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Beschreibung "Rückgepfeiltes schwanzloses Flugzeug
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mit Ruderklappen" Die Erfindung bezieht sich auf ein rückgepfeiltes
schwanzloses Flugzeug, vornehmlich Segelflugzeug.
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Als schwanzloses Flugzeug, verkürzt "Nurflügel" genannt, bezeichnet
man ein Flugzeug ohne Leitwerksträger mit daran angebrachtem Höhenleitwerk, wobei
kleinere "Hilfsflügel" oder Seitenstabilisierungsflossen in die Definition passen.
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Mit diesem Gebiet beschäftigt man sich schon seit den Anfängen des
Flugzeitaltets ,:denn ein Nurflügel ließ entscheidende Vorteile gegenüber Normalflugzeugen
erwarten: Bessere Flugleistungen und höhere Geschwindigkeit aufgrund des geringeren
Luftwiderstandes (fehlendes Höhenleitwerk, kleiner oder kein Rumpf). Kurven sind
unproblematischer verlustarm zu fliegen (wenig Seitenfläche im Schiebeflug).
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Das 3auprinzip ist einfacher, was Kosteneinsparung und geringeren
Platzbedarf bedingt. Bei einer Ausführung als Modellflugzeug ist sehr entscheidend
auch die weitaus niedrigere 3ruchgefahr, denn die häufigsten Zerstörungen an entsprechenden
Normal flugzeugen entstehen durch den sogenannten "Peitscheneffekt" des Leitwerksträgers.
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Der Stand der Technik ist jedochl,+in praxi die genannten Vorteile
allerhöchstens teilweise auftraten, bei hinzukommenden, schwerwiegenden Nachteilen
(hauptsächlich mangelnde Flugleistungen und -eigenschaften). Der Nurflügel blieb
so immer unterlegen und "Außenseiter".
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein schwanzloses Flugzeug
zu ermöglichen, welches auch vergleichbaren Normalflugzeugen umfassend überlegen
ist.
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Für die Lösung dieser Aufgabe mußten umfangreiche Forschungen über
den Stand der Technik angestellt, und die Ursachen für die bisher insgesamt unbefriedigenden
Ergebnisse aufgedeckt werden. Aus dem großen Komplex von Schwierigkeiten kristallisierte
sich ein Hauptproblem heraus, welches sich auch den bisher besten Konstruktionen
in den eg stellte und hier genauer dargestellt sein soll.
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Wird das Maß des Auftriebs mittels Steuerung verändert, entstehen
bei einem herkömmlichen Nurflügel starke Anstellwinkeländerungen auch des vorderen
Profilteils ( vP) (siehe Fig.6, Pos.3). Dies bedeutet ganz allgemein, daß die Profileigenschaften
schlechter werden, denn jedes Profil ist optimal für einen bestimmten Anstellwinkelbereich
ausgelegt (was sich besonders am vorderen Profilteil entscheidet). Gute Leistungen
sind somit nur für einen bestimmten Auftriebsbereich möglich, was jedoch den praktischen
Flugerfordernissen entgegensteht, welche einen großen Lei s$ungsbereich fordern
(z.B. Segelflugzeug: langsam im Thermiksteigflug, schnell im Hochgeschwindigkeitsstreckenflug).
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Eine weitere Folge von großen #αVP ist, daß schnell der kritische
Punkt des Profils erreicht wird, an dem die Strömung "abreißt", also der zu stark
angestellten vorderen Profilkontur auf der Oberseite nicht mehr folgen kann. Bekanntlich
ist dies den Flugeigenschaften sehr abträglich, das (Vor-)urteil des "gefährlichen"
Nurflügels fand hier seine Entstehung.
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Um den Problemen geringer Geschwindigkeitsbereich" und "Strömungsabriß"
auszuweichen, mußte man Profile verwenden, die eine große vP "vertrugen". Es vergrößert
sich aber im Allgemeinen der Mindestwiderstand eines Profils mit seiner Bandbreite,
d.h., erweitert man den Leistungsbereich eines Profils, verschlechtert sich gleichzeitig
dessen Leistungsniveau. Es kommt aber gerade bei einem Nurflügel darauf an, ein
möglichst hohes Leistungsniveau zu erreichen, denn der mögliche Leistungsvorteil
eines Nurflügele liegt, wie anfangs angeführt, im möglichen geringen Widerstand,
dessen größten Teil hier der Profilwiderstand bildet. Bekannte Rechnungen beweisen,
daß die selben Widerstandseinsparungen beim Nurflügel weitaus größere 1eistungsverbesserungen
ergeben, als beim Normalflugzeug.
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Das hier Gesagte läßt sich dokumentieren: Sämtliche schwanziosen
"HORTEN"-Segelflugzeuge, welche den bisher höchsten Entwicklungsstand auf diesem
Gebiet verkörpern, waren ausgestattet mit dicken "Turbulenzprofilen"
großer
Dickenvorlage siehe Fig.6, Pos.4) (bis auf eine, im Folgenden beschriebene Ausnahme).
Derartige Profile sind tauglich für große #αvp B besitzen aber einen mit modernen
"Laminarprofilen" großer Dickenrücklage in keiner Weise konkurrenzfähigen Mindestwiderstand.
Als man die HORTEN H-IV b versuchsweise mit einem solchen Laminarprofil ausstattete
(die erwähnte Ausnahme),""zeigten sich 'bösartige" Flugeigenschaften (...). Dies
stand in totalem Gegensatz zu dem Verhalten der normalen Nurflügel H SII und H IV."
(Zit. aus: HORTEN/SELINGER,Nurflügel,Weishaupt Werlag, Graz 1983, S.116).
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PFAFF fAhrt in der Offenlegungsschrift 28 03 041,int.C12 B 64 C 3/02
vom 2.8.79 Profile an, welche sich lt. Text als besonders geeignet für dessen Nurflügel
herausgestellt hätten: FX O5 -H-126 und FX 62-K-131/17 (mod.).
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Diese sind zwar Laminarprofile, jedoch solche mit sehr großer Bandbreite
und daraus sich ergebendem nicht geringen Mindestwiderstand, sodaß sich eine deutliche
Leistungsüberlegenheit eines nach jenem Patent ausgeführten Nurflügele gegenüber
Normalflugzeugen nicht einstellen kann. So schreibt THIESS über einen solchen Nurflügel
von PFAFF auch nur: ""und steht hinsichtlich der Flugleistung vergleichbaren Normalmodellen
kaum nach""(Zit. aus: Flug- und Modelltechnik 1980,Heft 4, 5.298).
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Das Ergebnis der Forschungen war also, daß beim Nurflügel vor allem
der beschriebenen starken 8ZvP entgegengewirkt werden muß, will man Hochleistungsprofile
geringsten Mindeatwiderstandes einsetzen und so zu hervorragenden Ergebnissen gelangen.
Die im Folgenden dargestellte Erfindung stellt eine überraschende Lösung dieses
Problems dar, mit deren Hilfe ein Nurflügel gebaut werden konnte, der sich auch
vergleichbaren Normalflugzeugen als deutlich überlegen herausstellte (ferngesteuertes
Segelflugmodell)r Auftriebsveränderungen werden in großem Maße durch ilölbungsveränderungen
von Ruderklappen nach Anspruch 1 erreicht, wobei nur geringe oder keinevp #αvP
erfolgen.
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Die Funktionsweise der Erfindung sei unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
erläutert.
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Es zeigen: Fig.1: Bei einem Ausführungsbeispiel befinden sich nach
Anspruch 1 und 2 im Flügelwurzelbereich Ruderklappen für die Höhen-/Wölbklappensteuerung,
welche bei Auftriebserhöhung sich nach unten wölben (1).
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Aufgrund der Rückpfeilung des Nurflügels liegt der (induzierte) Angriffspunkt
(5) der Ruderklappen bei entsprechender Auslegung auf bzw. knapp vor der Schwer-
(Auftriebsmittel-)linie (6) des Flugzeug.
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Durch die Lage dieses Angriffspunktes zur Schwerlinie wird das Maß
der t vP bei Auftriebsänderungen bestimmt, bei der obigen Ausführung erfolgt nur
geringe bzw. keine tobvp (siehe Fig.6, Pos.7).
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Eine Vergrößerung des Auftriebs wird durch die Wölbung der Ruderklappen
(also die Anstellwiniceländerung des hinteren Profilteils) erreicht (bei erfolgender
gerinGer ß MvP auch ein gewisser Teil durch dieselbe).
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Fig.2: Für kleinere Flügelstreckungen oder günstigere Auftriebsverteilungen
ist die Ausführungsart der Erfindung sinnvoll, welche zusätzlich zu den beschriebenen
inneren Ruderklappen (1) zu diesen gegensinnig ausschlagende äußere (2) aufweist.
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Bei kleineren Flügeletreckungen liegt der (induzierte) Angriffspunkt
(8) der inneren Ruderklappen bei sinnvoller Auslegung etwas hinter der Schwerlinie
(6). Ruderklappen im Flügelaußenbereich (9) besitzen einen Angriffspunkt (9) weit
hinter der Schwerlinie.
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Kombiniert man beide Ruderklappensysteme (gegensinnig), läßt sich
dann eine Lage des Angriffspunktes aller Ruderklappen knapp vor oder auf der Schwerlinie
erreichen, wendet man das erfindungsgemäße Prinzip an, daß das mathematische Produkt
aus Ausschlagsgröße und Flächengröße der inneren Ruderklappen nach Anspruch 1 größer
ist, als das entsprechende Produkt der äußeren. Vereinfacht dargesitellt: Die inneren
klappen (1) sind größer als die äußeren (2), oder die inneren schlagen stärker aus
als die
äußeren (beides schließt sich nicht aus). Bei Auftriebserhöhung
entsteht folgende Wirkung: - Wölbungsvergrößerung, denn die größeren bzw. stärker
ausschlagenden inneren Ruderklappen wölben sich nach unten (positiv); nach oben
wölben sich nur die kleineren bzw. schwächer ausschlagenden äußeren.
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- geringe positive oder keine«vp ,denn der Hebelarm der äußeren Ruderklappen
zur Schwerlinie ist lang, so genügt schon ihr kleiner negativer Ausschlag bzw. ihre
kleine Größe, um das kopflastige Moment der inneren Ruderklappen aufzuheben bzw.
zu übertreffen und so ein geringes rücklastiges Moment zu erzeugen.
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Es ergibt sich also Auftriebserhöhung bei einer oder nur geringer2Zvp
, wie gefordert.
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Fig.3: Nach Anspruch 3 können die Ruderklappen untereinander weiter
geteilt sein>und unterschiedlich starke Ausschläge aufweisen, was z.B. Landeklappenfunktion
oder etwas günstigere Auftriebsverteilungen erbringen kann.(la,b ; 2a,b).
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Fig.4: Hier ist eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung dargestellt,
in der nach Anspruch 4 die Ruderklappen (1, 2) keilförmig aufeinander zulaufen.
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Fig.5: Dargestellt ist ein Flügelschnitt (A-A aus Fig.4) in Höhe von
Ruderklappen, welche sich in unverwölbtem Zustand befinden. Das Profil bildet hier
ein aus der "Naca 65er-Reihe" abgeleitetes Laminarprofil großer Dickenrücklage (10),
welches äußerst geringen Mindestwiderstand, aber kleine (laminare) Bandbreite besitzt.
Der Anstellwinkel des vorderen Profilteils ist aufgrund der neutral gestellten Ruderklappen
(11) mita o bezeichnet (12).
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Fig.6: Hier sind die Ruderklappen, welche sich bei der Erfindung im
dsr Flügelwurzel näheren Bereich befinden (vgl. Fig.1 u. 2, Pos.1), nach unten (positiv)
verwölbt (1=ei). Bei erfindungsgemäßer Auslegung ent-
steht so Auftriebsvergrößerung
bei hier geringer ivP (7) Strichpunktiert eingezeichnet ist die bei herkömmlichen
Nurflügeln erfolgende starke Die Ruderklappen können nach Anspruch 5 vollständig
oder teilweise auch zur Kurvensteuerung (Ouerruder) oder als Landeklappen eingesetzt
werden.
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Die Neuheit der Erfindung und ihre deutliche Abgrenzung zu sekanntem
lieqt also in der Auslequnq eines rückqepfeil-
ten schwanziosen mit Ruderklappen nach dem in Anspruch 1 festgelegten Prinzip, wodurch
nur geringe oder keine ß avP entstehen.
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Ruderklappen und ihre gegensinnige Kopplung am Nurflügel sind an
sich bekannt, denn bisherige Nurflügel wurden mittels Ruderklappen gesteuert, und
die Kopplung von"Landeklappen" mit dem Quer/Höhenruder verwandte man bei den <onstruktionen
HORTEN H XIV und H XVa oder LIPPISCH DFS 38, um gegen das "Querrudergieren"vorzugehen
bzw. den Auftrieb bei der Landung zu erhöhen (siehe HORTEN/SELINGER,a.a.0., S.163f
bzw. LIPPISCH, Ein Dreieck fliegt, Motorbuch Verlag Stuttgart 1976, S.51). Jedoch
erfolgte aufgrund der Auslegung dieser Ruderklappen ohne Ausnahme eine starke #αvP
vP (im Unterschied zu der vorliegenden Erfindung), was anhand der Funktionsweise
der bekannten Ruderklappen erklärt sein soll: Ruderklappen mit weit hinter der Schwerlinie
liegendem Angriffspunkt wölben sich bei Höhenruderausechlag nach oben (negativ).
Sie erzeugen so ein stark rücklastiges Moment, aufgrund dessen auch der Anstellwinkel
des vorderen Profilteils steigt ( p) ) and;den«Au£ti£ieb anhebt.
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Durch den Ausschlag des Höhenruders nach oben ist gleichzeitig eine
"verkehrte" Wölbung des Profils entstanden, sodaß dieser Auftriebsverlust mit einer
noch stärkeren, jetzt übermäßigen vP korrigiert werden muß. Letzterer Effekt wurde
bei den erwähnten Konstruktionen (siehe oben) mittels der Landeklappen abgeschwächt
(die eigentliche Aufgabe der Kopplung war eine andere, siehe oben), sodaß die
übermäßige
#αvP wieder in eine normalstarke #α vP zurückgeführt wurde. Die in der
vorliegenden Erfindung geforderte nur geringe bis keinefiX vp läßt sich jedoch nur
durch die erfindungsgemäße Auslegung erreichen, nämlich daß, wie in Anspruch 1 genau
festgelegt, der Ausschlag bzw.
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die Fläche der inneren Ruderklappen "groß genug ist".
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Die Patentschrift Nr. 573166, Kl.62b, Gr.15 02 vom 28.3.
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1933 beinhaltet dagegen eine Auslegung, bei welcher Auftriebserhöhung
ohne starke #αvP erreicht werden kann.
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Es handelt sich dabei allerdings um sog. Spreizklappen ('hilfsflächen
), die sich nur auf der Flügelober- bzw.
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-unterseite befinden und nur in eine Richtung ausgefahren werden können,
und die zu Landungszwecken gleichzeitig mit der Auftriebserhöhung stark leistungsvermindernd
wirken.
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Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet jedoch (nach Anspruch
1) ein "rückgepfeiltes schwanzloses Flugzeug mit Ruderklappen, an welchen Ausschläge
in beide Richtungen möglich sind. Offensichtlich ist auch die inhaltliche Abgrenzt,
daß die erfindungsgemäßen Ruderklappen zu Steuerungszwecken betätigt werden und
leistungssteigernd wirken.
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Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich daraus,
daß nur noch geringe bzw.keine #αvP auftreten: - Hochleistungsprofile mit
äußerst geringem Mindestwiderstand, aber geringer Bandbreite können eingesetzt werden
(wobei %0 dem optimalen Anstellwinkel des Profils entsprechen kann, vgl. Fig.5,
Pos.12).
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Es sind dies bei bemannten Flugzeugen vornehmlich relativ dünne Laminarprofile
großer Dickenrücklage (vgl. Fig.5, Pos.10), bei Modellflugzeugen vornehmlich sehr
dünne Laminarprofile.
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Die Grundleistung eines erfindungsgemäßen Nurflügels liegt so in
bisher, auch für Normalflugzeuge gleicher Spannweite, nicht für erreichbar gehaltenen
Bereichen.
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- Es entsteht ein sehr weiter Geschwindigkeitsbereich hoher Leistung,
denn sowohl im langsamen(Thermik-) Steigflug, wie im Hochgeschwindigkeitsstreckenrlug
sind
annähernd ideale Strömungsverhältnisse vorhanden.
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- Strömungsabrißprobleme treten nicht mehr auf, denn der Anstellwinkel
des vorderen Profilteils überschreitet nicht mehr den kritischen Punkt.
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Sehr gutmütiges Flugverhalten und große Flugsicherheit sind die Folge.
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Im Zusammenhang mit den anfangs angeführten Grundvorteilen eines Nurflügels
(höhere Geschwindigkeit, billigeres und platzsparendes dauprinzip, Robustheit) liegt
also eine große gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung vor, insbesondere auf dem
Gebiet des bemannten und unbemannten Segelflugzeugbaus.