DE3642640A1 - Tragflaechenauslegung fuer bodeneffektflugzeuge - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tragflächenauslegung für Bodeneffektflugzeuge.

Bodeneffektflugzeuge können die Lücke zwischen hydrodynamisch aktivem Foil-Boot und aerodynamisch aktivem Flugzeug hinsicht­ lich möglicher Nutzlast und Geschwindigkeit besonders günstig ausfüllen und einem Hovervraft dann überlegen sein, wenn die Flughöhe im Bodeneffekt autostabil gehalten wird und ein Über­ gang in den Freiraumflug ohne weiteres möglich ist, um höhere Hindernisse zu überwinden.

Freiraum- und Bodeneffektflug stellen jedoch unterschiedliche Stabilitätsanforderungen der Längsbewegung.

Für Freiraumflugsysteme ist die Stabilität der Längsbewegung dadurch gekennzeichnet, daß eine Störung des Anstellwinkels - der Fluglage - entsprechende rückführende Nickmomente mit einer Anderung der Fluggeschwindigkeit zur Folge hat, aus denen ein neuer, statisch stabiler Flugzustand resultiert. Eine Rück­ führung auf die Ausgangsflughöhe wird weder gefordert, noch ist sie mit dieser Flugmechanik selbsttätig erreichbar. Dem jeweiligen, statisch stabilen Flugzustand ist eine spezifische Gleichgewichts­ geschwindigkeit zugeordnet.

Im bodennahen Flug würde die Freiraumflugstabilität nicht aus­ reichen, um Bodenberührungen zu vermeiden.

Gefordert ist für diesen Fall als Dauerzustand eine Stabilisierung, die nach Störungen der Flughöhe eine Rückführung auf die Aus­ gangsflughöhe bewirkt, wobei die Ausgangsflughöhe in erster Linie eine Funktion des Bodeneffektbereiches ist und weitgehend unab­ hängig von der Fluggeschwindigkeit eingenommen werden sollte. Der stabilen Längsbewegung im Bodeneffekt ist dann keine spezi­ fische Gleichgewichtsgeschwindigkeit zugeordnet.

Die Forderung nach einer geschwindigkeitsunabhängigen stabilen Längsbewegung beinhaltet notwendig den Verlust der Freiraumflug­ fähigkeit - Freiraumflugstabilität der Längsbewegung -, für die spezifische Gleichgewichtsgeschwindigkeiten essentiell sind.

Ein effektives Bodeneffektflugzeug muß daher eine Klappen­ funktion zulassen, die die erläuterte Bodeneffektstabilität in die Freiraumflugstabilität überführt, so, daß Hindernisse überflogen werden können.

Tragflügelauslegungen, die geschwindigkeitsunabhängig die Flughöhe im Bodeneffekt halten, sind in verschiedenen Aus­ führungen bekannt:

Das Tandem-Stummelflächen-Konzept nützt allein die auftriebs­ erhöhenden Wirkungen, die in direkter Bodennähe eintreten für eine Begrenzung der möglichen Flughöhe. Oberhalb dieser Flughöhe ist das System instabil und kehrt selbsttätig in den extremen Bodeneffektbereich zurück. Die mögliche Flug­ höhe liegt bei 2 bis 4% der Spannweite.

Das Konzept eines Stauflügeldelta mit gerader Eintrittskan­ te, vorwärts gepfeilter Endkante und negativer V-Stellung sowie externem, abgeschirmten Höhenleitwerksvolumen nützt in direkter Bodennähe die dynamischen Staueffekte und bei größerem Bodenabstand die Wirkungen, die sich aus der Spann­ weite bei einem Flügel geringer Streckung bis zu einem Höhenbereich ergeben, der etwa 50% der Spannweite entspricht. Das System ist demzufolge dem Tandem-Konzept hinsichtlich der Flughöhe, hinsichtlich der Wendigkeit - Kurvenflug ohne Drift - und dadurch überlegen, daß es auch freiraumflugtaug­ lich ist.

Das Konzept eines konventionellen Delta mit externem, ab­ geschirmten Stabilisierungsflächenvolumen nach DE 36 360 457 nützt in direkter Bodennähe ein kontursensibles Profil für selbsttätigen, progressiven Auftriebszuwachs und bei größerem Bodenabstand die Wirkukgen aus der Streckung wie das Stauflügeldelta. Das Konzept ist ebenfalls freiflug­ tauglich, hat aber Vorteile, wenn der Deltaflügel wie in DE 36 36 046.5 ausgeführt zugleich als Schwimmwerk ausge­ staltet wird.

Nachteilig ist dagegen bei den Deltakonfigurationen wie auch bei der Tandemkonfiguration, daß eine Vielzahl von Elementen vorliegt, die insbesondere beim Wasserstart bzw. bei der Landung hochbelastbare Verbindungselemente erfordern, wo­ mit das Gesamtsystem vergleichsweise aufwendig und teuer in der Fertigung wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die flugmechanischen Vorteile der Deltakonfigurationen mit externem Höhenleit­ werksvolumen in einer Konfiguration zu ermöglichen, die nur eine einzige Fläche aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein konventioneller Deltaflügel ein Profil er­ hält, das sich aus zwei einander überlagerten Einzelpro­ filen zusammensetzt.

Den Ausgangspunkt für die gefundene Lösung - Deltakonfi­ guration ohne externes Höhenleitwerksvolumen - liefert die Überlegung, daß eine Deltafläche dann über den schub­ abhängigen Geschwindigkeitsbereich im Bodeneffekt auf einer mittleren Flughöhe autostablilisiert wird, wenn deren Flügel­ oberseite konstant ein kopflastiges Nickmoment liefert und wenn deren Unterseite mit abnehmendem Bodenabstand zunehmend aufrichtende Momente produziert.

Eine derartige Flugmechanik erfordert die getrennte Betrach­ tung der Wirkungen von Flügelober- und Unterseite.

Bei der erfindungsgemäßen Konfiguration wird die Deltaober­ fläche wie bei der Integration eines S-Schlag-Profils aus­ geführt, wobei die eigentliche S-Schlag-Krümmung nicht auf­ wärtsgerichtet in die Endkante ausläuft, sondern wieder ab­ wärts geführt wird. Dieser Bereich entspricht dann der Ober­ fläche eines konventionellen Profils.

Durch diese Maßnahme ergibt sich für die gesamte Deltaober­ fläche eine Auftriebsverteilung, die - entsprechend dem Vor­ liegen mehrerer negativer und positiver Druckgradienten - einem Tandem ähnlich ist.

Die Flügelunterseite in erfindungsgemäßer Ausgestaltung zeigt im hinteren Bereich ebenfalls die Aufwärtskrümmung des S- Schlag-Profils, wird aber mit Wendepunkt zur neuen Hinterkante der Oberfläche fortgeführt, wo sich die gemeinsame Endkante des Gesamtprofils ergibt.

Durch diese Maßnahme ergibt sich für die Flügelunterseite im Bereich der S-Schlag-Krümmung ein zusätzlicher, erheblicher negativer Druckgradient aus dem ein Abtrieb mit aufrichten­ dem Moment resultiert.

Für eine konstante Fluggeschwindigkeit ist die Stärke des zusätzlichen Abtriebs im Gegensatz zum konstanten zusätzli­ chen Auftrieb in erheblichem Maße durch den Bodenabstand bestimmt. Während für die Oberseitenmodifikation bei Annä­ herung an den Boden die Anströmungsverhältnisse in diesem Bereich praktisch gleich bleiben, ergibt sich für den ent­ sprechenden Flügelunterseitenbereich zwischen der Flügel­ fläche und dem Boden eine Art seitlich offener Venturidüse, deren Effekte für raschen Abtriebszuwachs bzw. aufrichtende Momente sorgen.

Wird die Fortführung der S-Schlag-Krümmung der Profilober­ seite so gewählt, daß aus ihrem Zusatzauftrieb ein kopfla­ stiges Nickmoment resultiert und die S-Schlag-Krümmung so ausgeführt, daß bei einem gewissen Bodenabstand der verstär­ kte Abtrieb dort ein kompensierendes aufrichtendes Moment liefert, so ist die Konfiguration für eben diese Flughöhe autostabilisiert.

Ein Überschreiten dieser Flughöhe führt automatisch zu ei­ ner Rückverlegung des aerodynamischen Systemneutralpunkts, da dann der Zusatzauftrieb der Oberseite dominiert. Ein Unterschreiten dieser Flughöhe führt dagegen zu einer er­ heblichen Vorverlegung des aerodynamischen Systemneutral­ punktes, da der Zusatzabtrieb überwiegt.

Die Stabilisierung der Flughöhe erfolgt somit durch Nick­ momente, deren Auftreten alleine durch Flughöhe determi­ niert ist und damit geschwindigkeitsunabhängig bleibt. Anders als bei einem vergleichbaren externen Stabilisierungs­ flächenvolumen bleiben bei der erfindungsgemäßen Konfigura­ tion die Anströmwinkel für den stabilisierenden Bereich konstant. Sie entsprechen dem vorgelagerten Profilverlauf.

Um sicherzustellen, daß die erläuterten stabilisierenden Effekte nicht durch verstärkende oder kompensierende Mo­ mente aus dem vorgelagerten Profilverlauf gestört werden, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, für diesen Flächenanteil den Profilverlauf eines Newman- Profils zu wählen.

Das Newman-Profil ist durch eine ellipsen- bzw. kreisförmige Nase und geradlinige Profilausläufe charakterisiert. Die größ­ te Profildicke liegt im Nasenbereich.

Damit ist gewährleistet, daß die Saugspitze ihre Lage bei Anstellwinkeländerungen kaum ändert und daß auftriebsmin­ dernde Entwölbungseffekte in Bodennähe durch Parallelisie­ rung der Stromlinien anders als bei Profilen mit erhebli­ cher Dickenrücklage ausbleiben.

Eine Bodenannäherung bei geringen Anstellwinkeln, die dem­ zufolge im modifizierten Unterseitenbereich keine Venturi­ effekte liefert, bleibt bei Verwendung des Newman-Profils insofern unkritisch, als die notwendigen aufrichtenden Momente für diesen Fall zunächst aus einer besonders inten­ siven Umströmung der Flügelnase mit entsprechend lokalisier­ tem Zusatzauftrieb resultieren. Mit zunehmendem Aufrichten des Systems verlieren die Strömungsbedingungen an der groß­ volumigen Newman-Profilnase an Bedeutung und es stellen sich die erläuterten Venturieffekte ein. Übermäßige Anstellwinkel beim Aufrichten der Konfiguration nach einer Störung zu gerin­ ger Flughöhe werden dadurch vermieden, daß mit zunehmendem Anstellwinkel die hochliegende Hinterkante in Bodennähe gerät und infolge der dort vorliegenden Konkavwölbung ein kompen­ sierendes Stauluftgebiet aufbaut.

Versuche zeigten, daß eine sichere Stabilisierung der Flug­ höhe praktisch unabhängig von der Geschwindigkeit bis zu 80% der Spannweite erreicht werden kann. Wird die Hinter­ kante mit einer Klappenfunktion versehen, so ist eine Über­ führung in den Freiraumflug gegeben. Die Klappe übernimmt im Freiraumflug die für den Bodeneffektflug entbehrliche Höhensteuerung und legt in Bodennähe die Autostabilisierungs­ höhe fest.

In der beschriebenen, erfindungsgemäßen Auslegung stellt die modifizierte Deltakonfiguration einen Verband dar, der infolge der deltaspezifisch günstigen Holmhöhe sowohl kon­ ventionell als auch in Schalen-Sandwich-Bauweise sehr leicht bei großer Resistenz gegenüber aeroelastischen Verformungen gefertigt werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dem Einsatz als Bodeneffektflugzeug auf und über Wasserflächen da­ durch besonders Rechnung zu tragen, daß die Konfiguration im wesentlichen aus pneumatischen Elementen aufgebaut wird.

Pneumatische Elemente aus hochbelastbaren Fasern ermöglichen in einer Deltakonfiguration bei günstiger Auslegung einen hochfesten Verband sehr geringen Gewichts. Das System erhält durch die Luftkammern mehr Sicherheit für den Einsatz über dem Wasser betreffend Unsinkbarkeit und Aufschlagdämpfung bei Wellenschlag. Die notwendig vorliegende Flexibilität trägt den Bedingungen beim Wasserstart und bei der Landung besonders günstig Rechnung, da die vergleichsweise hohen dynamischen Belastungen vom Gesamtelement aufgenommen wer­ den und starre mechanische Verbindungen, die Belastungsspitzen aufweisen könnten, fehlen, wenn - wie vorgesehen - das Schwimm­ werk als Aufdickung der Flügelunterseite in den Deltaverband einbezogen wird.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Deltakonfiguration an Ausführungsbeispielen erläutert, die den Einsatz pneumatischer Elemente mit einer formkebenden Innen- sowie einer formgeben­ den Außenstruktur zeigen.

Es bezeichnen:

Fig. I eine perspektivische Flügelgesamtansicht,

Fig. II die Herleitung des Profils - Symmetrieebene, Fig. III die Anordnung pneumatischer Elemente im Sinne eines formgebenden Rahmens,

Fig. IV die Anordnung von Außenprofilen, so daß der ge­ samte Flügel pneumatisches Element sein kann, wobei ein zusätzliches Innenelement den Flügel torsions- und biegesteif stabilisiert.

Fig. I zeigt den erfindungsgemäßen Deltaflügel 1 in der per­ spektivischen Draufsicht, wobei die Mittelinie 2 den Profil­ verlauf der Oberseite in der Symmetrieebene zeigt.

Der Oberseitenprofilverlauf der Mittelinie 2 wird bei der Bei­ spielskonfiguration auf ein gewöhnliches Profil im Randbogen 3 eingestraakt. Darüberhinaus zeigt die Beispielskonfiguration eine Vorwärtspfeilung der Hinterkante 4.

Erfindungsgemäß ist aber auch ein Beibehalten des Oberseiten­ profilverlaufs der Mittelinie 2 bis zu den Randbogen bzw. ein anderer als der hier gewählte Tragflügelgrundriß.

Fig. II zeigt die Herleitung der erfindungsgemäßen Profilaus­ legung anhand eines S-Schlag-profils 5, das durch Anschluß eines weiteren Profils 6 zum Gesamtprofil 7 mit hochliegender End­ kante 8 wird.

Die Eigenschaften des Gesamtprofils 7 werden bestimmt durch den Profilverlauf des Profils 5, Oberseitenkontur und Einstellwin­ keldifferenz des Profils 6 sowie die Lage der Wendepunkte für Ober- und Unterseitenverlauf. Durch geeignete Abstimmung der Einzelparameter läßt sich eine Vielzahl von Profilen für Bo­ deneffektflugzeuge im Sinne der Erfindung erzeugen, die unter­ schiedliche Charakteristika haben und einen breiten Anwendungs­ rahmen abdecken können.

Fig. III zeigt die innere Struktur bei Vorsehen von pneumatischen Elementen 9, die erfindungsgemäß als Rahmen 10 angeordnet wer­ den, der die flexible oder auch semiflexible Behäutung 11 trägt. Die Oberflächenkontur der Behäutung wird im Beispiel dadurch erreicht, daß ein festes Mittelteil 12 Anschluß für die Behäutung ist und diese - nicht dargestellt - auch zwischen Ober- und Unterseite Verspannungselemente aufweist.

Fig. IV zeigt den Aufbau einer Flügelhälfte als pneumatisches Großelement. Dazu werden außenprofilähnliche Formgeber 13 vor­ gesehen, die eine innere Struktur ersetzen. Die gesamte Halb­ flügelbehäutung ist pneumatisches Element und presst sich bei Druckbeaufschlagung an die Außenprofile 13. Ein Aufspreizen der Außenprofile wird durch Innenverspannungen 14 der Behäutung ver­ mieden. Um dieses pneumatische Großelement ausreichend zu ver­ steifen, wird ein pneumatisches Element 15 mit der Funktion eines Rohrholms vorgesehen werden können.

Wird der erfindungsgemäße, stufenförmige Tragflügelverband in der erläuterten Weise pneumatisch strukturiert, so ergeben sich neben den flugmechanischen Vorteilen im Bodeneffekt weitere, die die Transport-/Lagerfähigkeit, die Sicherheit und das nutzbare Ge­ samtgewicht betreffen.

Claims (4)

1. Tragflächenauslegung für Bodeneffektflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß in einem delta- oder trapezstummelförmigem Tragflächen­ grundriß ein Profil (7) integriert wird, wie es sich geometrisch ergibt, wenn an ein S-Schlag-Profil (5) ein weiteres Profil (6) straakend und übergangsformend so angesetzt wird, daß Ober- und Unterseite des Profils (7) einen stufenähnlichen, weichen Über­ gang zeigen, der zu einer hochliegenden, gemeinsamen Hinter­ kante (8) führt.

2. Tragflächenauslegung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenstruktur der Tragfläche durch tragende pneumati­ sche, röhrenförmige Elemente (9) gebildet wird, die im Sinne eines Rahmens (10) so angeordnet sind, daß über diese eine flexible oder semiflexible Behäutung gespannt oder eine feste Behäutung gelegt werden kann.

3. Tragflächenauslegung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Struktur der Tragfläche weitgehend durch außen­ profilähnliche Formgeber (13) ersetzt wird, die die an ihnen befestigte Behäutung bei Beaufschlagen der Fläche mit Druckluft formstabilisieren,

4. Tragflächenauslegung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch außenprofilähnliche Formgeber (13) stabilisierte Tragfläche durch einen pneumatischen Rohrholm (15) oder weitere pneumatische Elemente (9) sowie durch innenliegende Verspannun­ gen (14) zusätzlich stabilisiert wird.