DE3612911A1 - Bodeneffekt-tragfluegelverbundflugzeug - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aerodynamisches Luft­ fahrzeug, dessen Tragflächen in der Draufsicht im Bereich der größten Spannweite übergangslos verbunden sind, wobei die un­ tere Fläche die Form eines nach rückwärts gepfeilten Delta zeigt und die obere Fläche die eines Rechtecks, womit sich für die Stirnansicht ein geschlossener, halbsymmetrischer Tragflü­ gelverbundrahmen ergibt.

Flugsysteme die den Bodeneffekt bzw. den Staueffekt nutzen sollen, der sich mit unterschiedlicher Effizienz praktisch für jedes aerodynamisch Auftrieb erzeugende System einstellt, sind seit den theoretischen Arbeiten von Betz 1919 bekannt. Die dabei postulierte Abnahme des induzierten Widerstands in Bodennähe bzw. die Verbesserung des Auftrieb/Widerstandsver­ hältnisses im Sinne eines Komplexwirkungsgrades wurde bereits in den 30er Jahren durch die Firma Dornier an Flugbooten ge­ messen und nachgewiesen.

Die erwarteten Verbesserungen in den Flugleistungen haben Kon­ zepte von Stauflügelgeräten angeregt, die zumeist als Tandem- Konfiguration oder Delta mit Vorwärtspfeilung der Profilaus­ trittskanten bekannt wurden.

Während die Tandem-Flügelkombinationen in Bodennähe eine sta­ bile Längsbewegung nachweisen konnten, ergab sich für diese auch der gravierende Nachteil, ab einer gewissen Wellenhöhe oder Bodenformation nicht mehr einsetzbar zu sein, auch wenn mit Schürzen o. ä. ein elastischer Abschluß des Staukastens zum Boden vorgesehen wird. Der Einsatzbereich ist daher kleiner als der eines Luftkissenfahrzeugs, wenngleich eine höhere Effizienz vorliegt. Diese Geräte konnten sich daher am Markt nicht durchsetzen.

Die Delta-Konfigurationen mit gerader Eintrittskante, die auf Lippisch zurückgehen, konnten dagegen eine beschränkte Flug­ tauglichkeit zur Überwindung von Hindernissen etc. nachweisen. Jedoch zeigte sich, daß eine hinreichende Freiflugstabilität in allen Freiheitsgraden nicht ohne erheblichen Unterstützungs­ aufwand - Regler etc. - erreicht werden kann.

Neueren Untersuchungen zufolge stellt eine Vorwärtspfeilung der Flügelhinterkante auch nicht das Optimum dar, da sie durch Belegung mit Wirbeln aus aufwärtsgerichteter Strömung aus dem Staubereich Zusatzwiderstände hervorruft.

Letztlich hat sich ergeben, daß zufriedenstellende Gesamtflug­ eigenschaften nur erwartet werden können, wenn keine Klappen­ funktionen am Stauflügel Nickmomente oder Staudrifts produzie­ ren und ein geeignetes Höhenleitwerksvolumen - Fläche mal Ab­ stand Schwerpunkt - vorliegt, das es ermöglicht, alle Nickzu­ satzmomente, die sich bei konstanter Annäherung an den Boden oberhalb eines bestimmten Auftriebsbeiwerts positiv oder negativ einstellen, zu kompensieren und das im Freiflug keine Überdi­ mensionierungserscheinungen zeitigt.

Dieser Komplex, der zusammenfassend mit statischer und dynami­ scher Höhenstabilität bezogen auf die Eigenschwingungsform der Längsbewegung beschrieben werden kann, ist bisher nur unzurei­ chend gelöst.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Konfiguration zu schaffen, die voll flugtauglich ist in freier Anströmung und die es darüber hinaus erlaubt, den Bodeneffekt sicher zu nutzen, so daß sich ein besonders breites Anwendungsgebiet ergibt. Für ein solches Flugsystem sind eine Reihe von Forderungen zu erfüllen, die sich widersprechen, wenn sowohl die Bodeneffekt­ tauglichkeit als auch die Freiflugtauglichkeit optimal ausge­ schöpft werden sollen. Zugunsten einer breiteren Anwendbarkeit ist daher der Freiflugtauglichkeit ein gewisser Vorzug zu geben, da sie den Faktor Einsatzbereitschaft stellt.

Für die Freiflugtauglichkeit wird auf eine Grundkonfiguration zurückgegriffen - P 35 00 575.0 -, die ein Tragflügelverbund­ system zeigt, wie es sich ergibt, wenn man einen halbsymmetri­ schen Hohlkörper mit deltaförmigem Querschnitt zweimal schneidet, wobei die Schnittführung im rechten Winkel zu der Symmetrieebene des Körpers verläuft.

Ein solches Tragflügelverbundsystem - TVS - hat den in zahl­ reichen Großmodellversuchen nachgewiesenen Vorteil, daß es eine sehr hohe Stabilität um die Nickachse besitzt, voll frei­ flugtauglich ist, einen geringen Widerstand aufweist und bei sehr leichter Bauweise außerordentlich steif ist, so daß Er­ müdungserscheinungen infolge aeroelastischer Verformungen nicht zu befürchten sind.

Die hohe, für ein Bodeneffektflugzeug besonders wünschenswerte Nickachsenstabilität beruht dabei auf zwei Effekten:
Zum einen besitzt die Stabilisierungsfläche aufgrund ihrer erheb­ lich größeren Streckung als mittragende Fläche den erheblich steileren Auftriebsanstieg über Anstellwinkel. Zum anderen zei­ tigen Bewegungen um die Nickachse erhebliche Hebelarmdifferen­ zierungen mit stabilitätsunterstützendem Charakter aus der verti­ kalen Staffelung, so daß kein festes, sondern ein differenziertes, progressives Höhenleitwerksvolumen gegeben ist.

Die Umsetzung dieses System in ein Bodeneffektsystem wird erfin­ dungsgemäß nun dadurch gelöst, daß ein nach hinten gepfeilter Deltaflügel Hauptfläche ist, an den sich im Bereich der größten Spannweite wingletartige Flächenausformungen anschließen, die in einen vorzugsweise ringförmigen Übergang münden, der auch Einlauf der oberen Stabilisierungsfläche ist. Dadurch wird folgendes erreicht:
Die Deltafläche weist eine Viertelpunktlinie auf, die der des TVS gleicht, so daß bei ausreichendem vertikalen Abstand zur Stabilisierungsfläche keine größeren flugmechanischen Neuerun­ gen auftreten.

Die Deltafläche kann mit einer druckpunktfesten Profilierung geringer Pfeilhöhe - Entwölbung im Bodeneffekt vermeidend - bereits begrenzt dynamisch höhenstabil ausgelegt werden und weist eine ausreichende Spiegelfläche für Staueffekte auf. Zugleich bewirkt die Rückwärtspfeilung bereits eine Richtungs­ stabilität.

Da die Deltafläche keine oder nur leichte positive oder negati­ ve V-Stellungen aufweist, wird die Stabilität um die Längsachse durch die V-Stellung der wingletartigen Flügelfortsätze im Be­ reich der größten Spannweite mit gutem Hebelarmverhältnis be­ sorgt.

Die Nickstabilität bzw. die ausreichende Dämpfung der im Boden­ effekt für die Längsbewegung auftretenden Eigenschwingungsfor­ men wird durch die hochliegende große Stabilisierungsfläche mit erheblich steilerem Auftriebsanstieg aus Streckung gewährlei­ stet, die zudem abgeschirmt vom Bodeneffekt über der Delta­ fläche im Bereich geringer Stromlinienverformungen liegt. Die Steuerung der Konfiguration erfolgt günstig über Klappen­ funktionen in der Stabilisierungsfläche wie bei einem reinen Delta, da dort weder der Bodeneffekt gestört wird, noch schäd­ liche Einflüsse aus dem Bodeneffekt über die Klappenfunktio­ nen auf die Nick- und Seitenstabilität zu besorgen sind. Wird der Übergang der Stabilisierungsfläche in die wingletar­ tigen Flügelfortsätze des Deltaflügels so ausgeformt, daß das Stabilisierungsflächenprofil ohne Modifizierung bis in die Fortsätze umläuft, so ergeben sich dort praktisch keine Inter­ ferenzerscheinungen, da sich keine Gebiete stark differierenden Drucks gegenüberstehen und es kann je nach Ausführung des Umlaufs die Stabilität um die Längsachse beliebig festgelegt werden. Obwohl die gerade Hinterkante des Deltaflügels widerstansbe­ zogen die günstigste ist, kann ohne Nachteil die Hinterkante auch bis hinter die Stabilisierungsfläche - bezogen auf die Draufsicht - fortgeführt werden, woraus sich dort eine Vorwärtspfeilung er­ gibt und insgesamt eine sehr große Spiegelfläche, so daß der Ein­ satzbereich mehr zum Bodeneffekt tendiert.

Die Flügelkombination kann bei geringem Gewicht sehr steif ausge­ führt werden, da die Deltafläche über ihre Profiltiefe eine ausrei­ chende Holmhöhe bzw. einen Schalenabstand sicherstellt und das Höhenleitwerk - Stabilisierungsfläche - neben einem üblichen mittleren Stützpunkt zwei weitere an den wingletartigen Fort­ sätzen aufweist.

Die Tragflügelkombination in der erläuterten Anordnung kann aufgrund ihres weiten Anwendungsbereichs als Wasser/Wasser- oder Boden/Boden-System oder als Kombination ausgelegt werden, wobei vorzugsweise Fahrwerk- bzw. Schwimmeranordnungen so ge­ wählt werden, daß sie einen Stauraum unter der Deltafläche be­ grenzen, also im Übergangsbereich zu den wingletartigen Fort­ sätzen zu liegen kommen. Die Position des Nutzrumpfes wird vor­ zugsweise die Mitte der Deltafläche sein, wobei eine vorgezo­ gene Anordnung Vorteile für eine Wasserlandung und hydrostati­ sche Stabilität im Ruhezustand aufweist.

Eine solche geeignete Gesamtkombination Wasser/Wasser kann nach neueren Erkenntnissen über den Bodeneffekt bereits bei einem Abstand zur Oberfläche von 0,3 bezogen auf die Spannweite der Deltafläche den Wirkungsgrad um über 40% gegenüber dem des Frei­ flugs verbessern.

Daraus ergibt sich unter Einbeziehung dieser Erkenntnisse die Möglichkeit, z. B. ein Ein-Mann-System in der erläuterten Kon­ figuration mit 5 m Spannweite bei einer Startgeschwindigkeit von 18 m/sec oder ein Lastgerät mit 1,2 t Höchstlast bei einer Spannweite von 10,5 m und einer Startgeschwindigkeit von 23 m/sec zu fertigen, wobei ein Großlastgerät aufgrund des einge­ henden Bodenabstands aus dem Verhältnis Spannweite Staufläche/ Bodenabstand bezüglich der sicheren Bodeneffektflughöhe beson­ ders günstig wird, da es in Flughöhen von über 10 m unter nor­ malen Bedingungen keiner Gefährdung von Wellenschlag ausgesetzt ist und zudem Wasser-Landhindernisse auch bei voller Ausnützung der Lastkapazität überfliegen kann, so daß ein Einlanden auf kon­ ventionellen Flugplätzen bei entsprechenden Fahrwerksvorrichtun­ gen vorteilhaft möglich ist.

In der Zeichnung sind zwei beispielhafte Ausführungsformen gemäß der Erfindung als kleines Sport- oder Beobachtungsgerät bzw. als Personenbeförderer im Wasserbereich z. B. als Inseltaxi wieder­ gegeben.

Es bezeichnen:
1  den Deltaflügel, wobei die Hinterkante 1′ ohne Nachteile bis zu einem gewissen Grad bis hinter die Stabilisierungs­ fläche - bezogen auf die Draufsicht - ausgeführt werden kann.
2 die wingletartigen Deltaflächenfortsätze mit einer der Höhenlage des Höhenleitwerks entsprechenden Ausformung.
3 den konturangepaßten Übergang in das Höhenleitwerk.
4 das Höhenleitwerk.
5 die Steuerklappen.
6 eine mögliche Antriebsvorrichtung, wobei die Tunnelung mittlerer vertikaler Stützpunkt des Höhenleitwerks ist.
7 ein konventionelles angeblasenes Seitenleitwerk.
8 eine mögliche Anordnung des Schwimmwerks.
9 Nutzrumpf mit Fahrgastplätzen.
10 experimentell erprobte Flächenvergrößerungen des Deltaflügels.
11 die konventionellere Tragwerkanordnung für reinen Freiflug in der Draufsicht.

Claims (8)

1. Bodeneffekt-Tragflügelverbundflugzeug, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Stirnansicht eine unten liegende, deltaförmige Tragfläche (1) mit einer darüberliegenden konventionellen Tragfläche (4) im Bereich der größten Spannweite übergangslos verbunden ist, so daß sich ein geschlossener Rahmen und für die Draufsicht ein deltaförmiger Umriß ergibt.

2. Bodeneffekt-Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmige Fläche positive oder negative V-Stellung aufweist.

3. Bodeneffekt-Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmige Fläche in winglet­ artige Fortsätze (2) einmündet, die eine positive V-Stellung bis 90° aufweisen.

4. Bodeneffekt-Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (3) zwischen den wingletartigen Fortsätzen und der konventionellen Tragfläche bogenförmig erfolgt.

5. Bodeneffekt-Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (3) stumpf erfolgt.

6. Bodeneffekt-Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterkante der deltaförmigen Fläche (1) positive oder negative Pfeilungen (10, 11) aufweist.

7. Bodeneffekt-Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die deltaförmige Fläche die größte Einzelspannweite aufweist.

8. Bodeneffekt-Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wingletartigen Fortsätze eine negative V-Stellung aufweisen.