DE3526472A1

DE3526472A1 - Rumpfheckmodifikation von flugzeugen

Info

Publication number: DE3526472A1
Application number: DE19853526472
Authority: DE
Inventors: Ernst Heinrich Prof D Hirschel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 1985-07-24
Filing date: 1985-07-24
Publication date: 1987-02-05
Also published as: US4712751A; DE3526472C2; JPS6226200A; GB2177989A; GB8618031D0; FR2585326B3; FR2585326A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rumpfheck von Flugzeugen mit hochgezogener Heckquerschnittsform die von der Kreisform abweicht.

Solche Rumpfhecke sind an sich bekannt. So offenbart beispielsweise die DE-PS 6 74 433 schon ein von der Kreisform abweichendes Rumpfstück oder die US-PS 39 55 781 einen ähnlichen Querschnitt für ein Deltaflügel- Flugzeug. Bekannt sind weiterhin die Heckquerschnittsformen des bekannten Airbusflugzeugs, bei dem einmal die Querschnittsänderung des Rumpfes am Heck von einem ursprünglich kreisrunden Querschnitt in einen abgerundeten dreieckigen Querschnitt übergeführt wurde, um dadurch eine günstigere Strömung an der Heckunterseite zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heckquerschnittsmodifikation zu schaffen, bei der die Grenzschichtentwicklung - insbesondere an der Heckunterseite - und das Ablöseverhalten der Strömung verbessert ist und eine Widerstandsverminderung des Rumpfes gegenüber dem Stand der Technik ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Maßnahmen zur vorteilhaften Ausgestaltung angegeben und in der Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel in der Gegenüberstellung mit dem unmittelbaren Stand der Technik erläutert. Diese Beschreibung wird in ihrem Offenbarungsgehalt durch die Figuren der Zeichnung ergänzt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der bekannten Airbusmodifikationen V 0 und V 2 sowie die Modifikation des beschriebenen Ausführungsbeispiels V3;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Rumpfmodifikationen V 0, V 2 und V 3 im selben Achsenkreuz;

Fig. 3 ein Diagramm des Verlaufs des Halbmessers r₀ der Originalspantform, der Parameter a 1, a 2, r 1, a 3, r 2 der modifizierten Formen und die Umfangs- (U _v, U ₀) sowie Flächenverhältnisse (F _v, F ₀) im Heckbereich (0 = 1);

Fig. 4 die Panelmodelle der rechten Rumpfhälfte von hinten gesehen von a) = V 0, b) = V 2 und c) = V 3;

Fig. 5 ein Diagramm der reibungsfreien Stromlinien und Grenz-Wandstromlinien in der x ^α-Ebene von V 0, V 2, V 3 gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein Diagramm bezüglich der Grenzschichtdicke und Verdrängungsdicke bei Spant A gemäß Fig. 1;

Fig. 7 ein Diagramm der Grenzschichtdicke und Verdrängungsdicke bei Spant B gemäß Fig. 1;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der ungefähren Ablöseformen, wobei a) = die Ablöseformen am Rumpf V 0 und b) = die Ablöseformen an der Heckmodifikation V 3 darstellen.

Da die mit V 2 bezeichnete Heckmodifikation einen großen Eingriff in die gesamte Heckstruktur darstellt, wurde der vorliegenden Erfindung der Gedanke zugrundegelegt, eine Modifikation zu finden, bei der - ohne Einbuße der bisherigen Leistungen und Werte - der kreisförmige Querschnitt im wesentlichen beibehalten werden kann. Diese Modifikation wurde nun dahingehend gefunden, daß der kreisförmige Querschnitt am Heck mit Auswölbungen "W" versehen wird und zwar dergestalt, daß die Schattenrisse von oben und von der Seite gesehen, erhalten bleiben. Hierzu liegen der Berechnung und Modifikation zugrunde: Zu Beginn des Rumpfhecks gemäß Fig. 1 ist die Verformung Null (ξ = 0) und am Ende maximal (ξ = 1). Die Heckkoordinate hängt mit der x^1′-Koordinate wie folgt zusammen:

ξ = c ₁ (x ^1′ - c ₂)

Hierbei ist c ₁ = 1 / (L _ref - c ₂); c ₂ = Länge bis zum Heckbeginn.

Der Verlauf des Abstandes a ₃ und des Radius r ₂ ist linear in ξ: wobei jedoch r ₀ (der Halbmesser der kreisförmigen Spantform) nichtlinear mit ξ verläuft. Die Zusammenhänge sind aus der Fig. 2 deutlich zu entnehmen.

In der Fig. 3 sind die vorgenannten Funktionen dargestellt und außerdem das Umfangsverhältnis U _v/U ₀, wobei mit U ₀ der Spantumfang des Standes der Technik und mit U _v die modifizierte Form gemäß des Ausführungsbeispiels bezeichnet ist. Weiterhin ist das Flächenverhältnis F _v/F ₀ für die beiden Modifikationen V 2 und V 3 aufgezeigt und es ist zu erkennen, daß für die Modifikation V 2 beide Verhältnisse nahe bei l liegen, so daß dieses Heck dieselbe bespülte Oberfläche und dasselbe Volumen wie die bekannte Airbusmodifikation V 0 hat.

Bei der neuen Modifikation V 3 ist zu erkennen, daß sowohl die bespülte Oberfläche als auch das Volumen deutlich größer als bei V 0 sind. In den Fig. 4 sind hierzu die Panelmodelle zu den vorgenannten Modifikationen V 0, V 2 und V 3 gegeben.

In der Fig. 5 ist der Vergleich der reibungsfreien Stromlinien und Grenz-Wandstromlinien in der x ^a-Ebene aufgezeigt. Es zeigt sich, daß auf der Oberseite die reibungsfreie Strömung für V 0 am stärksten divergent ist und am schwächsten bei der Modifikation V 3. Die Konvergenz an der Unterseite ist zwar für die Modifikation V 2 am schwächsten, aber hier ist für das Grenzschichtverhalten zusätzlich noch die Stromlinienkrümmung bestimmend. Diese zeigt bei V 0 ein ganz starkes Zusammenlaufen der Grenz-Wandstromlinien an der Rumpfunterseite, während diese für V 2 direkt an der unteren Symmetrielinie nahezu parallel dazu verlaufen und für V 3 sogar leicht konvergent sind.

Um nun über das wahrscheinliche Ablöseverhalten eine Aussage machen zu können, müssen weitere errechnete Größen herangezogen werden und die ergeben die in den Fig. 6 und 7 aufgezeigten Situationen bei den Spanten A und B gemäß Fig. 1. In Fig. 6 sind die Grenzschichtdicke δ und die Verdrängungsdicke δ _l im Rumpfquerschnitt bei Spant A (x ^l = 0,74 und x ^l = 0,89) gezeigt und daraus ist zu ersehen, daß in der Querschnittsebene x ^l = 0,74 in allen drei Fällen V 0, V 2 und V 3 die gesamte Strömung an der unteren Symmetrielinie konvergent ist. Dies führt zu der erkennbaren Aufdickung der Grenzschicht in diesem Bereich. Ganz anders sind die Dickenverteilungen bei Spant B mit x ^l = 0,89 gemäß Fig. 7. Während beim Rumpf V 0 direkt an der unteren Symmetrielinie eine starke Aufdickung stattfindet, gibt es bei den modifizierten Rümpfen V 2 und V 3 nur eine Ausbeulung der Dickenkonturen neben der unteren Symmetrieebene, die bei V 3 besonders stark ausgebildet ist.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Grenzschicht auf der Heckunterseite dicker als auf der Oberseite ist. Das Verhältnis von Grenzschichtdicke zu Verdrängungsdicke liegt in der Größenordnung des Verhältnisses bei der zweidimensionalen 1/7-Potenz-Grenzschicht. Beim Rumpf von V 0 ist die Grenzschicht an der Heckunterseite ungefährt 10% dicker als am Rumpf von V 3. Diese Verhältnisse beim Spant B (Fig. 7) zeigen, daß der an der Vorderkante des Höhenleitwerks liegende Querschnitt für die Modifikation V 0 eine Ausbeulung der Dickenkontur, die eine Wirbelstrang- oder Wirbeltütenablösung anzeigt, die dann aber zur unteren Symmetrielinie (x ² = 0,5) hin in eine Form übergeht, die eine zweidimensionale - möglicherweise Totwasser - Ablösung andeutet. Anders ist es beim Rumpf mit der Heckmodifikation nach V 2 und V 3. Hier ist die Dickenkontur so ausgebeult, daß nur eine Wirbelstrang- oder Wirbeltütenablösung angezeigt wird und nicht auch eine Ablösung nahe der unteren Symmetrielinie.

Bezüglich der Wandschubspannungsverteilungen ist zu sagen, daß bei der Modifikation V 0 an der unteren Symmetrieebene ein starker Abfall festzustellen ist, bei der Modifikation V 3 diese jedoch wesentlich glatter verlaufen.

Bezüglich des Ablöseverhaltens bei den Rumpfformen V 0 und V 3 ist zu erkennen, daß bei V 0 sich bei x ^l = 0,9 eine geschlossene Ablöseblase ausbildet, die sich über die Unterseite des Hecks legt, wobei die Ausbeulung der Dickenkontur gemeinsam mit dem Zusammenlaufen der Grenz-Wandstromlinien die Möglichkeit einer eingebetteten Tütenwirbel-Ablösung links und rechts von der Symmetrielinie zeigt (Fig. 8a).

Bei dem Rumpf mit der Heckmodifikation V 3 zeigt sich bei x ^l = 0,9 die Tütenwirbelablösung alleine. Direkt an der unteren Symmetrielinie ist die Grenzschichtablösung parallel zu dieser kaum zu erwarten, d. h. die Grenzschicht ist an der Heckunterseite kaum ablösegefährdet, im Gegensatz zu den Modifikationen V 0.

Aus vorstehenden Ausführungen und Berechnungen ergibt sich, daß beim hochgezogenen Airbusheck durch Verschiebung des Spantquerschnitt-Schwerpunkts "S" nach unten sich ein günstigeres Grenzschichtverhalten an der Heckunterseite erzielen läßt. Die vorgeschlagene Heckmodifikation V 3 ist gegenüber denjenigen des Standes der Technik leichter auszuführen, da der ursprüngliche kreisrörmige Querschnitt beibehalten wird, wenn auch das Volumen und die Oberfläche größer sind. Diese neue Heckmodifikation weist ein günstigeres Ablöse- und Widerstandsverhalten auf, der Flügel führt in gleicher Weise wie das hochgezogene Heck die reibungsfreie Strömung und damit die Grenzschicht unter das Heck und die Anströmung des Höhenleitwerks in Rumpfnähe wird verbessert.

Claims

1. Rumpfheck von Flugzeugen mit hochgezogener Heckquerschnittsform die von der Kreisform abweicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenschwerpunkt (S) der an sich kreisrunden Spantquerschnitte nach unten verlegt ist, so daß auf der Unterseite des Querschnitts Auswölbungen (W) entstehen, jedoch die untere (U), obere (T) und die Seitengrenzkonturen (K) unverändert im Querschnitt verbleiben, d. h. die Schattenrisse von oben und von der Seite gesehen erhalten bleiben.

2. Rumpfheck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r ₂) der unteren Auswölbungen (W) am Heckende (ξ=1) der Form entspricht, wobei (r ₀) der Radius der Kreisstruktur (V0) ist.

3. Rumpfheck nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Abstandes (a ₃) und des Radius (r ₂) linear in der Heckkoordinate ξ ist und sich nach den Formeln bestimmen:

4. Rumpfheck nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vom Heckende zum zylindrischen Teil ein kontinuierlich gleitender Übergang entsprechend den Gleichungen (3, 4) erfolgt.