DE3804227A1 - Schlagfluegel-gleitflugzeug - Google Patents

Description

Während muskelkraftbetriebene Propellerflugzeuge nur einen ge­ ringen Wirkungsgrad der eingesetzten Kraft erzielen, führen Schlagflügelflugzeuge mit radial bewegten Flügeln nicht zum Erfolg, da aufwendige und stark kräftereduzierende Übersetzun­ gen, nachteilige Schwingngsresonanzen und vor allem Höhenver­ luste des Flugapparates während der Aufschlagsphase ein effek­ tives Fliegen und insbesondere die Durchführung eines Steig­ fluges bzw. eines Laufstartes mit Hilfe von schlagenden Flügeln nahezu unmöglich machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Konzept für ein Schlagflügelflugzeug mit möglichst guten Segeleigen­ schaften für den Langsamflug, sowie mit einer hinsichtlich ihrer Wirkung und ihrer Krafterfordernis optimalen Auf- und Vortriebs­ hilfe zu schaffen, so daß insgesamt unter durchschnittlich guten Segelflugbedingungen auch mit der bloßen Hilfe der Muskelkraft die Durchführung eines Laufstarts und eines Steigfluges möglich wird.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß im wesentlichen durch den Bau eines nach den Ansprüchen 1-3 ausgestattetes Schlagflü­ gel-Gleitflugzeuges gelöst.

Da bei diesem Flugzeug eine für das Gesamtgewicht völlig aus­ reichende und zudem vorzugsweise großzügig dimensionierte starre, d. h. von der Schlagbewegung völlig getrennte, Tragfläche ständig Auftrieb erzeugt, erhält das Modell im Gegensatz zu her­ kömmlichen Schlagflügelflugzeugen auch während des Flügelschla­ gens den Segelzustand aufrecht, d. h. es erfolgt eine optimale Auftriebsunterstützung durch den starren Flügel während des Ab­ schlages des Schlagflügels, da während der relativ langsam er­ folgenden resultierenden Hubbewegung des Flugapparates während des Abschlages die auftriebserzeugende Luftströmung am starren Flügel nicht abreißt, und es wird durch die kontinuierliche Auf­ triebswirkung einer Tragfläche vor allem ein Fallen in der Auf­ schlagsphase des Schlagflügels fast gänzlich verhindert, so daß der resultierende Hubeffekt deutlich überwiegt und insgesamt, z. B. bei Ausnutzung kräftiger Muskelgruppen wie der Bein- und Armstrecker zum Antrieb des Schlagflügels, gute Steigleistungen ermöglicht werden (Eine starre Tragfläche erzeugt hierbei, d. h. bei der Hubbewegung des Flugapparates, keinen Luftwiderstand, da diese in ihren Sogbereich hineingehoben wird.).

Dadurch, daß der Schlagflügel beim schlaglosen Gleit- oder Segel­ flug annähernd oder gleich auftriebsunwirksam ist, d. h. nur im Abschlag seine hauptsächliche Wirkung entfaltet, kann dessen Wirkfläche derart groß gestaltet werden, daß dem Piloten eine größtmögliche, d. h. eine entsprechend der Schlagleistung eines (entsprechend dem Gesamtgewicht) normal großen Flügels große, Unterstützung des Segelfluges durch das Flügelschlagen zur Ver­ fügung steht, ohne daß der Pilot Gefahr läuft, aufgrund einer im Verhältnis zum Gesamtgewicht überproportionalen Flächenvergrö­ ßerung am Flugzeug von stärkeren Windkräften abgedriftet zu wer­ den und damit die Kontrolle über das Flugzeug zu verlieren. Hierzu kommt in diesem Zusammenhang noch der fluglagenstabilisierende Doppeldeckereffekt eines nach dem beschriebenen Gesamtkonzept gebauten Flugzeuges. Eine weitere sehr große Kraftaufwandserleich­ terung bietet der nach Anspruch 2 beschriebene Hub-Schlagflügel. Durch dessen Anwendung fallen Kräfteverluste, wie sie durch die Verwendung aufwendiger Übersetzungsmechaniken entstehen, fast gänzlich weg, wobei vor allem ungünstige Hebelverhältnisse, wie sie bei der Übersetzung von Kräften kurzer Kraftarme auf lange, radial bewegte Lastarme entstehen, entfallen, da die Kraft mit fast vollem Betrag annähernd direkt an der Last angreift, und zwar im Wirkungzentrum der Last bei einem optimalen, d. h. senk­ rechten Angriffswinkel. Kräfteverluste treten lediglich durch Reibung an der Gestängeführung des Hubflügels sowie an den Rol­ len von ggf. verwendeten Seilzügen auf. Weiterhin kräftesparend wirkt sich die hier mögliche Anwendung einer elastischen Gegen­ lagerung des Hubflügels im oberen Umkehrpunkt aus, z. B. in Form von Stoßfedern oder Gummibändern. Hierdurch wird zusätzlich Auf­ schlagsenergie in Abschlagsenergie umgewandelt und somit der Krafteinsatz am kräftezehrenden oberen Umkehrpunkt des Flügels effektiviert, über dessen elastische Abbremsung und Gegenbeschleuni­ gung, so daß der Pilot den Flügel im Abschlag nur noch weiterzube­ schleunigen hat und somit bei der Leistung der Muskelarbeit nur noch mit günstigen mittleren Gelenkbeugewinkeln bis zur Gelenkstreckung zu arbeiten braucht.

Da beim Hubflügel die Spannweite auf ihrer gesamten Länge abgeschla­ gen wird, benötigt dieser nur eine geringe Schlagamplitude. Dies führt wiederum zu einer - falls der Hubflügel als unterer Flügel verwen­ det wird - großen Bodenfreiheit beim Start und insbesondere auch zu einer genügenden Distanz zwischen den Wirkungsbereichen zweier über­ einander liegender Flügel, so daß andererseits auch die Amplitude der effektiv abgeschlagenen Fläche im Vergleich zur Anwendung eines ra­ dial bewegten Flügelpaares vergrößert werden kann.

Ein Schlagflügel nach Anspruch 3 ermöglicht die geforderte Auf­ triebsneutralität im Segelflug, sowie eine luftfassende konkave Form im Abschlag in baulich einfacher Weise, wobei durch die elastische Flügelunterseite auch thermische Windkräfte nutzbar werden, ggf. bei Arretierung des Schlagflügels in einem bestimmten Winkel.

Eine weitestgehende Schwingungsresonanzdämpfung und Aufschlagsunter­ stützung, deren Energie zudem im oberen Umkehrpunkt als positive Schwingungsresonanz verwertbar wird, nach Anspruch 4, sowie eine bes­ sere Ausnutzung thermischer Windkräfte durch die Anordnung der Flü­ gelflächen nach Anspruch 5 verbessern des weiteren die Flugleistungen des beschriebenen Schlagflügel-Gleitflugzeuges.

Da ein derartig kräftesparend konzipiertes Schlagflügelflugzeug zudem in Ultraleichtbauweise gebaut wird, ohne schwere Maschinen-, Getriebe- oder aufwendige Übersetzungsbauteile auskommt und vom Piloten in ge­ bückter Haltung auf dem hoch gewichtsbelastbaren Beckengürtel getra­ gen wird - so daß die Wirbelsäule nicht gewichtsbelastet wird, sondern nur Steuerungsbelastungen zu tragen hat - ist ein Laufstart bei durch­ schnittlich guten Windverhältnissen möglich, in der Endphase unter­ stützt durch den hierbei von den Armen betätigten Hubflügel. Da das Flugzeug weiterhin durch entsprechende Profilierung des Tragflügels, ggf. bei zusätzlicher Nutzung eines Vorflügels zur Strömungsoptimie­ rung, als Langsamflugmodell ausgelegt ist, sind somit Starts und Lan­ dungen bei geringer Laufgeschwindigkeit auf kürzester Strecke mög­ lich, und dies ggf. auch auf relativ unebenen Geländen, die für Roll­ starts eher ungeeignet sind.

Bei der beschriebenen großzügigen Flächendimensionierung, wodurch u. a. der Flugapparat beim Laufstart schon bei geringen Wind- bzw. Lauf­ geschwindigkeiten sehr leicht zu tragen wird, ist in begrenztem Umfang eine Wasserballastaufnahme möglich, wodurch eine optimale Anpassung der Flächen-Gewicht-Relation an die jeweiligen Windverhältnisse er­ reicht werden kann, so daß ein - bei relativ konstanten Windverhält­ nissen - annähernd idealer Segelzustand mit sehr geringen durch­ schnittlichen Sinkwerten erreicht werden kann, welche von den Muskeln nur noch die Leistung eines geringen Schwellenwertes der Kraft, die zum Ausgleich oder Übertreffen des jeweiligen Sinkens nötig ist, er­ fordern.

Ein weiterer Vorteil eines nach den Ansprüchen 1 und 2 als Doppel­ decker mit einem zudem tiefgelegenen Schwerpunkt konzipiertes Modell ist, daß dieses nicht nur sehr flugstabil ist, sondern auch - unter Zuhilfenahme besonderer Steuerhilfen (siehe Beispielsbeschreibung) - sehr wendig. Die Bauchlage beim Fliegen verschafft zudem ein sehr in­ tensives Fluggefühl, so daß ein derartiges Schlagflügel-Gleitflugzeug ein ebenso erlebnisintensives wie leistungsstarkes Freizeitsportgerät darstellt, das zumindest in wärmeren Ländern und generell in Küsten­ regionen mit regelmäßigen, günstigen Winden eine stärkere Verbreitung erfahren kann, wobei je nach Einsatzgebiet wahlweise ein größerer, d. h. besser thermikausnutzender Überlandflügel als starrer Flügel oder ein schmalerer, seewindgeeigneter starrer Flügel zum Einsatz kommt.

Die Fig. 1 zeigt in einer groben Übersichtsskizze ein nach den Ansprü­ chen 1-3 ausgeführtes Baubeispiel mit einem oberen starren Flügel und einem unteren, als Hub-Schlagflügel ausgelegten Schlagflügel. Das doppelt ausgeführte Führungsgestänge des Hubflügels ist hierbei auf beiden Seiten jeweils seitlich voll verkleidet (1), wobei die Verklei­ dungen des Aufbaus (2) des starren Oberflügels vorne und hinten mit diesen Seitverkleidungen einen aerodynamischen Abschluß bilden. Die obere Abrundung der Seitverkleidung (3) des Hubflügelgestänges erlaubt verschiedene Winkelstellungen des Hubflügels. Geführt werden die Hubstangen des Schlagflügels in Manschetten im oder am Rahmen des Rumpfes, wobei die Seitverkleidungen des Gestänges mitbewegt wer­ den und hierbei im Rumpf jeweils in einer Flanke des Rumpfes versenkt werden und, je nach Modellauslegung, unten seitlich am Rumpf durch entsprechende Spaltöffnungen (4) wieder austreten. Die Auslegung des Schlagflügels als Unterflügel erlaubt den Bau einer weniger aufwendi­ gen Führung des bewegten Flügels, wobei bei einer relativ kleinen Am­ plitude, die etwa vom mittleren Abstand des Rumpfes zum Oberflügel und dem Rumpf begrenzt ist, eine recht gute Bodenfreiheit bei den Starts gewährleistet bleibt. Der starre Oberflügel weist ein Langsamflugpro­ fil auf, während der Schlagflügel eine auftriebsneutrale Profilierung besitzt und zusätzlich lose verschwenkbar sowie arretierbar gebaut werden kann. Um thermische Windkräfte besser nutzen zu können, kann der Hubflügel sodann bei Bedarf in einer günstigen Winkelstellung fest­ gesetzt werden.

Ein denkbares Beispiel für eine Flächenauslegung für das nach An­ spruch 1 skizzierte Modell wäre beispielsweise eine Flächengröße von ca. 12 m² für den oberen starren Flügel bei einer Größe von annähernd 10 m² für den Hubflügel. Die Schlag- bzw. Hubfläche ist hierbei belie­ big ausführbar, z. B. auch in Form von einer oder mehreren längs ange­ ordneten Flächen, in Form von runden, ovalen oder sonstigen Flächen. Im Abschlag sorgen Hubflügelführung und Kraftansatz an einem bestimm­ ten Punkt der Flügeltiefe zusammen für den gewünschten Abschlagswin­ kel, der flugsituationsangemessen stufenlos für verschiedene Auf­ triebs- und/oder Vortriebswerte verstellbar gebaut werden sollte. So kann z. B. bei plötzlich auftretenden Windböen nur Propulsion in einem entsprechenden spitzen, negativen Winkel geschlagen werden, um einen Stillstand in der Luft zu vermeiden. Da technische Detaillösungen zu den Ansprüchen unterschiedlich ausfallen können und zudem nicht an­ meldungsrelevant sind, wird an dieser Stelle nicht näher darauf einge­ gangen.

Die gezeigten Kufen (5) des Modells sind (je nach Beinlänge des Benut­ zers) in der Höhe einstellbar und gefedert. Sie dienen zusammen mit der hinteren Kufe der Absicherung des Piloten bzw. des Modells bei Start und Landung und ermöglichen auch eine Landung nur auf den Kufen, da diese durch ihre bauliche Form auf jedem Untergrund glei­ ten. Das im Beispiel gezeigte hochgezogene Heck erlaubt hierbei ein starkes Überziehen des Fluggerätes, um die Landegeschwindigkeit mög­ lichst stark zu drosseln. Zudem kann durch die gezeigte hohe Anordnung des Höhenleitwerkes dieses in etwa aus den Wirbelschleppbereichen der Flügel herausgehalten werden. Da die vorderen Kufen weit vorn am Flugzeug angebracht sind und nicht in Fahrtrichtung ausladen, ist ein Überschlagen bei der Landung normalerweise unmöglich. Das gezeigte Leitwerk stabilisiert und steuert sehr effektiv, da sowohl dessen be­ wegliche als auch starre Flächen relativ groß ausgelegt sind und diese über einen recht langen Hebelarm bis zum Flugzeugschwerpunkt auf die Fluglage wirken. Die Seitverkleidungen des Hubflügelgestänges wirken zusätzlich als fluglagenstabilisierende Seitenleitwerke, so daß zuzüglich der Tatsache, daß dieses Modell als Doppeldecker ausgelegt ist, diesem eine stabile Fluglage zugesprochen werden kann. Diese be­ günstigt wiederum die Anbringung von Steuerklappen an den Flügelenden des starren Flügels, die jeweils einseitig in einen negativen Winkel verstellt werden können, so daß über eine einseitige Widerstandserhö­ hung bei Herabziehen der betreffenden Flügelseite durch den negativen Winkel, sowie begünstigt durch den langen Hebelarm des Flügels (Halbe Spannweite des großen Tragflügels) eine sehr enge Flugkurve erreich­ bar ist, wodurch zu der guten Flugstabilität noch eine ausgezeichnete Wendigkeit des Modells hinzukommt.

Die Kraftübertragung kann über Gestänge und rollengeführte Seilzüge erfolgen, wobei die kräftigen Muskelgruppen der Bein- und Armstrecker bevorzugt einzusetzen sind. Seilzüge könnten so z. B. mittels schienen­ geführter Halterungen oder mittels Halterungen angelenkter Hebel von den Füßen bzw. Händen gezogen werden. Die Bauchlage des Piloten im Rumpf des Flugapparates erleichtert hierbei bei fester Gegenlagerung von Schultergürtel und Rücken die Streckung von Armen und Beinen und dies in günstigen Gelenkwinkelbereichen. Alternativ zur Ausnutzung der Muskelkraft ist selbstverständlich auch die der Solarenergie denkbar, was jedoch den baulichen Aufwand und damit das Gesamtgewicht sowie die Kosten des Modells erheblich erhöhen würde.

Im Kopfbereich des Piloten ist im Beispiel eine nach unten teiloffene Plexiglaskuppel (6) zur Herstellung einer Rundumschicht und einer Belüf­ tung des Innenraumes angebracht. Die nach unten teiloffene Kuppel kann zudem bei günstiger Ausgestaltung wie ein Schalltrichter wir­ ken, so daß der Pilot ggf. auch ohne Sprechfunkgerät bis zu einem gewissen Grad sich nach unten verständlich machen kann. Der Rumpf ist ansonsten nur hinten, d. h. im Beinbereich, nach unten offen. Den Rahmen eines nach den Ansprüchen 1-3 als Hubflügel ausgeleg­ ten Schlagflügels, dessen gesamte Bespannung für dieses Beispiel elastisch verformbar sein soll, mit langen, die Flügeltiefe im we­ sentlichen begrenzenden Holmen (7), welche über mit Exzentern (8) ver­ sehene Distanzstangen (9) auseinanderrückbar sind, so daß der Spannungs­ zustand der Bespannung veränderbar ist, ist in Fig. 2 in Draufsicht skizziert. Die kurzen mittleren Holme (10) eignen sich als Ansatz­ stellen zur Führung, Kraftübertragung und Winkelverstellung gleicher­ maßen. Für diesen Flügel im Stillstand vorgesehene gleichlange Strö­ mungswege der Luft an der Ober- und Unterseite des Flügels verhin­ dern die Bildung von Auftriebsdruck und Auftriebssog an der Flügel­ unter- bzw. Flügeloberseite. Die elastische Bespannung nimmt im Ab­ schlag eine konkave Form an und ermöglicht zudem die Ausnutzung thermischer Windkräfte bei entsprechender Winkelarretierung des Hubflügels. Begünstigt wird letzteres durch eine Anordnung der Flü­ gelflächen nach Anspruch 5, wie sie Fig. 3 in Draufsicht verdeut­ licht. Durch eine derartige Flügelanordnung wird auch der Wirkungs­ bereich des Schlagflügels besser von dem des Tragflügels getrennt.

Eine weitestgehende Dämpfung der negativen Schwingungsresonanz im unteren Umkehrpunkt des Schlagflüges nach Anspruch 4 kann z. B. durch langhubige Stoßfedern erreicht werden, die im unteren Amplitu­ denbereich der Flügelschlagbewegung in der Weise die kinetische Restenergie des abgeschlagenen Flügels abfangen bzw. umwandeln, daß sie in einem möglichst weit vorn liegenden Bereich der Flügeltiefe angreifend (bessere Hebelwirkung) den Flügel in einen stark positi­ ven Winkel zur Flugrichtung drehen. Die Kraft der anströmenden Luft verleiht dem Flügel dann wieder einen Aufwärtsimpuls, bevor dessen abwärts beschleunigte gesamte Masse abrupt über irgendein festes Teil des Flugapparates abgebremst werden müßte, wodurch das Flugzeug einen stärkeren Abwärtsimpuls erfahren würde.

Darüber hinaus wird die durch die Windkraft entstehende Aufschlags­ energie im oberen Umkehrpunkt des Schlagflügels als positive Schwingungsresonanz verwertbar. Durch die Anwendung einer derartigen Schwingungsresonanzdämpfung und Aufschlagshilfe entfällt somit die negative Schwingungsresonanz weitestgehend, und ein kräfteraubender, d. h. forcierter aktiver Aufschlag wird damit in der Regel überflüs­ sig.

Claims (5)

1. Schlagflügel-Gleitflugzeug mit zumindest einem bevorzugt mit­ tels Muskelkraft betätigten Hub-Schlagflügel oder mit Schlag­ flügeln sonstiger Bauart zur Unterstützung des Segelfluges sowie zur Start- und Steigehilfe und mit zumindest einem Trag­ flügel bzw. einer zu diesem Flügel analogen Ausstattung des Flugzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen des diskontinuierli­ chen Schlagens und des kontinuierlichen Tragens voneinander getrennt arbeitend am Schlagflügel-Gleitflugzeug verwirklicht werden und hierbei die insgesamt abgeschlagene Fläche bevor­ zugt ähnlich oder gleich groß dimensioniert ist wie die insge­ samt tragende, d. h. kontinuierlich auftriebserzeugende Fläche, wobei weiterhin die Schlagflügelfläche während des schlaglosen Gleitfluges durch ihre bauliche Gestaltung und/oder Anordnung nur unwesentlichen, d. h. bevorzugt sehr geringen bis keinen Auf­ trieb, ggf. auch Abtrieb, erzeugt, d. h. nur oder hauptsächlich während des Abschlages Auf- und/oder Vortrieb erzeugt, so daß insgesamt ein mit etwa einer bis zu zweimal so großen Fläche, wie es für das Gesamtgewicht des Flugzeuges einschließlich des Piloten ausreichen würde, ausgestattetes Schlagflügel-Gleitflug­ zeug entsteht, dessen im Abschlag wirksame Fläche jedoch während des Segelns im wesentlichen auftriebsneutral bleibt.

2. Hub-Schlagflügel, insbesondere für Schlagflügelflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügel zur Auf- und/oder Vor­ triebserzeugung mit seiner gesamten Spannweite in einer Hub­ bewegung auf- und abgeschlagen wird, so daß eine antreibende Kraft zentral oder in etwa zentral und senkrecht oder annähernd senkrecht am Flügel bzw. hinter der Last der zu verdrängenden Luft angreift und so dem Flugapparat einen Hub- und/oder Vor­ triebsimpuls verleiht, ohne daß Kräfteverluste wie bei der Über­ setzung einer antreibenden Kraft auf lange Lastarme radial be­ wegter Schlagflügel auftreten.

3. Radial oder senkrecht geführte(r) Schlagflügel, bevorzugt zur Unterstützung der Flugleistung von Schlagflügelflugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß diese(r) eine auftriebsneutrale oder annähernd auftriebsneutrale Profilierung besitzen (besitzt), und hierbei zumindest die im Abschlag wirksame Unterseite des Flügels oder ein Teil der unteren Flügelbespannung, bzw. des unteren Flügelprofils elastisch verformbar gestaltet ist und diese Unterseite bzw. ein Teil davon, im Abschlag entweder be­ grenzt durch eigenelastische Verformbarkeit oder durch in Ab­ schlagsrichtung konkave Streben oder durch andere Bauteile des Flügels eine konkave, d. h. luftfassende Form annimmt.

4. Schwingungsresonanzdämpfung und Aufschlagshilfe für die unte­ re Umkehrbewegung von Schlagflügeln, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende kinetische Energie des abgeschlagenen Flügels in einem unteren Amplitudenbereich dafür genutzt wird, über Widerstandskräfte, bevorzugt elastischer Art, welche in diesem unteren Amplitudenbereich auf den Schlag­ flügel einwirken, diesem einen Drehimpuls zu verleihen, welcher ihn in einen stark positiven Winkel, der im Umkehrpunkt von der Anströmung und der Widerstandskraft kurzfristig fixiert wird, zur Flugrichtung stellt, während der Flügel nach unten ausläuft, wodurch der Schlagflügel vom anströmenden Wind einen Aufwärts­ impuls erfährt, ohne daß bei der Bewegungsumkehr eine nennens­ werte negative Schwingungsresonanz entsteht.

5. Flügelanordnung für mit mehr als einem Flügel ausgestattete Schlagflügel- und/oder Segelflugzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel eines übereinander ange­ ordneten Flügelpaares oder mehrerer übereinander angeordneter Flügel durch ihre unterschiedliche Form bei gleicher Ansatzhöhe über dem Flugzeugschwerpunkt in Längsrichtung des Flugzeuges mit ihren Flächen größtenteils versetzt übereinander stehen, wo­ bei der jeweils obere Flügel stärker nach vorne auslädt als der jeweils untere.