DE3636454C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Drehflügelfluggeräte für höhere Fluggeschwindigkeiten, enthaltend einen im wesentlichen Vertikalschub erzeugenden Hauptrotor, einen vom Hauptrotor getrennt wirkenden Vorwärtsschub (Horizontalschub) erzeugenden Luftschraubenantrieb im Bereich des Fluggerätehecks, das als Trägerrahmen ausgebildet ist und im Luftschraubennachlaufstrom angeordnete mittels Strahlablenkung zur Giersteuerung arbeitende Steuerflächen aufnimmt.

Bei Hubschraubern wird in bekannter Weise Auftrieb und Vor­ trieb durch den Hauptrotor erzeugt. Der Rotor übernimmt da­ bei auch die Funktion der Lagesteuerung. Für den Drehmomen­ tenausgleich und die Steuerung um die Hochachse dient ein Heckrotor, dessen Achse senkrecht zur Flugrichtung steht. Hubschrauber der genannten Art besitzen optimale Schwebeflug­ eigenschaften, sind aber Flächenflugzeugen im Hinblick auf Geschwindigkeit, Reichweite und Wirtschaftlichkeit unter­ legen. Der Grund für die begrenzte Vorwärtsgeschwindigkeit liegt darin, daß sich bei zunehmender Vorwärtsgeschwindigkeit die Anströmgeschwindigkeit an den vorlaufenden Rotor­ blättern der Schallgeschwindigkeit annähert, wobei der Wider­ stand stark ansteigt. Bei den rücklaufenden Rotorblättern hingegen reißt die Strömung über große Bereiche der Rotor­ blätter infolge hoher Blattanstellwinkel ab und außerdem werden bei hohen Vorwärtsfluggeschwindigkeiten große Be­ reiche der Rotorblätter von rückwärts angeströmt.

Zur Erweiterung der Einsatzgrenzen von Drehflügelflugzeugen durch Steigerung der Marschfluggeschwindigkeit, sind eine Reihe unterschiedlicher Entwicklungen bekannt geworden, wie z.B. der Einsatz schnellflugfähiger Koaxialrotoren (advan­ cing-blade concept), stillsetzbare Rotoren, mit Zirkulations­ steuerung mittels Ausblasen von Luft aus Längsschlitzen an den Rotorblättern (X-wing-concept), auch zur Erzielung einer höherharmonischen Blattansteuerung, oder auch Rotoren mit ge­ steuerten, aerodynamischen Stellflächen an der Hinterkante der Rotorblätter.

Um den Einsatzbereich von Hubschrauberrotoren zu höheren Fluggeschwindigkeiten hin zu erweitern, muß grundsätzlich die Fortschrittsgrad-Grenze überwunden werden, welche dann erreicht ist, wenn die rücklaufenden Blätter infolge Strö­ mungsablösung den geforderten Auftrieb nicht mehr erzeugen können.

Getrennt vom Hauptrotor wirkende Schuberzeuger für Vorwärts­ schub und ebenso Giersteuereinrichtungen zum Ausgleich von Giermomenten an Drehflügelflugzeugen gehören zum allgemeinen Stand der Technik (z. B. FR 14 00 834; DE-OS 14 56 070; DE-PS 6 95 916; FR 25 03 661; DE-OS 14 81 629).

Es ist dazu bekannt, die Anordnung eines Propellerantriebs auf dem Fluggeräterumpf eines Drehflügelflugzeuges mit einer Druckschraube vor dem Leitwerk.

Es ist auch bekannt, bei Drehflüglern einen schwenkbaren Heckrotor zum Vorwärtsschub bzw. zum Drehmomentenausgleich und eine um eine senkrechte Achse schwenkbare Seitenleit­ werksfläche anzuordnen, wobei die Leitwerksfläche stromauf vor dem Propeller liegt.

Ein Aufbau bei Drehflüglern der genannten Art ist bekannt, der ebenfalls einen, um eine vertikale Achse schwenkbaren Propeller mit Druckschraube am Fluggeräteheck in Verbindung mit einer Seitensteuerfläche aufweist.

Ferner ist es bekannt, am Fluggeräteheck von Drehflüglern einen Mantelpropeller zur Vortriebserzeugung mit in den Pro­ pellernachlaufströmung liegendem Seitenleitwerk anzuordnen. Ebenso ist eine Ablenkeinrichtung für die Propellernachlauf­ strömung in Verbindung mit einem ummantelten Propeller am Rumpfheck eines Drehflüglers bekannt, wobei die Ablenkein­ richtung ein schwenkbares Schaufelgitter enthält. Die im Profil symmetrischen Schaufeln des Ablenkgitters sind dabei in bezug auf ihre Wölbung veränderbar ausgeführt.

Die bekannten Ausbildungen zeigen Trägeranordnungen für die Aufnahme der Luftschraube und der Luftschraubenummantelung am Fluggeräteheck.

Für die Aufnahme sind an der Heckstruktur angebrachte Trägerarme vorgesehen, welche den Propeller bzw. die Ummantelung umgreifen. Dabei weisen die Ummantelungen Lagerungen für die Steuerflächen auf. Bei einer weiteren bekannten Ausbildung sind in der Fluggeräte-Längsmittelebene liegende Tragarme für die Lagerung einer dem Propeller nachgeordneten Seitensteuerfläche vorgesehen.

Die bekannten Ausbildungen sind sowohl im Hinblick auf den Luftwiderstand als auch im Hinblick auf die Steifigkeit der Trägeranordnung nachteilig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flugschrauber für hohe Marschgeschwindigkeiten durch besondere Anordnung und Aus­ bildung der Vorwärtsschub erzeugenden Einrichtung im Zusam­ menwirken mit einer Einrichtung zur Giersteuerung bzw. zum Giermomentenausgleich gegenüber dem Vertikalschub erzeugen­ den Hauptrotor sowohl hinsichtlich einer Verringerung der aerodynamischen Verluste als auch im Hinblick auf den Bauauf­ wand zu verbessern.

Ferner soll die erfindungsgemäße Ausbildung das Auftreten schwer beherrschbarer Kreiselkräfte, hervorgerufen durch die Vorwärtsschub erzeugende Einrichtung, vermeiden und eine Her­ absetzung des Strukturgewichts gegenüber bekannten Ausbildun­ gen erreichen.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Aus­ bildung nach den Merkmalen des Hauptanspruchs und in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung nach den Merkmalen weiterer, dem Hauptanspruch nachgeordneter Ansprüche gelöst.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Flugschrauber wird durch die Anordnung einer freifahrenden Luftschraube er­ reicht, daß die Strahlruder bzw. Seitenruder in einem Ab­ schnitt des Propellernachlaufstrahls, indem erhöhte Strahl­ geschwindigkeit herrscht, liegen.

Die Strahlruder liegen günstig zu beiden Seiten der senkrech­ ten Fluggeräte-Längsmittelebene im Propellernachlaufstrahl, ohne die z.B. bei Schaufelgittern auftretenden Strömungsver­ luste in Kauf nehmen zu müssen. Die Anordnung der Strahl­ ruder, relativ weit hinter der Luftschraubendrehebene, ver­ meidet Beeinträchtigungen des Propellerschubstrahles und er­ möglicht die Erzeugung relativ hoher Steuerkräfte.

Schwer beherrschbare Kreiselmomente, wie sie bei schwenkbaren Propellern, auch bei ummantelten Propellern auftreten, sind hier vermieden.

Die Strahlruder bzw. Seitenruder erlauben rasche Giersteuer­ bewegungen bzw. rasche Gierausgleichsbewegungen.

Die Anordnung und Ausbildung des Trägergestells läßt eine Lage für die Luftschraube in einem axialen Abstand von der Höhensteuerfläche zu, die eine Beeinträchtigung des Propel­ lerstrahls vermindert. Ferner ermöglicht das Trägergestell eine Reduzierung des Strukturgewichts durch Ausnutzung von ohnehin vorhandenden Elementen der Höhen- bzw. Seiten­ steuerung. Die Anordnung trägt auch dazu bei, die Ausbildung des Luftwiderstands durch das Trägergestell gering zu halten.

Das Trägergestell in der erfindungsgemäßen Ausbildung er­ laubt die Anordnung des Höhenleitwerks so, daß das Leitwerk bei sämtlichen Ausschlagwinkeln den Propeller so wenig als möglich stört, und ferner liegen das Höhenruder und die Höhenstabilisierungsflosse weitgehend außerhalb des Abwind­ strahls des Hauptrotors, wodurch ungünstige Überlagerungsbe­ einflussungen der Nicksteuerung durch den Hauptrotor-Abwind­ strahl vermieden sind.

Infolge der Ausbildung der Strahlruder als profilierte Hoch­ auftriebsklappen, wird ein entgegen dem Drehmoment des Haupt­ rotors auch in neutraler Lage der Ruder wirksames Gegenmoment erzeugt und die Seitensteuerkräfte werden verstärkt. Die abschließbaren Strömungsspalte der Ruder vermeiden bei großen Ausschlagwinkeln eine Strömungsablösung.

Das als Balanceruder ausgebildete Höhenruder ist mittels des Trägergestells außerhalb des Abwindstrahls des Hauptrotors unter Vermeidung der Beeinträchtigung der Nicksteuerung an­ geordnet.

Bei Fluggeräten der genannten Art ist noch von Bedeutung, daß im Schnellflug fast die gesamte Leistung der Triebwerke zur Vortriebserzeugung herangezogen wird, wobei praktisch keine Strahlablenkung auftritt. Das Restdrehmoment wird durch die entsprechend eingestellten Strahlruder erzeugt. Im Schwebeflug ist zwar die stärkste Strahlablenkung notwen­ dig, aber die dabei erforderliche Leistung des Schuberzeugers ist nur gering.

Der Restvorwärtsschub, der im Schwebeflug dadurch erzeugt wird, daß die Ablenkung des Abstroms des Schuberzeugers ge­ ringer als 90° ist, wird durch Anstellung bzw. Rotorneigung nach hinten kompensiert. Da der Hauptrotor als Tragschrauber wirkt, ist dieser ohnehin mehr positiv eingestellt, als bei konventionell aufgebauten Drehflügelfluggeräten.

Die Anordnung des Propellers in Verbindung mit den Strahl­ rudern läßt vorteilhafter Weise rasche Änderungen des Schub­ vektors zu, im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, bei denen der gesamte Propeller geschwenkt wird, was zu unerwünschten Kreiselmomenten führt.

In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform ge­ mäß der Erfindung dargestellt, die anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht des Flug­ schraubers,

Fig. 2 bis 2b eine Dreiseitenansicht des Fluggeräte­ hecks mit der dem Propeller für die Vortriebs­ erzeugung zugeordneten, mittels Strahlrudern arbeitenden Giersteuerung,

Fig. 2c eine Einzelheit der Steuerflächenausbildung gemäß Fig. 2 bis 2b und

Fig. 3 die Seitenansicht eines Flugschraubers in Ver­ bindung mit dem Vorwärtsschuberzeuger und den Strahlrudern in Start- und Schwebefluglage.

Die Fig. 1 zeigt als Hauptkomponente eines Flugschraubers eine Fluggerätezelle 1, einen den Rotorkopf 3 und die Rotorblätter 4 enthaltenden, zur Erzeugung von Vertikalschub dienenden Hauptrotor 2, eine zur Vorwärtsschuberzeugung dienende Luftschraube 6 und eine zur Steuerung des Fluggerätes um die Hochachse dienende Giersteuerung 7.

Für den Antrieb des Hauptrotors 2 und den Propeller 5 ist eine beiden gemeinsame Antriebsanlage 11 vorgesehen, die über eine Getriebeeinheit an den Hauptrotor 2 und den Propeller 5 anschließt.

Gemäß den Einzelheiten des gezeigten Ausführungsbeispiels in den Fig. 2 bis 2c sind im Bereich des Heckteils der Flug­ gerätezelle 1 die Giersteuerung 7, eine Nicksteuerung 8, sowie der vorwärtsschuberzeugende Propeller 5 mit seiner als Druck­ schraube arbeitenden Luftschraube 6 angeordnet, mit über ein Propellerverstellgetriebe allgemein bekannter Bauart verstellbaren Luftschraubenblätter 9. Am Fluggeräteheck ist für die schwenkbare Aufnahme von Strahl- bzw. Seitenrudern 27 bzw. 27′ ein Trägergestell 20 vorgesehen, das sich zumindest zu einem wesentlichen Teil aus Elementen zusammensetzt, die für die Fluggerätesteuerung bzw. Stabilisierung ohnehin vorhanden sind.

Am Fluggeräteheck sind in der senkrechten Fluggeräte-Längs­ mittelebene, die sich nach oben und unten erstreckenden Ab­ schnitte 24 bzw. 24′ der feststehenden Seitenstabilisierungs­ flosse vorgesehen. Die Abschnitte 24 bzw. 24′ der Seitensta­ bilisierungsflosse tragen an ihrem freien Ende in Doppel-T- Anordnung eine obere bzw. untere Höhenleitwerksflosse 22 bzw. 22′ (Stabilisierungsflosse).

An der oberen bzw. unteren Höhenleitwerksflosse 22 bzw. 22′ ist je ein Paar sich in horizontaler Richtung nach rückwärts erstreckender Trägerteile 25 bzw. 25′ und 26 bzw. 26′ be­ festigt, die die Luftschraube 6 in geringem Abstand über­ greifen.

Die oberen bzw. unteren Seitenruderträger 25, 26 bzw. 25′, 26′ dienen zur Aufnahme von vertikalen Schwenkachsen 29 bzw. 29′ der Seitenruder bzw. Strahlruder 27 bzw. 27′ für eine Anordnung hinter der Luftschraube 6 im Luftschrauben-Nach­ laufstrahl. Das Trägergestell 20 ist somit gebildet durch die Seitenstabilisierungsflosse 24, 24′, die daran festen Höhenstabilisierungsflossen 22 bzw. 22′ in Verbindung mit den Schwenkachsen 29 bzw. 29′ für die Strahlruder 27 bzw. 27′, sowie die an den Höhenstabilisierungsflossen 22 bzw. 22′ befestigten Träger 25 bzw. 25′ und 26 bzw. 26′, die als zusätzliche Teile zu den ohnehin vorhandenen Stabilsierungs- und Steuerelementen anzusehen sind.

Die Träger 25 bzw. 25′ und 26 bzw. 26′ liegen bei der ge­ zeigten Ausführung in bezug auf die Anströmung innerhalb oder zumindest zum größten Teil innerhalb der Querschnitts­ fläche der Höhenleitwerksflossen 22 bzw. 22′, so daß durch die Anordnung der Träger eine Erhöhung des Luftwiderstandes vermieden ist.

Die Anordnung und Ausbildung des Trägergestells 20 stellt eine verwindungssteife Rahmenkonstruktion dar, durch die der Propeller- bzw. Luftschraubenstrahl ungestört bleibt. Eben­ so ist auch die Anströmung der Strahlruder 27 bzw. 27′ ohne Störung durch das Trägergestell 20.

Bei der vorliegenden Ausführung sind für die Giersteuerung bzw. die Giermomentenausgleichssteuerung zu beiden Seiten der Fluggeräte-Längsmittelebene je ein Strahlruder vorge­ sehen und damit die z.B. bei Schaufelgittern mit einer größeren Anzahl von Schaufeln auftretenden Querschnittsver­ engungen bzw. Strömungsverluste weitgehend vermieden.

Die Luftschrauben-Nachlaufströmung bleibt somit bei in Neu­ tralstellung befindlichen Strahlrudern 27 bzw. 27′ weit­ gehend ungestört, und auch in Ablenkstellung der Strahlruder 27 bzw. 27′ sind die Rückwirkungen auf die Luftschraube durch die Ruder 27 bzw. 27′ auch infolge des relativ großen Abstandes relativ gering.

Bei der gezeigten Ausführung liegen die Strahlruder 27 bzw. 27′ auch in Ausschlagstellung vollständig bzw. im wesent­ lichen innerhalb des Nachlaufstroms des Propellers 6.

Ein Höhenruder 30 ist in der Art eines Balanceruders um eine horizontale Achse 31 schwenkbar am oberen Teil 24 der Seiten­ stabilisierungsflosse 24, 24′ und zumindest zu einem wesentlichen Teil vor der oberen Höhensteuerflosse 22 schwenkbar gelagert. Das Höhenruder 30 weist rückwärtig eine Ausnehmung 32 auf und umgreift somit die Höhenstabilisierungsflosse 22 auf einem Teil ihrer Profiltiefe. Das Höhenruder 30 liegt in der gezeigten Anordnung zumindest zum größten Teil oberhalb des Durchmessers des Propellerdrehkreises D und erstreckt sich seitlich in horizontaler Richtung über den Durchmesser des Propellerdrehkreises D hinaus. Die Balanceruderanordnung und die Anordnung des Höhenleitwerks als T-Leitwerk läßt eine Lage für das Höhenruder 30 zu, in der das Ruder auch im ausgeschlagenem Zustand den Propeller 5 bzw. die Luft­ schraube 6 nicht oder nur in geringem Maße stört.

Gemäß Fig. 2c sind die Strahlruder 27 bzw. 27′, die als profilierte Hochauftriebsklappen ausgelegt sind, mit einem Strömungsspalt 35 bekannter Wirkungsweise versehen. Der Strömungsspalt 35 ist durch eine Klappe 36 an der Unterseite des Profils der Strahlruder 27 bzw. 27′ abschließbar.

Die Klappe 36 verschließt hierbei unter Federwirkung von innen her den Spalt 36 und wird bei hohen Ausschlagwinkeln der Ruder 27 bzw. 27′ zur Freigabe des Spaltes 36 nach innen für die Durchströmung mittels des Strömungsdruckes selbst­ tätig bewegt.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Flugschraubers ist wie folgt:

Der Vortrieb des Fluggerätes sowie der Drehmomentenausgleich erfolgt mittels des Druckpropellers 5 und den diesem zuge­ ordneten Seitenrudern 27 bzw. 27′. Ein Vorteil der Anord­ nung des Propellers 5 bzw. der Luftschraube 6 in Verbindung mit den Strahlrudern 27 bzw. 27′ beruht darauf, daß eine rasche Änderung des Schubvektors bei Ausschlag der Strahl­ ruder ermöglicht ist.

Im Schwebeflug erfolgt der Drehmomentenausgleich durch den Ausschlag der Strahlruder 27 bzw. 27′. Im Reiseflug wird annähernd die gesamte, von der Antriebsanlage 11 erzeugte Leistung auf den Druckpropeller 5 übertragen. Dabei wird das restliche Rotorgegendrehmoment durch die Strahlruder 27 bzw. 27′ erzeugt. Der Restvorwärtsschub, der im Schwebeflug da­ durch erzeugt wird, daß die Strahlablenkung (Strömungs­ ablenkung) geringer als 90° ist, wird durch Anstellung, das heißt durch Neigung des Rotors 2 nach hinten kompensiert. Da der Hauptrotor 2 als Tragschraube wirkt, weist der Rotor 2 eine mehr positive Einstellung gegenüber konventionellen Hubschraubern auf.

Neben der Vortriebserzeugung im Reiseflug wird mittels der Luftschraube 6 in Verbindung mit den Strahlrudern 27 bzw. 27′ erreicht, daß das Fluggerät praktisch ohne Rumpfneigung stark beschleunigt bzw. stark verzögert werden kann.

Claims (12)

1. Drehflügelfluggerät für höhere Fluggeschwindigkeiten enthaltend

• - einen im wesentlichen Vertikalschub erzeugenden Hauptrotor,
• - einen vom Hauptrotor getrennt wirkenden Vorwärtsschub (Horizontalschub) erzeugenden Luftschraubenantrieb im Bereich des Fluggerätehecks, das als Trägerrahmen ausgebildet ist und im Luftschraubennachlaufstrom angeordnete mittels Strahlablenkung zur Giersteuerung arbeitende Steuerflächen aufnimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerrahmen (20) eine Doppel-T-Struktur bildet, die je ein zu beiden Seiten der senkrechten Längsmittelebene im Luftschraubennachlaufstrom einer an sich bekannten frei fahrenden Luftschraube (6) angeordnete Strahlruder (27; 27′) und mindestens eine einen Querträger der Doppel-T-Struktur bildende, vor der Luftschraube (6) angeordnete Höhenstabilisierungsflosse (22; 22′) besitzt, die starre sich horizontal erstreckende Trägerarme (25, 25′; 26, 26′) aufweist, welche einerseits die Luftschraube (6) umgreifen und andererseits eine Lagerung für die Strahlruder (27; 27′) bilden.

2. Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine für die Fluggerätesteuerung um die Querachse ausgebildete Höhensteuerung (22; 30, 31), die sich in T-Anordnung von der Seitenstabilisierungsflosse (24, 24′) erstreckt.

3. Fluggerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhensteuerung (22, 30, 31) als Balanceruder (30; 31) ausgeführt ist.

4. Fluggerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerarmpaare (25, 25′ bzw. 26, 26′) in bezug auf den Durchmesser der Luftschraube (6) in geringstmöglichem Abstand angeordnet sind.

5. Fluggerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Balance-Höhenruder (30) eine Lage einnimmt, bei der zumindest ein Teil der Ruderfläche sich zu beiden Seiten der senkrechten Fluggeräte-Längsmittelebene über den Propellerdrehkreis (D) hinaus erstreckt.

6. Fluggerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Balance-Höhenruder (30) durch eine Ausnehmung (32) im Bereich seiner Hinterkante die Höhensteuerflosse (22) umgreift.

7. Fluggeräte nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlruder (27 bzw. 27′) abschließbare Strömungsspalte (35) aufweisen.

8. Fluggerät nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlruder (27 bzw. 27′) bezüglich ihres seitlichen Abstandes von der senkrechten Längsmittelebene des Fluggerätes so angeordnet sind, daß die Ruder in Ausschlagstellung eine über den Propellerdrehkreis (D) gleichmäßige Drosselung des Luftschrauben-Nachlaufstrahles bewirken.

9. Fluggerät nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten- bzw. Strahlruder (27 bzw. 27′) als profilierte Hochlauftriebsklappen ausgebildet sind und zur Seitensteuerung im wesentlichen aus der Neutrallage entgegen dem Drehmoment des Hauptrotors (2) verstellbar sind.

10. Fluggerät nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (36) um Schwenkachsen mittels Beaufschlagung durch die Strömung bei hohen Anstellwinkeln der Strahlruder (27 bzw. 27′) zur selbsttätigen Öffnung des Spaltes (35) schwenkbar sind.

11. Fluggerät nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller (5) drehmomentabhängig verstellbare Luftschraubenblätter (9) aufweist.