DE3811616C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schubvektorsteuerung insbeson­ dere für Hochleistungs-Kampfflugzeuge, gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Schubvektorsteuerung.

Eine solche Schubvektorsteuerung ist beispielsweise aus der US-PS 40 52 007 bekannt, wobei der dort gezeigte Düsenbereich rechteckig aus­ geführt ist. Dadurch genügen zwei einander gegenüberliegende, in Kulis­ sen verschiebbare Klappen zur Änderung des Düsenaustrittsquerschnittes. Zum Zweck der Strahlablenkung bzw. der Schubumkehr sind stromabwärts der Düse zwei weitere, um triebwerksfeste Achsen verschwenkbare Klappen vor­ gesehen. Bei Strahlablenkung werden diese im wesentlichen gleichsinnig, bei Schubumkehr symmetrisch gegensinnig verschwenkt. Die dem Triebwerks­ strahl zugewandte Innenkontur der Klappen verläuft über den größten Teil ihrer Länge gerade, wobei eintrittsseitig ein kurzer konvexer Bereich vorausgeht. Dabei sind bei minimal geöffnetem Dü­ senquerschnitt infolge der triebwerksfesten Klappenachsen bereits sehr große Klappenwinkel erforderlich, um eine wirksame Strahlablenkung zu erzielen. Aus Versuchen ist bekannt, daß bei einem Auftreffwinkel des Strahlrandes auf die Innenkontur der Klappe von mehr als 30° eine teil­ weise Rückströmung des Strahles eintritt, prinzipiell vergleichbar mit dem Betriebsfall Schubumkehr. Der um mehr als 90° abgelenkte, zur Klappenvorderkante hin abströmende Strahlanteil hat sowohl einen Schubverlust als auch einen Querkraftverlust zur Folge und kann zu ther­ mischen und mechanischen Belastungen des Triebwerkes bzw. der Zelle füh­ ren. Um Totzonen, d. h. unerwünschte Reaktionsverzögerungen zu vermeiden, läßt man die Strahlablenkklappen ständig am Strahlrand anliegen, wobei durch Ejektoreffekt eine begrenzte Kühlung der Klappen möglich ist. Dennoch ist die thermische Belastung der Klappen groß, so daß nur teure, hochhitzebeständige Werkstoffe ver­ wendbar sind. Eine entsprechende, laufende Anpassung der Klappenstellung ist z. B. dadurch möglich, daß der Strahlrand zu allen relevanten Flugma­ növern und Triebwerkszuständen erfaßt und im Bordrechner gespeichert wird. Die Erfassung des Strahlrandes für alle notwendigen Flugzustände ist allerdings extrem aufwendig.

Gegenüber den aufgezeigten Nachteilen des Standes der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Schubvektorsteuerung zur Verbesse­ rung der Manövrierfähigkeit von strahlgetriebenen Luftfahrzeugen zu schaffen, welche die Wirksamkeit der Strahlsteuerung verbessert, indem sie Rückströmungen und Totzonen weitestgehend vermeidet und eine einfa­ che Ermittlung des Strahlrandes ermöglicht.

Außerdem sollen die Strahlablenkklappen im Hinblick auf Lebensdauer und Materialauswahl thermisch entlastet werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie die im Nebenanspruch 9 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die spezielle Form der Klappeninnenkontur mit zweifacher Krümmung und Wendepunkt erlaubt ausreichende Strahlablenkungen weitge­ hend ohne Rückströmung, da der Auftreffwinkel des Strahlrandes auf die Innenkontur der Klappe kleiner ist als bei Klappen mit gerader oder nur konkaver Innenkontur, deren Vorder- und Hinterkante sich an der selben Stelle befindet, wie die Kanten der zweifach gekrümmten Klappe. Bei der erfindungsgemäßen Klappe befindet sich der Auftreffpunkt des Strahlran­ des somit stromaufwärts der Auftreffpunkte bekannter Klappenkonturen mit gleicher Stellung. Die Maßnahme, daß die Klappen im Normalflug außerhalb des Strahlrandes stehen, trägt wesentlich zu ihrer thermischen Entla­ stung bei.

Der Druckmeßfühler im Bereich der Klappenhinterkante liefert beim Ein­ tauchen der Klappe in den Abgasstrahl des Triebwerkes ein Drucksignal, wodurch ein einfaches und zuverlässiges Anlegen und Nachführen der Klap­ pen bezüglich des Strahlrandes vor und während extremer Flugmanöver mög­ lich wird.

Die Unteransprüche 2 bis 8 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen der Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigt in stark verein­ fachter Darstellung

Fig. 1 einen Teillängsschnitt im Bereich der Triebwerksdüse sowie der Klappen,

Fig. 2 einen vergleichbaren Teillängsschnitt wie Fig. 1 für einen an­ deren Betriebszustand,

Fig. 3 einen stark vergrößerten Teillängsschnitt durch eine Druckmeß­ bohrung im Bereich der Klappenhinterkante,

Fig. 4 einen vergleichbaren Teillängsschnitt wie Fig. 3 mit einer an­ deren Bohrungsanordnung,

Fig. 5 einen stark vergrößerten Teillängsschnitt im Bereich der Klap­ penhinterkante in der Nähe eines Pitot-Rohres.

Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Betriebszustände der Schub­ vektorsteuerung 1. Die Darstellung nach Fig. 1 gibt beispielsweise die Verhältnisse bei maximaler Nachverbrennung, d. h. bei maxi­ malem Querschnitt der Triebwerksdüse 14 wieder. Die Darstellung nach Fig. 2 gilt beispielweise für Trockenschub, wobei die Triebwerksdüse 14 auf einen wesentlichen kleineren Durch­ messer eingestellt ist. Die querschnittsveränderliche Triebwerksdüse 14 kann eine beliebige Querschnittsform besitzen. Üblich sind rechteckige oder runde Formen, denen sich die Außenkontur des Abgasstrahles 15 bzw. 17 entsprechend anpaßt. Die eigentlichen Wirkelemente der Schubvektor­ steuerung sind in axial hinter der Triebwerksdüse angeordneten Klappen 2. Falls der Abgasstrahl 15 bzw. 17 nur in eine Richtung abgelenkt wer­ den soll, kann in Ausnahmefällen eine Klappe 2 je ein Triebwerk ausreichen.

In der Regel werden jedoch mehrere, unabhängig voneinander betätigbare Klappen 2 rund um die Triebwerksachse X angeordnet sein. Entsprechend den strömungsmechanischen bzw. konstruktiven Erfordernissen kann die In­ nenkontur 3 der Klappen 2 in Umfangsrichtung gerade oder gekrümmt sein. Jede Klappe 2 besitzt nur einen Freiheitsgrad, d. h. sie ist um eine triebwerks- oder zellenfeste Achse Y schwenkbar.

Es sei darauf hingewiesen, daß es konstrukiv aufwendige Lösungen gibt, bei denen die Klappenachsen am freien Ende von verschwenkbaren Armen an­ geordnet sind.

Im vorliegenden Fall werden jedoch nur Ausführungen betrachtet, bei de­ nen die Achsen Y einen festen radialen Abstand zur Triebwerksachse X be­ sitzen. Als Betätigungsorgane für die Klappen 2 kommen alle bekannten Lösungen in Betracht, z. B. hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylin­ der-Einheiten, elektrisch angetriebene Kugelrollspindeln usw. Diese sind jedoch nicht Gegenstand der Erfindung und deshalb auch nicht darge­ stellt.

Die Innenkontur 3 der Klappen 2 ist in Triebwerkslängsrichtung als zwei­ fach gekrümmte Kurve mit Wendepunkt WP ausgeführt. Der Konturbereich von der Klappenvorderkante bis zum Wendepunkt WP ist konvex, der Bereich vom Wendepunkt WP bis zur Klappenhinterkante konkav gekrümmt. Der konvexe Bereich verbessert die Ejektorwirkung der Klappen 2, wodurch die Zellen­ umströmung im Bereich des Triebwerksendes verbessert wird, wodurch die Klappen 2 und der Abgasstrahl 15 bzw. 17 gekühlt werden, und wodurch sich u. U. der Triebwerksschub erhöhen läßt. Die konvexe Form stellt auch sicher, daß der Abgasstrahl 15 bzw. 17 nicht auf die Außenseite der Klappen 2 gelangt, was für deren Kühlung und Steuerwirkung von Nachteil wäre. Die konkave Form des Bereiches hinter dem Wendepunkt WP bewirkt, daß der Strahlrand 16 bzw. 18 früher (Wendepunkt WP in Fig. 1 bzw. Punkt A in Fig. 2) und unter einem flacheren Winkel auf die Klappe 2 auftrifft als bei einer herkömmlichen Klappe (Punkt C in Fig. 1 bzw. Punkt B in Fig. 2), deren Innenkontur keinen Wendepunkt hat, wobei die Vorder- und Hinterkanten beider Klappentypen am gleichen Ort liegen. Durch die er­ findungsgemäße Innenkontur läßt sich ein teilweises Rückströmen des Ab­ gasstrahles 15 bzw. 17 zur Klappenvorderkante gegenüber bekannten Lösun­ gen zu größeren Strahlablenkwinkeln hinausschieben. Das Rückströmen soll deshalb vermieden werden, weil es sowohl die Längs- als auch die Quer­ komponente des Schubvektors reduziert und die Klappen 2 ggf. einschließ­ lich des Triebwerksendes thermisch und mechanisch zusätzlich belastet. Bei Versuchen mit in Längsrichtung ebenen, großen Platten hat sich ge­ zeigt, daß Rückströmung bei Auftreffwinkeln des Strahlrandes auf die Platte von mehr als ca. 30° auftritt. Deshalb sollen die Klappen 2 in Relation zur Triebwerksdüse 14 so angeordnet sein, daß der Strahlrand 16 bzw. 18 immer unter einem kleineren Winkel als 30° auftrifft. Ein Auf­ treffen des Strahles im Bereich des Nasenradius der Klappe ist also zu vermeiden. Gegebenenfalls muß die Drehachse der Klappe radial weiter au­ ßen angeordnet werden.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Klappe 2 bei kleinem Querschnitt des Abgasstrahles 17 wesentlich stärker verschwenkt werden muß, um in diesen einzutauchen. Der Auftreffpunkt A des Strahlrandes 18 liegt dabei stromabwärts des Wendepunktes WP. Auch im Auftreffpunkt A ist die Strahlablenkung kleiner als bei einer herkömmlichen Klappe, deren Innen­ kontur der Außenkontur der Klappe 2 ähnelt und für welche der Auftreff­ punkt B gelten würde, wenngleich der Unterschied auch nicht so groß ist wie in Fig. 1.

Damit die Schubvektorsteuerung im Bedarfsfall ohne Verzögerung arbeitet, werden die Klappen erfindungsgemäß kurz vor und während jedes extremen Flugmanövers an den Strahlrand angelegt und diesem laufend nachgeführt. Die vorliegende Erfindung nutzt dabei den Effekt aus, daß der Abgas­ strahl des Triebwerks einen wesentlich höheren Staudruck besitzt als die die Zelle umströmende Luft. Die Klappen werden also aus einer Stel­ lung außerhalb des Abgasstrahles so lange nach innen verschwenkt, bis ein Sensor im Bereich ihrer Hinterkante einen spürbaren Staudruckanstieg registriert. Zur Anpassung an die sich häufig ändernde Strahlkontur wer­ den die Klappen so nachgeführt, daß dieser Staudruckanstieg annähernd konstant ist, bzw. einen konstanten Bruchteil des jeweiligen Düsenvor­ kammerdruckes beträgt. Diese Nachführung dient der Vermeidung von Totzo­ nen bzw. von unnötiger Strahleinschnürung unmittelbar vor der Strahlab­ lenkung. Während der Strahlablenkung werden die Klappen auf die Winkel eingestellt, mit denen die gewünschte Querkraft erzielt wird. Dabei kann der von den Drucksensoren an den Klappen aufgenommene Druckwert u. U. auch als Maß für die erzeugte Querkraft verwendet und in den Regelkreis der Schubvektorsteuerung eingegeben werden. Diese Art der Querkrafter­ fassung dürfte genauer und einfacher sein als die bekannte Messung des Stellzylinderdruckes der Klappen, welcher von Massenkräften zusätzlich beeinflußt wird. Nach Beendigung des Strahlablenkungsvorganges werden die Klappen erfindungsgemäß wieder vom Strahlrand entfernt, um sie zu kühlen.

Als Druckmeßfühler werden gemäß der Erfindung bespielsweise Druckmeßka­ näle verwendet, von denen drei beispielhafte Ausführungsformen in den Fig. 3, 4 und 5 wiedergegeben sind.

Fig. 3 zeigt eine schräge Druckmeßbohrung 10, deren Mündung in der In­ nenkontur 5 der Klappe 4 aufgrund der schrägen Anordnung einen gemisch­ ten Druckwert aus Gesamtdruck und statischem Druck erfaßt.

Die Klappe 6 in Fig. 4 ist mit einer Druckmeßbohrung 12 versehen, wel­ che senkrecht zur Innenkontur 7 steht. Stromäbwärts der Druckmeßbohrung 12 ragt ein Stauelement 11 aus der glatten Innenkontur 7 hervor, welches die wandnahe Strömung im Bohrungsbereich verzögert. Dadurch wird das Drucksignal verstärkt und ein besseres Ansprechverhalten erzielt.

Fig. 5 schließlich zeigt eine Klappe 8, um deren Hinterkante ein Pi­ tot-Rohr 13 herumgeführt ist. Die Mündung des Pitot-Rohres 13 befindet sich in einem gewissen Abstand zur Innenkontur 9, welcher z. B. etwa der Grenzschichtdichte entspricht. Der größere Druck im Pitot-Rohr - verbun­ den mit dem starken Gesamtdruckgradienten des Strahlrandes - ergibt ähn­ liche, aber noch größere Vorteile wie obiges Stauelement. Es versteht sich, daß das Pitot-Rohr 13 aus einem hitzebeständigen Material bestehen muß.

Die in den Fig. 3 bis 5 gezeigten, sowie alle weiteren Lösungen im Rahmen der Erfindung, unterliegen also dem Prinzip, daß ein vom örtli­ chen Staudruck im Bereich der Klappenhinterkante abhängiger Druckwert als Kenngröße erfaßt wird. Dabei muß die Erfassung nicht unbedingt auf strömungsmechanischem Wege erfolgen. Es kommen alle denkbaren Druckmeß­ fühler in Frage, beispielsweise induktive oder kapazitive Geber, Dehn­ meßstreifenanordnungen oder Piezo-Quartze.

Claims (9)

1. Schubvektorsteuerung, insbesondere für Hochleistungs-Kampf­ flugzeuge, mit einer oder mehreren um zellen- oder triebwerksfeste Ach­ sen verschwenkbaren Klappen, welche bedarfsweise in einen querschnitts­ veränderlichen Abgasstrahlrohr geschwenkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Abgasstrahl (15, 17) zugewandte Innenkontur (3, 5, 7, 9) je­ der Klappe (2, 4, 6, 8) in Strömungsrichtung eine Krümmung mit Wendepunkt (WP) derart aufweist, daß ein von der Klappenvorderkante ausgehen­ der, konvexer Konturbereich im Wendepunkt (WP) in einen mit der Klappen­ hinterkante endenden konkaven Konturbereich übergeht, und daß im Bereich der Klappenhinterkante auf der dem Abgasstrahl zugewandten Seite minde­ stens ein Druckmeßfühler (10, 12, 13) zur Erfassung eines vom örtlichen Staudruck abhängigen Druckwertes vor­ handen ist.

2. Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßfühler eine von der Innenkontur (5) der Klappe (4) ausge­ hende, in Strömungsrichtung schräg in das Klappeninnere weisende Druck­ meßbohrung (10) ist.

3. Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßfühler eine von der Innenkontur (7) der Klappe (6) ausge­ hende, senkrecht in das Klappeninnere weisende Druckmeßbohrung (12) ist, und daß stromabwärts der Druckmeßbohrung (12) ein aus der Innenkontur (7) der Klappe (6) hervorstehendes Stauelement (11) angeord­ net ist.

4. Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßfühler ein aus der Innenkontur (9) der Klappe (8) her­ vorstehendes, mit seiner Mündung gegen die Anströmung gerichtetes Pi­ tot-Rohr (13) ist.

5. Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßfühler als Piezo-Quarz ausgeführt ist.

6. Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßfühler als Dehnmeßstreifenanordnung ausgeführt ist.

7. Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßfühler als induktiver Geber ausgeführt ist.

8. Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmeßfühler als kapazitiver Geber ausgeführt ist.

9. Verfahren zum Betreiben der Schubvektorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (2, 4, 6, 8) im Nor­ malflug - ohne Strahlsteuerung - in eine Stellung außerhalb des Strahl­ randes (16, 18) des Abgasstrahles (15, 17) geschwenkt werden, daß die Klappen (2, 4, 6, 8) kurz vor extremen Flugmanövern mit dem hinteren Teil ihres konkaven Konturbereiches an den Strahlrand (16, 18) angelegt werden, wobei sie den Abgasstrahl (15, 17) geringfügig einschnüren, und daß die Klappen (2, 4, 6, 8) bei Durchführung von extremen Flugmanövern dem für die gewünschte Strahlablenkung erforderlichen Ma­ ße geschwenkt bzw. dem Strahlrand (16, 18) nachgeführt werden, wobei die Erfassung des Strahlrandes (16, 18) mit Hilfe eines vom örtlichen Stau­ druck abhängigen Druckwertes er­ folgt.