DE3114143A1 - "verfahren zur optimierung des reiseflugzustandes von flugzeugen mit transsonischen tragfluegeln sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens" - Google Patents
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Description
8Ι22-Ι0 . Bremen, 27.3.1981
Vv 22 B/Die/sch
Vereinigte Flugtechnische Werke
Gesellschaft mit beschränkter Haftung
Verfahren zur Optimierung des Reiseflugzustandes von Flugzeugen mit transsonischen
Tragflügeln sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Reiseflugzustandes
von Flugzeugen mit transsonischen Tragflügeln, insbesondere von Verkehrs- und Transportflugzeugen. Außerdem betrifft sie eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens.
5
5
Tragflügel moderner Verkehrsflugzeuge sowie ziviler und militärischer
Transportmaschinen werden in zunehmendem Maße mit überkritischen Profilen
versehen, wobei diese transsonischen Tragflügel geeignet sind, die Wirtschaftlichkeit
dieser Flugzeuge beträchtlich zu steigern und ihre Leistungsgrenzen
entsprechend zu erweitern. Dies aber hat auch zur Folge, daß bei Reiseflugzuständen, die von den der Flügelauslegung zugrunde liegenden
Bedingungen abweichen, relativ hohe Leistungsverluste zu verzeichnen sind. Abweichungen von diesen Auslegungsbedingungen, d.h. vom optimalen
Reiseflugzeug des jeweiligen Flugzeuges, aber sind unvermeidbar.
Dies wird unter anderem bedingt durch die jeweilige Sitzplatzauslastung
sowie unterschiedlichen Streckenprofile und sich daraus er-
-5-
gebende unterschiedliche Werte für das aktuelle Fluggewicht, die Flughöhe
sowie die Geschwindigkeit des Flugzeugos.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem bei einem
Flugzeug der eingangs genannten Art die Grenzen für den optimalen Reiseflugbereich,
sei es im Hinblick auf einen möglichst geringen Treibstoffverbrauch oder auf eine vorgegebene Flugzeit, weiter ausgedehnt werden
können. Zugleich soll durch die Erfindung eine Vorrichtung bereitgestellt
werden, mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren mit möglichst geringern
Aufwand, aber hoher Effektivität, realisieren läßt.
Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem die
jeweils aktuellen Daten hinsichtlich Flughöhe, Fluggewicht und Fluggeschwindigkeit
erfaßt werden und die Wölbung des Tragflügels in Abhängigkeit von diesen Parametern definiert verändert wird. Dies bedeutet, daß
entsprechend dem jeweiligen Flugzustand der angestrebten Wölbungsänderung die Flügelströmung gezielt beeinflußt wird und somit eine kontrollierte
Regelung der Auftriebs- und Widerstandsdaten während des Reisefluges vorgenommen wird.
Durch die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen Steuerungsmaßnahmen wird der angestrebte günstige Auslegezustand über eines sehr
viel größeren Machzahl-Anstellwinkel-Bereich aufrechterhalten als dies
ohne derartige Steuerungsmaßnahmen möglich ist. Darüber hinaus kann die Hinterkantenablösung, die direkte stoßinduzierte Ablösung sowie die
Stoßlage bei hohen Flugmachzahlen kontrolliert werden. Durch die Veränderung
des Krümmungsverlaufs auf der Tragflügelunterseite wird ferner
der Auftriebsanteil auf der Unterseite (Rearloading) gesteuert.
'Weitere vorteilhafte Maßnahmen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann dadurch, daß die Flügelwölbung in Spannweiterrichtung unterschiedlich stark verändert
wird, die Auftriebsverteilung des Tragflügels in Spannweitenrichtung dem
jeweiligen Flugzustand optimal angepaßt werden. Eine zusätzliche Aus-
dehnung des wirtschaftlichen ReisefLugbereichs unter transsoischen
Strömungsbedingungen wird ferner durch die Überlagerung einer
begrenzten Flächenvergrößerung erreicht. Durch die dabei erzielte Vergrößerung der Flügeltiefe wird zusätzlich die für transsonische
Strömungen maßgebende relative Flügeldicke reduziert.
indem in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht nur die Wölbung der Flügelhinterkante, sondern auch die Nasenwölbung des Flügels verändert wird, werden die bei einer Änderung der
Hinterkantenwölbung auftretenden unvermeidlichen Trimmverluste weitgehend
wieder reduziert. Der angestrebte Strömungszustand kann so
gesteuert über eine noch größeren Machzahl-Anstellwinkel-Bereich aufrechterhalten
werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird bei diesem Verfahren vorgesehene Steuerung der Gleitzahl, also
von Antrieb und Widerstand, im wesentlichen mittels des für den Niedergeschwind igkeitsbereich des Flugzeuges, d.h. die Start- und Landephase,
und für seine Lagesteuerung vorgesehenen Klappen- und Spoilersystems
realisiert, wodurch sich ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil
ergibt.
Zur Lösung der weiteren Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei
einem Klappen- und Spoilersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
die Spoiler jeweils unter Verspannung dicht auf den Hochauftriebsklappen
aufliegen. Dadurch wird erreicht, daß die Spoiler bei einer Wölbungsveränderung,
die durch ein Verschwenken der Hochauftriebsklappen bewirkt wird, zwangsläufig dem Klappenausschlag folgen und damit einen
Konturausgleich gewährleisten. Ein besonders strömungsgünstiger Konturausgleich wird dabei durch die in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen Maßnahme erzielt, gemäß der die Spoiler biegeflexibel ausgebildet
sind.
Weitere Maßnahmen, die geeigriot sind, mit möglichst geringem Aufwand
die Effektivität der Vorrichiung nach der Erfindung zusätzlich zu er-
-7-
"J7L- Μ:·- ■;-: "ι 31HU3
höhen, sind in den Ansprüchen 9 bis 16 vorgeschlagen. So wird auf der
Tragflügelunterseite ein Konturausgleich Tch eine zusätzliche spaltabdeckende
HiIfsklappe geschaffen, die ebenfalls unter Vorspannung dicht
an den Hochauftriebsklappen anliegen, wobei der Konturausgleich auch hier 5 optimal ist, wenn diese Hilfsklappen ebenfalls biegeflexibel ausgebildet
sind. Die spaltabdeckenden Hilfsklappen sind insbesondere dann von Vorteil,
wenn die Hochauftriebsklappen zur möglichst einfachen Realisierung
von Flächenvergrößerungen des Tragflügels als Fowler-KLappen ausgebildet
sind. Einerseits bleibt der Spalt zwischen der Flügelhinterkante und der jeweiligen Fowler-Klappe auch bei begrenzt ausgefahrener Klappe noch abgedeckt,
andererseits verbessern diese Hilfsklappen beim Landeanflug mit voll ausgefahrenen Fowler-Klappen die Strömungsverhältnisse im Spalt und
damit das Maximalauftriebsverhalten. Daüber hinaus wird durch diese Hilfsklappen
im StartfaLl bei reduziertem Klappenwinkel die Gleitzahl erhöht.
Durch die weiterhin vorgeschlagene Unterteilung des Hinterkanten-Klappensystems
in Einzelsegmente wird eine einfache Möglichkeit geschaffen, die
Flügelwölbung über die Spannweite unterschiedlich stark zu verändern. Hier
ist es zur Vermeidung von Stufen zusätzlich besonders vorteilhaft, wenn
die einzelnen Segmente jeweils begrenzt torsionsweich ausgebildet sind.
Schließlich ergibt sich bei Verwendung der in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung vorgeschlagenen Kombination aus jeweils einer Vorderkanten-Slat-Klappe
mit einer zur Flügelnasen-Unterseite verlaufenden Zusatzklappe die
Möglichkeit, auf einfache Weise zusätzlich die Nasenwölbung des Flügels definiert zu verändern und durch eine machzahlgesteuerte Druckverteilung
in Flügeltiefenrichtung zusätzlichen Auftriebsgewinn sowie eine günstige
Beeinflussung der Momentenverteilung zu erzielen. Zugleich ermöglicht diese
Anordnung eine zusätzliche Verbesserung der Startgleitzahl und des
Maximalauftriebs. Durch Aufteilung des Vorderkantenklappensystems in einzelne Segmente, die zudem torsionsweich ausgebildet sind, kann zudem die
Nasenwölbung für unterschiedliche Bereiche in Spannweitenrichtung unterschiedlich
stark variiert werden.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 bis 3 Schnittdarstellungen des Hinterkantenbereichs
eines transsonischen Tragflügels mit einer Vor-
3114H3
richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in verschiedenen Stellungen,
Fig. 4 bis 6 Schnittdarstellungen der Vorderkante eines transsonischen Tragflügels mit einer Vorrich
tung gemäß der Erfindung in verschiedenen Stellungen,
Fig. 7 einen transsonischen Tragflügel in Draufsicht,
Fig. 8a und b schematische Darstellungen der Ansteuerung des
Tragflügels gemäß Fig. 6 im Reiseflug,
Fig. 9 eine Darstellung des Verlaufs der Gleitzahl in
Abhängigkeit vom Auftriebsbeiwert und 15
Fig. Io eine Darstellung des Verlaufs des Produktes aus
Machzahl und Gleitzahl in Abhängigkeit von der Machzahl.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem in den Figuren 1 bis 3 schematisch dargestellten System von Hinterkantenklappen
eines transsonischen Tragflügels 1 handelt es sich zunächst
um eine sogenannte Fowler-Tab-Klappe, die als Hochauftriebsklappe dient.
Diese besteht im einzelnen aus einer schwenkbar und längsverschieblich
an der Flügelstruktur gehalterten ersten Klappe 2 (Flap) sowie einer an
dieser schwenkbar angelenkten Klappe 3 (Tab). Weiterhin umfaßt das Hinterkantenklappensystem
einen an der Flügelstruktur schwenkbar gehalterten Spoiler 4, dessen rückwärtiger Endbereich unter Vorlast bzw. Vorspannung
auf den Hochauftriebsklappen 2 bzw. 3 aufliegt.
Schließlich weist in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Anordnung auf der
Tragflügeluntersei'te eine Hilfsklappe 5 auf, die ebenfalls unter einer nach
1HH3
innen gerichteten Vorspannung an der Flügelstruktur schwenkbar angelenkt
ist und die in der in Fig. 1 gezeigten Klappenstellung, bei der die Hochauftriebsklappen
2 und 3 vollständig eingefahren sind, den zwischen der Klappe 2 und der Tragflügelhinterkante bestehenden Spalt 6 auf der Flügelunterseite
abdeckt.
Sowohl der Spoiler 4 als auch die Hilfsklappe 5 sind bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel der Erfindung in begrenztem Umfang biegeflexibel ausgebildet; ihre äußeren Endbereiche sind ferner so geformt, daß sie
ohne Absatz an den Hochauftriebsklappen 2 bzw. 3 anliegen.
Wie Fig. 2 zeigt, bleibt der Spalt 6 auch bei begrenzt ausgefahrener Klappe
2 durch die Hilfsklappe 5 abgedeckt. Fig. 3 zeigt, daß bei voll ausgefahrenen Klappen 2 und 3 die Hilfsklappe 5 an der Innenwand des Spaltes 6
anliegt und dazu beiträgt, die StrömungsVerhältnisse im Spalt zu verbessern.
Wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht, stellen der Spoiler 4 sowie die Hilfsklappe 5 bei einem Verschwenken der Klappen 2 und 3 in positiver
bzw. negativer Richtung jeweils einen optimalen Konturausgleich der Tragflügelober-
bzw. Unterseite her.
In den Figuren 4 bis 6 ist die Vorderkante des transsonischen Tragflügels
dargestellt, die mit einem ausfahrbaren Vorflügel 7 versehen ist. Der Vorflügel 7 ist dabei als sogenannte Vorderkanten-Slat-Klappe ausgebildet.
Am vorderen Ende der Klappe 7 ist an deren Innenseite eine Zusatzklappe 8 mit ihrem einen Ende schwenkbar angelenkt, während ihr anderes Ende in der
Fig. 4 dargestellten Klappenstellung an der Unterseite der Flügelnase unter
Vorlast bzw. Vorspannung anliegt. Die Klappe 7 sowie die Zusatzklappe 8, die im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels beide ebenfalls in
begrenztem Umfang biegeflexibel ausgebildet sind, sind so geformt, daß sie
bei den in Fig. 4 angedeuteten unterschiedlichen Schwenkstellungen der
Klappe 7 jeweils einen vollständigen Konturausgleich sowohl auf der Flügeloberseite
als auch auf der Unterseite herstellen.
Letzteres gilt in begrenztem Umfang auch noch für die in Fig. 5 dargestellte
Startstellung der Klappen 7 und 8, bei der die Zusatzklappe 8 den Slat-
': :X.: I':.:. - X ": 31HU3
- Io -
spalt nach wie vor abdeckt. Erst bei der in Fig. 6 dargestellten Stellung
ist der Slatspalt 9 geöffnet; wobei die Zusatzklappe 8 sowohl zu einer Verbesserung des Slatprofils als auch zu einer strömungsgünstigeren Ausformung des Spaltes beiträgt und dadurch den Maximalauftrieb
verbessert.
Angemerkt sei noch, daß sowohl bei den Figuren 1 bis 3 als auch bei den
Figuren 4 bis 6 die jeweiIs.zugehörigen Antriebskinematiken für die Klappen
2,3 bzw. 7, die als solche bereits bekannt sind, aus Gründen einer möglichst übersichtlichen Darstellung nicht mit abgebildet sind.
In Fig. 7 ist der transsonische Tragflügel 1 in seiner gesamten Erstreckung
in Draufsicht dargestellt, wobei auch ein unterhalb des Flügels angeordnetes Triebwerk Io mit angedeutet ist. Wie aus der Abbildung
hervorgeht, sind sowohl die Vorderkanten-Slat-Klappen 7 als auch die
Hochauftriebsklappen 2,3 jeweils in einzelne Segmente 5 1 bis S 4 bzw.
F 1 bis F 5 unterteilt. Das gleiche gilt auch für die Spoiler 4, die aus
den Segmenten Sp 1 bis Sp 8 gebildet werden. Zusätzlich angedeutet ist
in dieser Figur noch eine spaltabdeckende Wölbungsklappe 11, die im
Außenbereich des Tragflügels 1 angeordnet ist, in dem Spoiler nicht anwendbar sind und die in diesem Bereich den Konturausgleich bewirkt.
Im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels sind sowohl die Segmente
S 1 bis S 4 als auch die Segmente F 1 bis F 5 jeweils in begrenztem Umfang torsionsweich ausgebildet, so daß sie über die jeweilige Segmentspannweite
unterschiedlich stark ausgeschlagen werden können.
Die Figuren 8a bzw. 8b zeigen eine Darstellung der mit der in Fig. 7 dargestellten
Anordnung erzielbaren Wölbungsänderungen der Tragflügelhinterkante
(Fig. 8a) bzw. -vorderkante (Fig. 8b), jeweiLs repräsentiert durch
den Verlauf des zugehörigen Klappenausschlagwinkels S der entsprechenden
Klappen. Die ausgezogene Kurve zeigt dabei jeweils sich in Spannweitenrichtung
ergebenen Verlauf des Winkels, sofern wie vorstehend beschrieben begrenzt torsionsweiche Klappensegmente verwendet werden, während die
gestrichelten Kurven den gleichen Verlauf bei Verwendung konventioneller
Klappensegmente wiedergeben.
-11-
31HU3
Der Einsatz der vorstehend beschriebenen Anordnung bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich im wesentlichen bereits aus
den entsprechenden Figuren. Entsprechend diesem Verfahren werden zur Optimierung
des Flugzustandes eines sich im Hochgeschwindigkeitsbereich bewegenden, d.h. im Reiseflug befindlichen, Flugzeuges mit entsprechend
der vorstehenden Beschreibung ausgestatteten transsonischen Tragflügeln
jeweils aktuellen Flugdaten hinsichtlich Flughöhe, aktuellem Fluggewicht sowie Flugmachzahl ermittelt. Entsprechend dieser aktuellen Parameter
wird nunmehr Einfluß auf die Gleitzahl des Flugzeuges genommen,
indem Auftrieb und Widerstand des Flügels in definierter Weise gesteuert werden.
Dies erfolgt, indem entsprechend der aktuellen Randbedingungen sowie entsprechend
vorgegebener Kriterien, hinsichtlich derer eine Optimierung vorgenommen werden soll, die Flügelströmung kontrolliert verändert wird. Zu
diesem Zweck können zum einen sowohl die Wölbung der Tragflügelhinterkante
als auch die der Tragflügelvorderkante verändert werden, zum anderen kann
die Fläche des Flügels vergrößert werden. Ferner kann die Wölbung des Tragflügels in Spannweitenrichtung unterschiedlich stark variiert werden.
In allen Fällen werden die erforderlichen Veränderungen jeweils rechnergesteuert
vorgenommen.
Der Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens im Hinblick auf eine Ausweitung
des jeweils günstigsten Reiseflugbereiches ist schließlich anhand
der Figuren 9 und Io dargestellt. Fig. 9 zeigt dabei die Gleitzahl (L/rJ Abhängigkeit
vom Auftriebsbeiwert C, bei einer konstanten Reiseflugmachzahl einerseits für ein Flugzeug mit fester, ungesteuerter Flügelgeometrie
(strichpunktierte Kurve) und andererseit bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens (einhüllende Kurve des schraffierten Bereichs).
Im letzteren FaLl wird der wirtschaftliche Flugbereich aufgrund der entsprechend
dem Verfahren erfolgten Maßnahmen erheblich ausgedehnt.
Fig. 1o zeigt den entsprechenden Effekt hinsichtlich der Ausdehnung des
wirtschaftlichen Flugbereichs auf einen größeren Machzahlbereich, wobei
31UH3
in diesem FaLL das Produkt aus MachzahL und GLeitzahL über der MachzahL
aufgetragen ist. Auch hier gibt die strichpunktiert gezeichnete Kurve
den entsprechenden VerLauf wieder, wie er sich ohne Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergibt, während die durchgezogene Kurve die sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergebene Ausweitung der
Auftriebsgrenzen und damit des wirtschaftLichen Reiseflugbereichs verdeutlicht.
Erwähnt sei schließlich noch, daß dieses vorstehend beschriebene Verfahren
selbstverständlich unabhängig vom jeweiligen Typ des HinterkantenkLappensystems
anwendbar ist, also beispieLsweise auch bei Einfachspalt-Fowlerklappen
ohne Tab sowie bei MehrfachspaLt-FowlerkLappen.
L eerseitt
Claims (16)
1. Verfahren zur Optimierung des Reiseflugzustandes von Flugzeugen mit transsonischen Tragflügeln, insbesondere
von Verkehrs- und Transportflugzeugen, dadurch gekennze i c h n e t, daß während des Fluges die jeweils aktuellen Daten hinsichtlich
Flughöhe, Fluggewicht und Fluggeschwindigkeit erfaßt werden und die
Wölbung des Tragflügels (1) in Abhängigkeit von diesen Parametern definiert verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Wölbung in Spannweiterrichtung des Tragflügels
(1) unterschiedlich stark verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Wölbung auch die Flächen-
größe des Tragflügels (1) definiert verändert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennze i chnet, daß sowohl die Wölbung der Flügelhinterkante
als auch diejenige der Flügelvorderkante verändert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungsänderungen der Vorderkante
und der Hinterkante des Tragflügels (1) unabhängig voneinander kontrolliert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbungsänderungen des
Tragflügels (1) mittels des für den Niedergeschwindigkeitsbereich bzw.
für die Lagesteuerung des Flugzeugs vorgesehenen Klappen- und Spoilersystems (2,3,7) realisiert werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Form eines aus Hochauftriebsklappen
sowie Spoilern bestehenden Hinterkantenklappensystems, dadurch g e kennzeichnet,
daß die Spoiler (4) jeweils unter Vorspannung dicht auf den Hochauftriebsklappen (2,3) aufliegen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spoiler (4) biegeflexibel ausgebildet
sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, mit einem Spalt zwischen der Hinterkante des Tragflügels und den Hochauftriebsklappen,
gekennzeichnet durch den Spalt (6) abdeckende, auf der Unterseite des Tragflügels (1) angeordnete Hilfsklappen (5), die ebenfalls
unter Vorspannung dicht an den Hochauftriebsklappen (2,3) anliegen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge kennze
i chnet, daß die Hilfsklappen (5) ebenfalls biegeflexibel
ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis lo, dadurch gekennze i chnet, daß die Hochauftriebsklappen (2,3)
als Fowlerklappen ausgebildet sind.
-3-
31UH3
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Hinterkö.itenklappensystem
(2,3) in einzelne, getrennt ansteuerbare Segnnente (FI - F5) unterteilt
ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Segmente (FI - F5) über ihre
Segmentspannweite jeweils begrenzt torsionsweich ausgebildet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
bei der die Tragflügel zusätzlich mit ausfahrbaren Vorflügeln versehen
sind, dadurch gekennze i chnet, daß die Vorflügel als Vorderkanten
- Slat - Klappen (7) ausgebildet sind, an deren Enden auf der Flügelunterseite jeweils Zusatzklappen (8) schwenkbar angelenkt sind,
wobei die Vorderkanten - Slat - Klappen (7) sowie die Zusatzklappen (8) unter Vorspannung an der an der Struktur des Tragflügels (1)
anliegen.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch g e kennzeichnet,
daß der der Flügelnase benachbarte Bereich der Slat-Klappen (7) sowie der Zusatzklappen (8) jeweils biegeflexibel ausgebildet
ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennze lehnet, daß das aus Slat-Klappen (7) sowie Zusatzklappen
(8) bestehende System von Vorderkantenklappen in einzelne Segmente (SI - S4) unterteilt ist, von denen jedes über die Segmentspannweite begrenzt
torsionsweich ausgebildet ist.
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