DE29502677U1

DE29502677U1 - Kompaktflugzeug

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Publication number: DE29502677U1
Application number: DE29502677U
Authority: DE
Original assignee: KRAKOW ANDREE DIPL ING
Current assignee: KRAKOW ANDREE DIPL ING
Priority date: 1995-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2005-02-11

Description

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Dip!,-Ing. Andree Krakow 27570 Bremerhaven

Konpaktflugzeug

Die Erfindung bezieht sich auf ein Konpaktflugzeug, welches durch den fehlenden Leitwerksträger und einer speziellen Anordnung der einzelnen Konponenten die Realisierung eines äußerst kompakten Rumpfs erlaubt.

Die übliche Ausführungsart von Sport- Reise- und Geschäftsflugzeugen sieht eine Tragfläche, ein Höhenruder, sowie ein Seitenleitwerk vor. Der Rumpf verbindet die Tragflügel, den Motor und nimmt das Fahrwerk und die Besatzung auf. Das Leitwerk wird meist am Ende des Rumpfs befestigt, dieser Teil des Rumpfes zwischen Tragflügel und Leitwerk, wird Leitwerksträger genannt. Am Ende des Leitwerkträgers ist das konventionelle Höhenleitwerk und das Seitenruder befestigt. Das Triebwerk ist in den meisten Fällen in die Rumpfspitze eingebaut, die Sitze für Besatzung und Passagiere befinden sich dahinter.

Durch diese Anordnung haben alle Komponenten des Flugzeugs einen relativ großen Abstand vom Flugzeugschwerpunkt. Durch diesen Abstand zum Schwerpunkt wird das Massenträgheitsmoment des Flugzeugs groß. Ein großes Massenträgheitsmoment bedeutet, daß das Flugzeug träge, b.z.w. mit Verzögerung auf Steuerbefehle des Piloten reagiert. Durch die Entfernung zwischen den Komponenten, die der Rumpf verbinden und aufnehmen soll, ergibt sich für den Rumpf ein gewisser Bedarf an Masse, sprich verbauten Materials. Dies wirkt sich negativ auf das Eigengewicht der Zelle aus.

Eine Verkleinerung dieser Konfiguration ist nur bis auf ein gewisses Minimum möglich, da Mindestabstände zwischen Tragfläche und Höhenleitwerk eingehalten werden müssen, um die Luftkräfte und die daraus entstehenden Momente zu beherrschen und dem Flugzeug ein stabiles Flugverhalten zu geben.

Die Tragflügel und Höhenleitwerke haben in den meisten Fällen die Form von Rechtecken, Trapezen oder eine Kombinationen aus beiden. Sie werden verstrebt, oder freitragend ausgebildet, wobei der Tragflügel mit einer leichten, positiven, oder negativen V-Form versehen wird.

Durch eine freitragende, oder auch abgestrebte Bauweise, tritt an der Tragflügelwurzel, am Übergang des Tragflügels zum Rumpf, ein sehr großes Biegemoment auf, welches bei der statischen Auslegung des Tragflügels berücksichtigt werden muß, d.h. der Tragflügel muß das Moment aufnehmen und das macht einen gewissen Einsatz von Material nötig, der Flügel wird schwer.

Der Tragflügel erzeugt den zum Fliegen nötigen Auftrieb. In der Art, daß durch die Luftströmung um den Tragflügel an der Oberseite ein Unterdruck und an der Unterseite ein Überdruck entsteht. Diese Druckdifferenz erzeugt den, senkrecht zur Anströmrichtung wirkenden Auftrieb.

Im Bereich der Tragflügel enden führt dieser Druckunterschied zu dem Problem, daß an dieser Stelle ein Druckausgleich zwischen Flügelober- und Unterseite möglich ist. Dadurch entsteht ein Luftstrom senkrecht zur Anströmrichtung des Tragflügels, welcher sich der Luftströmung auf der Tragflügeloberseite überlagert und einen starken Randwirbel erzeugt.

Dieser Randwirbel macht einen großen Teil des Gesamtwiderstands des Flugzeugs aus, da er stark bremsend wirkt und den Auftrieb vermindert. Dadurch, daß der Randwirbel sich periodisch vom Tragflügelende löst, kann äer Tragflügel in Schwingungen versetzt werden, die zur Beschädigung, oder Zerstörung der Struktur führen können.

Ein weiterer Nachteil dieser klassischen Konfiguration ist die Tatsache, daß das Höhenleitwerk und sein Druckpunkt, der Angriffspunkt der Luftkräfte am Höhenleitwerk, hinter dem Flugzeugschwerpunkt liegt. Um das von der Tragfläche erzeugte Drehmoment um die Querachse des Flugzeugs auszugleichen, muß das Höhenleitwerk Abtrieb erzeugen, da der Druckpunkt der Tragfläche ebenfalls hinter dem Flugzeugschwerpunkt liegt und die beiden Momente zur Erreichung eines stabilen Flugzustands im Gleichgewicht sein müssen.

Das Unterschreiten der Mindestfluggeschwindigkeit führt zum Abreißen der Strömung an der Tragfläche. Dieser sogenannte Strömungsabriß beginnt an den Enden des Tragflügels, dem Bereich, in dem die Querruder im Tragflügel eingebaut sind. Die Querruder werden dabei unwirksam, daß Flugzeug gerät beim sogenannten "überziehen", dem Unterschreiten der Minimalgeschwindigkeit, schlagartig ins Trudeln. Es stürzt in einem spiralförmigen Sturzflug zu Boden. Dieser Flugzustand ist äußerst schlecht zu korrigieren, da er in sich sehr stabil ist und führt in den meisten Fällen zu schweren Unfällen, da das überziehen häufig im Landeanflug passiert und das Trudeln wegen der geringen Flughöhe nicht mehr abgefangen werden kann.

In verschiedenen Flugzeugkonzepten wurden immer neue Versuche unternommen, um diese Nachteile zu kompensieren.

Eines dieser Flugzeugkonzepte ist das Entenflugzeug. Bei dieser Konfiguration ist das Höhenleitwerk im Bereich der Rumpfspitze angebracht und liegt dadurch vor dem Flugzeugschwerpunkt. Wobei das Höhenleitwerk als "Kopfflügel" bezeichnet wird. Dadurch, daß der Kopfflügel an der Rumpfspitze angeordnet ist, liegt der Druckpunkt des Kopfflügels vor dem Flugzeugschwerpunkt. Um das Drehmoment des Tragflügels auszugleichen, muß der Kopfflügel ebenfalls Auftrieb erzeugen. Die zum Fliegen nötige Auftreibsleistung wird beim Entenflugzeug von Kopfflügeln und Tragflügeln geleistet. Gleichzeitig wird die statische Belastung, insbesondere das Biegemoment im Wurzelbereich der Flügel im Verhältnis des Anteils am Auftrieb, auf Kopf- und Tragflügel verteilt und bezogen auf die einzelnen Flügel, verkleinert. Das Abtrieb erzeugende, separate Höhenleitwerk entfällt und damit auch der Leitwerksträger. Es kann ein kurzer Rumpf ohne Leitwerksträger verwendet werden, was Gewichtsvorteile bringt.

Diese Konfiguration birgt in Bezug auf die Flugeigenschaften noch einen Vorteil. Entenflugzeuge zeigen ein gutmütiges Verhalten bei "überziehen", d.h. Unterschreiten der minimalen Fluggeschwindigkeit. Wird ein Entenflugzeug überzogen, reißt die Strömung zunächst am Kopfflügel ab, das Flugzeug nimmt "die Nase" nach unten und holt Fahrt auf. Der Tragflügel befindet sich noch in einer unkritischen Luftströmung und die Querruder bleiben wirksam. Das Entenflugzeug korrigiert diese kritische Fluglage fast selbständig, ohne die Gefahr ins Trudeln zu geraten.

Der Nachteil des Entenflugzeugs ist die geringe Richtungsstabilität, die Neigung, aus der Flugrichtung auszubrechen. Entenflugzeuge pendeln häufig um die Hochachse, sie gieren.

Dieser Nachteil läßt sich bei einer klassischen Entenkonfiguration durch große Seitenleitwerke, die Bevorzugt im Außenbereich der Tragflügel angebracht werden, kompensieren. Diese Lösung ist aber mit einer Erhöhung des Luftwiderstands erkauft.

Das Problem des RandwirbelWiderstandes wird in der Praxis dadurch gelöst, daß auf die Enden der Tragflügel Scheiben, sogenamte Winglets aufgesetzt werden, welche ein Umströmen der Tragflügel spitze verhindern sollen. Eine weitere Möglichkeit ist es, einen Tragflügel möglichst großer Streckung zu bauen. Unter der Streckung eines Tragflügels versteht man den Quotienten aus dem Quadrat der Spannweite und des Flächeninhalts des Tragflügels. Je größer die Streckung eines Tragflügels ist, desto kleiner ist der ausgebildete Randwirbel.

Diese Lösungen haben ihrerseits Nachteile. Durch das Aufsetzen der Winglets auf die Tragflügelenden entstehen ebenfalls Wirbel, welche in Betrag und Richtung dem eigentlichen Randwirbel entgegengesetzt sind. Durch Addition mit dem Randwirbel diesen jedoch nicht vollständig eliminieren, da die Winglets nicht für Jeden Flugzustand optimal eingestellt werden können. Die an den Tragflügelenden installierten Winglets und ihre Massen und die auf sie wirkenden Luftkräfte müssen über den Hebelarm der halben Spannweite an der Tragflügelwurzel wieder als statisches Moment konstruktiv aufgefangen werden.

Bei Tragflächen mit hoher Streckung kann, aufgrund der sehr schmalen Bauform, im Schnellflug eine Torsionsschwingung auftreten, das sogenannte Flattern. Dies ist bei modernen Hochleistungssegelflugzeugen, an denen solche Tragflügel hoher Streckung realisiert werden, auch tatsächlich ein großes Problem. Durch die große Spannweite, eines solchen Tragflügels wird das, an der Flügelwurzel auftretende Biegemoment sehr groß, da der wirksame Hebelarm der Spannweite des Flügels proportional ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Konpaktflugzeug ohne ausgeprägten Leitwerksträger zu konstruieren, bei dem die einzelnen Komponenten nahe dem Flugzeugschwerpunkt angeordnet werden. Die Vorzüge des Entenflugzeugs bezüglich der Flugeigenschaften und des Auftriebvorteils mit einer gleichzeitigen Verminderung des Randwirbels zu übernehmen und die bekannten Nachteile gleichzeitig auf ein Minimum zu reduzieren.

Die Lösung dieser Aufgabe liegt erfindungsgemäß in der Konfiguration eines Kompaktflugzeugs in Entenkonfiguration, wobei die Enden der Kopfflügel mit den Enden der Tragflügel verbunden sind und das Triebwerk im Rumpfheck installiert wird. Die Verbindung zwischen den Kopfflügeln und den Tragflügeln ist bogenförmig ausgeführt, wodurch ein harmonischer übergang zwischen Kopfflügelenden und Tragflügelenden erreicht wird. Dieser übergang verhindert den Druckausgleich zwischen Tragflügelober- und Unterseite. Er verbindet weiterhin Tragflügel und Kopfflügel zu einem geschlossenen Rahmen, was in Bezug auf die Statik günstiger ist, als eine Lösung mit freitragenden Kopf- und Tragflügeln.

Die Verbindung zwischen Kopfflügeln und Tragflügeln gelingt Jedoch nur durch starke positive Pfeilung der Kopfflügel und negativer Pfeilung der Tragflügel, wobei die elliptische Biegung der Kopfflügel und Tragflügel die Höhendifferenz zwischen den Kopfflügeln und Tragflügeln ausgleicht. Diese Formgebung wirkt sich positiv auf das Flugverhalten aus, da eine Pfeilung der Kopfflügel und Tragflügel eine richtungsstabilisierende Wirkung hat. Der bogenförmig ausgebildete übergang der Kopf- und Tragflügelenden wirkt ebenfalls richtungsstabilisierend, da er wie die bei klassischen Entenflugzeugen auf die'Tragflügel aufgesetzten Seitenleitwerke wirkt, dafür aber keine zusätzlichen Wirbel erzeugt. Die elliptische Biegung hat die Wickung einer sogenannten V-Stellung der Kopfflügel und Tragflügel, sie wirkt stabilisierend um die Längsachse des Flugzeugs.

Durch die gestaffelte Anordnung von Kopfflügeln und Tragflügeln, bei gleichzeitiger Anordnung des Triebwerks im Rumpfheck, läßt sich ein äußerst kompakter Rumpf realisieren, da der umbaute Raum minimal ist, mit freier Sicht nach vom aus dem Cockpit für Pilot und den, oder die Passagiere.

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Das Seitenleitwerk wird hinter dem Propeller angebracht und direkt vom Propeller angeblasen. Es ist daher hochwirksam.

Ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen·.

Figur 1 eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Kompaktflugzeugs

Figur 2 eine Rückansicht des erfindungsgemäßen Kompaktflugzeugs

Figur 3 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Kompaktflugzeugs

Figur 4 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kompaktflugzeugs

Figur 5 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen

Konpaktflugzeugs

Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Kompaktflugzeugs sind in Figur 4 erkennbar : Der kurze, kompakte Rumpf 1, sowie der geringe Abstand der einzelnen Komponenten zueinander. Der Übergangsbereich 8 zwischen Kopfflügel 3 und Tragflügel 2 bildet sich hier als senkrechte, daß lenkbare Seitenruder 5, unterstützende Fläche ab.

Die Kopfflügel 3 und die Tragflügel 2 nehmen die zur Höhen- und Quersteuerung nötigen Klappen und Ruder auf. Das Seitenruder 5 ist hinter dem Propeller 10, zwischen Tragflügelunterseite und Kiel 11 angebracht und drehbar gelagert. Es liegt direkt im Luftstrom des Propellers 10. Hierdurch ist eine sehr gute Wirkung des Seitenruders 5 gegeben.

Der Pilot und der, oder die Passagiere haben aus dem Cockpit 12 freie Sicht nach vorn

Das erfindungsgemäße Kompaktflugzeug hat ein verkleidetes Bugradfahrwerk bestehend aus Hauptfahrwerk 13 und lenkbarem Bugfahrwerk 14. Andere Ausführungen des Fahrwerks s.ijid.ebe.nfa.l.ls..möglich..

Weitere Einzelheiten des erfindungsgeneßen Konpaktflugzeugs sind den Figuren 1 und 2 und 3 und 5 zu entnehmen.In Figur 5 ist zusätzlich die ungefähre Lage des Flugzeugschwerpunktes 7 angegeben, um die geringen Abstände der einzelnen Flugzeugkomponenten zum Schwerpunkt zu verdeutlichen.

Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Konfiguration mit ummantelten
Druckpropeller 10 dar. Es wäre auch möglich, den Propeller 10 ohne
Ummantelung 4 auszuführen, oder den Propeller 10, als Zugpropeller in die
Rumpfspitze 9 einzubauen und über eine Fernwelle anzutreiben.

Claims

Dipi,-Ing. (FH) Andree Krakow Telefon :(0471) 3 12 69 Am Oberhamm 39 Telefax :(0471) 3 12 79 27570 Bremerhaven den 09.02.1995 Ansprüche

1. Kompaktflugzeug mit einem Rumpf &Pgr;), mindestens zwei Tragflügeln(2) und wenigstens zwei Kopf flügel &eegr; (3), dadurch gekennzei chnet, daß der Rumpf(1) keinen ausgeprägten Leitwerksträger zur Aufnahme eines separaten -Höhenlei twerks besi tzt.

2. Konpaktflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß außer den Kopfflügeln(3) und den, oder der Tragflügel(2), keine zusätzliche, Auftrieb oder Abtrieb erzeugende, Höhenleitwerksfläche vorhanden ist.

3. Konpaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzei chnet, daß die zur Höhensteuerung nötigen Klappen und Steuerflächen in den Kopfflügel&eegr;(3), oder die, oder den Tragflügel&eegr;(2) integriert sind.

4. Konpaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzei chnet, daß das Seitenruder (5) an der Unterseite des Tragflügel s (2) und am Rumpf heck (6) hinter dem PropellerdO) an einem Kiel(11) befestigt ist.

5. Konpaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzei chnet, daß das, oder die Triebwerke (15) im Rumpfheck(6) installiert sind.

6. Kompaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzei chnet, daß das Cockpit (12) im Rumpf (1) zwischen der RunpfspitzeO) und den, oder dem Triebwerk(15) angeordnet ist.

7. Konpaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzei chnet, daß die, oder der Tragflügel (2) höher am Rumpf(1) angeordnet ist, als die Kopfflügel(3).

8. Kompaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die, oder der Tragflügel (2) eine negative Pfeilung und eine elliptische Biegung nach unten aufweisen.

9. Konpaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzei chnet, daß Jeder Kopfflügel (2) eine positive Pfeilung und eine elliptische Biegung nach oben aufweist.

10.Kompaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des, oder der Tragflügel (2) mit den Enden der Kopfflügel(3) fest verbunden sind.

10.Kompaktflugzeug nach einem, oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzei chnet, daß die Verbindungsstellen der Enden der Kopfflügel(3) mit den Enden des, oder der Tragflügel(2) bogenförmig ausgeführt sind, so das in der Vorder- oder Rückansicht die Form einer Ellipse entsteht.