Bremsschirm, die dies berücksichtigt^ liegt etwa in der Größenordnung des Durchmessers des Bremsschirmes.

Eine andere Vorrichtung zum Injizieren einer Gasmasse in den Wirbel zur Erzeugung eines entsprechenden positiven Druckgradienten im vom Tragflächenende ablaufenden Luftstrom, welche sich von der Luftbremsvorrichtung unterscheidet, ist ein am Tragflächenende befestigtes Strahltriebwerke Ein dort angebrachtes Strahltriebwerk erzeugt e-ine ähnliche Störung des Luftstromes und bedämpft den Wirbel. Da ein am Tragflächenende angebrachtes Triebwerk eine hohe Schubkraft erfordert, eignet sich diese Art der Anwendung eher für Neukonstruktionen von Flugzeugen, weniger aber für eine Umrüstung, für die sich der Bremsschirm eignet,,

Es soll jedoch darauf hingewiesen werden^ daß der Bremsschirm, wenn er richtig ausgelegt ist, und insbesondere bei der Konstruktion eines neuen Flugzeuges sowohl zur Bedämpfung des Wirbels als auch als Bremsvorrichtung eingesetzt werden könnte _r um beim Landeanflug rascher an Höhe verlieren zu können. Außerdem läßf sich eine Kombination aus Einsatz von Bremsschirm und Veränderung des Triebwerkschubes für den Landeanflug so programmieren, daß beide Funktionen zusammen ein Optimum ergeben.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt:

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Fig„ 1 eine perspektivische Ansicht des Bremsschirmes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform im eingefahrenen Zustand und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform mit Strahltriebwerk«

Fig. 1 zeigt die Ausführungsform der Erfindung mit Bremsschirm,, Eine vereinfacht dargestellte Tragfläche 12 ist am Rumpf 14 des Flugzeuges befestigt. Der Tragflächenendwirbel wird wegen der durch das Ende der Tragfläche Dewirkten aerodynamischen Wirkung der Diskontinuität des Auftriebs etwa im Bereich 16 am Tragflächenende 18 erzeugt. Der Bremsschirm 20 ist durch Leinen 22 am Tragflächenende 18 befestigt und ruft durch die Bremswirkung eines nicht aerodynamisch geformten Körpers einen positiven Druckgradienten im Bereich Io hervor, wenn sich das Flugzeug in der Luft befindet. Dieser im Bereich 16 auftretende positive Druckgradient zerstreut den rotierenden wirbelartigen Luftstrom, der durch die Diskontinuität des Auftriebes hervorgerufen wird, dadurch, daß eine lineare Luftströmung durch und rund um den Kern des Wirbels erzwungen wird.

Die bevorzugte Ausführungsform bewirkt in gleicher Weise eine Zerstreuung oder einen Abbau des Wirbels wie der Bremsschirm, unterscheidet sich aber, wie in Fig. 2 gezeigt, von dem Bremsschirm dadurch, daß sie je nach den Anforderungen des Fluges eingesetzt oder aber eingezogen werden kann«

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Die vereinfacht dargestellte Tragfläche 32, die am Rumpf 34 des Flugzeuges befestigt ist, wird durch eine aerodynamische Sonde 36 ergänzt. Am hinteren Ende 37 der Sonde 36 ist eine segmentartige Konstruktion 38 im Einsatz dargestellt, die aus einzelnen plattenförmigen Segmenten 40 bis 47 besteht. Jedes einzelne Segment ist so konstruiert, daß es durch eine Betätigungsvorrichtung 52 um ein auf einem Kern 48 angebrachtes Scharnier 50 zusammengeklappt werden kann. Diese Vorrichtungen 52 können beispielsweise hydraulisch betätigbar sein und durch geeignete Gelenkverbindungen mit den Segmenten verbunden sein,, Die Anordnung der Segmente schließt sich wie die Blätter einer Blume in Richtung auf das rückwärtige Ende der Sonde 36 und bildet eine einheitliche aerodynamische Form 53 mit der Sonde 36₇ wie dies in Fig. 3 gezeigt ist» Eine Schutzhülse 54, die durch eine dafür vorgesehene Betätigungsvorrichtung 55 bewegbar ist, die beispielsweise eine durch entsprechende mechanische Wirkverbindungen angekoppelte Antriebsmaschine sein kann, gleitet über die Anordnung der Betätigungsvorrichtung 52 und hält damit die aerodynamische Oberfläche aufrecht.

Der Ort des aus Segmenten bestehenden Bremsschirmes 38 wird durch den tatsächlichen Punkt des Ablösens des Wirbels und die Bauart der Tragfläche 32 des Flugzeuges bestimmt» Im Idealfall sollte dieser Bremsschirm 38 exakt in der Mitte der Ablösung des Wirbels liegen, wie dies aus Modellversuchen ermittelt werden kann, und dieser Punkt würde bei einer typischen sich verjüngenden Tragfläche bei 80 bis 90 % der halben Spannweite liegen. Konstruktive Überlegungen, wie z.B. der Ort des Querruders 56 in Fig. 2, können dazu zw ingen, vom idealen Ort bei einem Flugzeug abzuweichen, das gemäß der Erfindung umgerüstet werden soll»

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Der Bremsschirm 38 sollte im Luftstrom hinter der Hinterkante 58 mit ausreichendem Absfand angebracht sein, so daß verhindert wird, daß der Auftrieb des Flugzeuges nachteilig beeinflußt wird. Dieser Abstand liegt im typischen Fall bei angenähert dem Durchmesser des Bremsschirmes,

Die Wirksamkeif der erfindungsgemäßen Konstruktion bei der Zerstörung oder Zerstreuung des Wirbels wird unmittelbar durch die Oberfläche der flachen plattenförmigen Segmente beeinflußt. Durch Versuche wurde die kleinste für eine wirksame Auflösung oder eine wirksame Zerfeilung des Wirbels erforderliche Fläche bestimmt als die Fläche einer Konfiguration mit acht Segmenten, deren Breite bei 15 % des Durchmessers der Vorrichtung, und bei der der Durchmesser der Vorrichtung selbst 60 % der mittleren geometrischen Flügeltiefe an der Spitze der Tragfläche des Flugzeuges darstellt.

Die Wirksamkeit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde experimentel im Flug untersucht und lieferte ausgezeichnete Ergebnisse» Ein Flugzeug vom Typ Douglas C 54 mit einem Bremsschirm an jedem Ende einer Tragfläche wurde bei solchen Experimenten durch ein Reiseoder Geschäftsflugzeug vom Typ Piper Cherokee verfolgt, um die Auswirkungen des Wirbels auf die Sfeuereigenschaften eines nachfolgenden Flugzeuges zu untersuchen. Ohne Einsatz der Erfindung wurde das Reise- oder Geschäftsflugzeug trotz aller Versuche, die Steuerung aufrechtzuerhalten, noch bei einem Abstand bis etwa 7_r5 km hinter dem Testflugzeug um T80 um seine Rollachse gedreht,, Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Konstruktion war das Reise- oder Geschäftsflugzeug bis auf einen Abstand von etwa 900 m in der Lage, seine Steuerung aufrechtzuerhalten,, Sichtbare Untersuchungen des Wirbels des Flugzeuges C 54 wurden unter Verwendung von in der Luft zerstäubtem

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Pulver durchgeführt und zeigten, daß ein typischer Wirbel einen Durchmesser von 60 bis 90 cm aufweist, daß aber der Wirbel eines Flugzeuges mit einer erfindungsgemäßen Konstruktion auf einen Durchmesser von 18 bis 24 m zerteilt oder aufgelöst wird_o Messungen des RollnrPinentkoeffizienten an dem Reise- oder Geschäftsflugzeug ergaben mit der erfindungsgemäßen Konstruktion eine Verringerung um etwa 55 %. Alle Versuche mit der erfindungegemäßen Konstruktion zeigten, daß durch diese die Wirkungen des Wirbels soweit reduziert werden können, daß er für nachfolgende kleine Flugzeuge nicht mehr gefährlich ist.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein Strahltriebwerk 60 an einer Tragfläche 62 in etwa der gleichen Weise wie bei der bevorzugten Ausführungsform in der Nachbarschaft des Endes 68 der Tragfläche befestigt,, Da die vom Strahltriebwerk ausgestoßenen Gase am hinteren Ende, d.h. an der Düse 64 einen positiven Druckgradienten erzeugen, der im Bereich 66 des Ursprungs des Wirbels liegt, zerteilt dieser positive Druck den Wirbel in der gleichen Weise wie eine Bremsschirm. Diese Ausführungsform, da sie etwas kompliziert ist, eignet sich mehr für die Neukonstruktion eines Flugzeuges als für eine Umrüstung, hat aber den großen Vorteil, für den Flug einen zusätzlichen Schub abzugeben, statt im Luftraum eine Bremswirkung hervorzurufen.

Der Bremsschirm kann mehr oder auch weniger Segmente anderer Formgebung aufweisen und der Ort der Anbringung an der Tragfläche des Flugzeuges kann sich je nach Anforderungen des Flugzeuges ändern.

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Claims

PAT ENTANSPRÜCHE

1 <■ J Vorrichtung zum Zerstreuen von durch den Auftrieb an Flugzeugen verursachten Wirbeln, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Hinterkante der Tragfläche (12; 32; 62) des Flugzeuges eine einen positiven Druckgradienten erzeugende Einrichtung (20; 38; 60) vorgesehen ist, die über eine aerodynamisch geformte Befestigung (36) in der Nähe des Ursprungs (16) des Wirbeis an der Tragfläche angebracht ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch I₇ dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung (36) Mittel (52) für ein selektives Ausfahren und Einziehen der den positiven Druckgradienten erzeugenden Einrichtung (38) aufweist»
3o Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines positiven Druckgradienten ein Bremsschirm (20; 38) dient.
4o Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines positiven Druckgradienten ein Strahltriebwerk (60) dient.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines positiven Druckgradienten ein Bremsschirm (38) dient, der eine ebene quer zur Luftströmung liegende Fläche bildete

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsschirm (38) aus einer Anzahl plattenartiger Segmente (40 bis 47) besteht, die eine ebene Oberfläche nachbilden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Bremsschirmes (38) etwa 60 % der mittleren geomefri-

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sehen Flügeltiefe an der Spitze der Tragfläche des Flugzeuges beträgt, an dem der Bremsschirm angebracht ist.

80 Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsschirm hinter der Hinterkante der Tragfläche mit einem Abstand angebracht ist, der annähernd dem Durchmesser des Bremsschirmes entspricht»

9„ Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung eine zylindrische Sonde (36) ist_e

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den positiven Druckgradienten erzeugende Einrichtung eine Anzahl eine ebene Oberfläche nachbildende plattenförmiger Segmente aufweist, die einzeln einziehbar oder einfahrbar sind,

11. Vorrichtung nach Anspruch 10^ dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment (40 bis 47) an einem Kern (48) mittels eines Scharniers (50) angelenkt ist und durch eine Betätigungsvorrichtung (52) über eine Gelenkverbindung ausfahrbar und einziehbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Segmente (40 bis 47) so geformt sindj, daß sie im zusammengelegten und eingefahrenen Zustand einen einheitlichen aerodynamisch geformten Körper bilden„

13o Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (54) vorgesehen ist, die mittels einer Antriebsvorrichtung (55) eine aerodynamisch einwandfreie Oberfläche für die zusammengeklappten Segmente (40 bis 47) des Bremsschirmes (38) zu bilden vermag_o

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