DE3900096C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem umwandelbaren Starrflügel-Flugzeug, wie es aus der US-PS 45 37 373 bekannt ist.

Die Erfindung betrifft dabei ein Starrflügel-Flugzeug der Gattung, die mehr oder weniger als gewöhnliches Tragflächenflugzeug geflogen werden kann oder in ein Kraftfahrzeug umgewandelt werden kann. Die Idee eines einzigen Fahrzeugs, das als Flugzeug zur Bewältigung weiter Entfernungen in kürzester Zeit und dann als Straßenfahrzeug arbeitet, das vom Flughafen zum Endziel gefahren werden kann, ist äußerst attraktiv. So ist bereits ein umwandelbares Starrflügel-Flugzeug der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden, das grundsätzlich alle wesentlichen Elemente eines Landfahrzeugs und eines Flugzeugs aufzeigt (US-PS 45 37 373).

Jedoch gibt es eine Vielzahl von Problemen, die die Verwirklichung dieses Konzepts erschweren, und obwohl vielfach versucht wurde, ein derartiges Flugzeug zu konstruieren, hat es nie ein erfolgreiches Produkt gegeben, das auf den Markt gekommen ist.

Es sind einige Vorschläge bekanntgeworden, wie ein solches Fahrzeug ausgelegt und wie die Tragfläche im Rumpf bzw. oberhalb des Rumpfes in der Kraftfahrzeug-Konfiguration untergebracht werden soll.

Der Vorschlag gemäß US-PS 45 79 279 sieht vor, das die Tragfläche teilweise teleskopartig eingezogen wird, dann in die vertikale Lage geschwenkt und zusätzlich zu einem Paket zusammengeklappt wird, das dann vertikal in den Rumpf eingefahren wird. Dadurch ist die Passagierzelle in einen vorderen und hinteren Bereich geteilt. Dieses Konzept bedingt nicht nur eine aufwendige Konstruktion, sondern es macht auch die Trennung von Passagieren erforderlich, was nicht dem Wohlbefinden der Passagiere dient.

Bei anderen Lösungsvorschlägen soll die Tragfläche in den Mittelbereich des Rumpfes eingeschwenkt eingezogen werden und beansprucht dabei einen Großteil des Rumpfinnenraumes. Diese Konstruktionen schränken die Passagierkabine stark ein und erlauben teilweise nur zweisitzige Fahrzeug-Versionen (US-PS 30 83 936).

Auch ist es grundsätzlich bekannt, Tragflügel teleskopartig einziehbar zu gestalten (DE-OS 24 56 919).

Es sind ferner Lösungen bekanntgeworden, bei denen die Tragflächen oberhalb des Rumpfes eingeschwenkt werden und dort während der Fahrt auf der Straße verbleiben sollen. Diese Lösungsvorschläge haben nicht nur den Nachteil einer großen Seitenwind-Angriffsfläche, sondern lassen auch die Tragfläche gegen Witterung und Umwelt ungeschützt (GB-A 21 34 865).

Das gleiche gilt auch für die Vorschläge, wo die Tragfläche abnehmbar und während Kraftfahrzeug-Konfiguration im Heck auf den Rumpf vertikal angebracht werden soll. Bei all diesen Konstruktionen wird auf die Erfordernisse der Trimmung des Flugzeugs nicht eingegangen.

Bei einem anderen Flugzeug wird vorgeschlagen, die Trimmung des Flugzeugs durch Verschiebung von Trimmgewichten entlang der Flugzeug-Längsachse vorzunehmen. Diese Lösung hat den Nachteil, daß erhebliches Tot-Gewicht mitgeführt werden muß, was zusätzliche Antriebsleistung und unnötigen Kraftstoffverbrauch bedingt. Für alle kurzrumpfigen Konstruktionen, die eine wesentliche Verschiebung des Gesamtschwerpunktes aufgrund unterschiedlicher Belastungszustände erfahren, muß die Frage der Trimmung als eines der wichtigsten Kriterien für die Lösung der Flugzustandsbedingungen gelöst werden.

Das Problem eines umwandelbaren Starrflügel-Flugzeugs, das sowohl als Kraftfahrzeug wie auch als Flugzeug benutzt werden kann, ist die Zusammenfassung der Funktionen und Bauanforderungen zweier völlig unterschiedlicher Fahrzeuge zu einer einzigen, benutzerfreundlichen Konstruktion, die ein Minimum von menschlichem Eingriff beim Umschalten von der Straßenfahrzeug- zur Flugzeug-Konfiguration erfordert. Die technologischen Grundlagen für beide Systeme sind weit entwickelt, und es ist unerläßlich, daß dieses hohe Technologieniveau für beide Systeme in ein einziges System einfließt und daß die Funktionsfähigkeit dieser beiden Systeme beibehalten wird.

Die baulichen Anforderungen an ein Flugzeug sind völlig verschieden von denen an ein Kraftfahrzeug, insbesondere was das Gewicht anbetrifft, das sehr gering gehalten werden muß, während bei einem Kraftfahrzeug Gewicht nicht annähernd so entscheidend ist, obwohl natürlich heute wegen der Kraftstoffersparnis auch ein Trend zu leichtgewichtigeren Kraftfahrzeugen besteht. Andererseits machen die Sicherheitsbestimmungen für Kraftfahrzeuge Energieabsorptionsbereiche in der Form von vorderen und hinteren Stoßstangen zu einer absoluten Notwendigkeit, während bei einem Flugzeug ein solches Bedürfnis nicht besteht, da das Flugzeug im freien Raum weit weg von Fußgängern und anderem Verkehr arbeitet.

Ein weiterer entscheidender Unterschied zwischen Kraftfahrzeugen und Flugzeugen ist, daß Flugzeuge seitlich sich über eine beträchtliche Länge auf beiden Seiten des Rumpfes erstreckende Tragflächen sowie einen Heckaufbau mit horizontalen und vertikalen, sich über eine beträchtliche Länge hinter den Haupträdern erstreckende Leitwerke aufweisen, während bei einem Kraftfahrzeug die Karosserie kompakt sein muß, normalerweise nicht mehr als ca. 1,80 m breit, allerhöchstens ca. 2,40 m, um die Straßenverkehrsordnung einzuhalten, mit einem minimalen Überstand hinter den Hinterrädern.

Die aerodynamischen Anforderungen an ein Flugzeug sind viel höher als an ein Kraftfahrzeug, hauptsächlich wegen der unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen sie betrieben werden. Der Luftwiderstand eine Kraftfahrzeugs ist viel höher als der eines Flugzeugs, zum Teil wegen des nicht stromlinienförmigen Bodens mit all den freiliegenden Getrieben und Aufhängungen.

Noch ein weiterer Unterschied ist, daß bei einem Flugzeug der Kraftstoff in der Tragfläche relativ nahe zum Schwerpunkt transportiert wird, damit, falls der Kraftstoff verbraucht ist, sich nur eine geringe Verschiebung des Schwerpunktes ergibt. Bei einem Kraftfahrzeug wird dagegen der Kraftstoff aus Sicherheitsgründen in einem Tank im hinteren Teil der Karosserie transportiert, und wenn der Kraftstoff verbraucht ist, ergibt sich eine beträchtlich größere Verschiebung des Schwerpunkts. Flugzeuge können auf die relativ kleine Schwerpunktverschiebung durch Anstellung des Höhenruders oder des Höhenleitwerkes mit seinem relativ langen Hebelarm durch ein Trimmrad ausgetrimmt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein umwandelbares Starrflügel-Flugzeug zu schaffen, dessen Trägerflächen-Rumpf-Verbindung so ausgelegt ist, daß eine Trimmung des kurzrumpfigen Flugzeugs, das sehr große Schwerpunktswanderungen bei unterschiedlichen Belastungszuständen erfährt, ermöglicht wird. Außerdem soll die Tragfläche in der Kraftfahrzeug-Konfiguration so im Rumpf untergebracht werden, daß ein Minimum an Rumpf-Innenraum benötigt, geringste Wind-Angriffsfläche und Kraft erzeugt wird, die Tragflächen gegen Witterung geschützt ist und die Auslegung des Passagierraumes nicht beeinträchtigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher ein umwandelbares Starrflügel-Flugzeug vorgeschlagen, wie es im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist.

Eines der wichtigsten Merkmale der Erfindung ist, daß die Tragfläche auf dem Rumpfdach in einem Mittelkasten, der entlang der Rumpfachse verschoben werden kann, untergebracht wird, wo sie sich völlig aus dem Weg der Fahrgastkabine befindet und das unbehinderte Ein- und Aussteigen erlaubt sowie nur ein Minimum von Unterbringungsraum einnimmt.

Die Höhen- und Seitenleitwerke sind ebenfalls im hinteren Teil des Fahrzeugrumpfs versenkbar, desgleichen ein, von einem Motor an der Vorderseite angetriebener, Druckpropeller.

Die relativ kurze Rumpf des Flugzeugs resultiert in kurzem Abstand zwischen dem Höhenleitwerk und der Tragfläche, wodurch die Höhenruder einen relativ kleinen Hebelarm zum Schwerpunkt zur Kompensation des Moments durch den Tragflächenauftrieb haben. Um die Kraftfahrzeug-Sicherheitsbestimmungen zu erfüllen, befindet sich der Kraftstofftank im hinteren Teil des Rumpfs zwischen den Hinterrädern. Als Ergebnis liegt eine erhebliche Schwerpunktverschiebung, die schon aufgrund unterschiedlicher Belastungszustände negativ beeinflußt wird, zwischen vollem und leerem Tank vor, welche das Problem des Trimmens durch die Höhenruder mit ihrem kurzen Hebelarm erschwert. Um dieses Problem zu lösen, ist vorgesehen, daß die Tragfläche entlang der Längsachse des Rumpfs verschoben wird, wodurch eine Schwerpunktsverschiebung kompensiert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des umwandelbaren Starrflügel-Flugzeugs gemäß der Erfindung in der Flugzeug-Konfiguration;

Fig. 2 eine entsprechende Draufsicht;

Fig. 3 eine entsprechende Vorderansicht;

Fig. 4 ebenfalls eine Vorderansicht, die aber das Fahrzeug in der Kraftfahrzeug-Konfiguration zeigt;

Fig. 5 eine Seitenansicht der Kraftfahrzeug-Konfiguration gemäß Fig. 4;

Fig. 6, 7 und 8 graphische Darstellungen von drei verschiedenen Konstruktionsprinzipien;

Fig. 9 eine perspektivische Teilansicht mit der Befestigung des Tragflächen-Mittelkastens am Rumpf;

Fig. 10 ein vergrößerter Querschnitt durch die Schiene und die reibungsarme Buchse;

Fig. 11 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 10, jedoch mit einer im wesentlichen dreieckigen Schiene und einer entsprechenden Buchse;

Fig. 12 eine Ansicht ähnlich zu Fig. 9 mit einer modifizierten Anordnung von Schiene und Buchse;

Fig. 13, 14 und 15 Schnitt von drei verschiedenen Schiene- und Buchse-Konfigurationen;

Fig. 16 ist eine Ansicht ähnlich zu Fig. 9 und 12, jedoch mit einer Anordnung mit parallelen Schienen sowohl an Tragfläche-Mittelkasten als auch am Rumpf sowie mit Rollelementlagern zwischen den Schienenpaaren;

Fig. 17, 18 und 19 sind vergrößerte Querschnitte von drei Schiene- und Rollelementlagern, die bei dem Aufbau gemäß Fig. 16 benutzt werden könnten; und

Fig. 20 ist eine perspektivische Teilansicht der Anordnung des Steuerrads und des Getriebes zum Trimmen der Tragfläche.

Die Fig. 1-5 zeigen die erste Ausführungsform der Erfindung, und diese Beschreibung ist auf diese Figuren gerichtet. Die Konfiguration des Starrflügel-Flugzeugs ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet, und sie umfaßt einen kompakten Rumpf 2 mit im wesentlichen rechteckigem Grundriß, der in seiner Länge erheblich kürzer ist als das konventionelle Flugzeug. Seitlich von Rumpf 2 erstrecken sich in Hochdeckeranordnung teleskopartige Tragflächen 3 und 4, die in einen zentralen Tragflächenkasten 5 versenkt werden können. Am hinteren Ende des Rumpfs 2 befindet sich ein teleskopartiges, V-förmiges Leitwerk 7 und 8, ein von einem Ständer 9 getragener Propeller 6 sowie Hinterräder 10, die am Rumpf über Arme 12 befestigt sind. Am vorderen Ende des Rumpfs 2 befinden sich lenkbare Vorderräder 14 und 15, die über Arme 16 und 17 am Rumpf 2 befestigt sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen die Kraftfahrzeug-Konfiguration 18 des Starrflügel-Flugzeugs 1, bei dem die teleskopartigen Tragflächen 3, 4 in den zentralen Tragflächenkasten 5 versenkt sind, der mit dem Dach des Rumpfs 2 integriert ist. Das teleskopartige, V-förmge Leitwerk 7, 8 ist in den Rumpf 2 versenkt. Der Propeller 6 und der Ständer 9 sind in den Rumpf 2 eingezogen, und die Räder 10, 14 und 15 sind teilweise in den Rumpf 2 eingefahren auf die typische Höhe für Straßenbetrieb. Der Rumpf 2 weist Energieabsorptionsaufbauten 20 und 21 an seinem vorderen und hinteren Ende auf, die als die vordere und hintere Kraftfahrzeug-Stoßstange dienen.

Wegen des relativ kleinen Abstands zwischen der Tragfläche 3 und den Höhenleitwerken der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, für eine Kompensation des kleinen, von den Höhenleitwerken erzeugten Moments, durch Trimmen des Flugzeugs, für verschiedene Schwerpunktlagen wie auch der für Landung, Start und Geschwindigkeitskontrolle notwendigen Flugsteuerungskräfte, zu sorgen. Die Fig. 6, 7 und 8 stellen die Beziehung zwischen den vom Höhenleitwerk erzeugten Auftriebskräften und der Position der Auftriebskraft der Tragfläche 3 bei verschiedenen Schwerpunktslagen allgemein dar.

In Fig. 6 ist der Schwerpunkt des Gewichtes (CG) direkt unter dem Zentrum des Auftriebs (L) der Tragfläche 3 gezeigt. Die abwärtsgerichtete Kraft des Flugzeugs am Schwerpunkt wird durch das Gewicht (W) dargestellt. Die aufwärtsgerichtete Kraft des Höhenleitwerkes (+ΔLH) und die abwärtsgerichtete Auftriebskraft (-ΔLH) stellen die für Start und Landung notwendigen Steuerungskräfte dar, und sie sind relativ klein, da kein Trimmen für die Kompensation eines Versatzes zwischen Schwerpunkt und Auftrieb benötigt wird.

In Fig. 7 ist der Zustand beschrieben, wenn der Schwerpunkt sich zwischen einer extrem vorn liegenden Position (CGF) und einer extrem hinten liegenden Position (CGR) bewegt. Um das vom Schwerpunkt in der Position CGF erzeugte Moment zu kompensieren, ist es notwendig, daß das Höhenleitwerk eine Trimmkraft -LH erzeugt. Um das in der Position CGR erzeugte Moment zu kompensieren, muß das Höhenleitwerk eine Trimmkraft +LH erzeugen. Diese Trimmkräfte sind zusätzlich zu den normalen Flugsteuerungskräften +ΔLH und -ΔLH, und können z. B. durch Ändern des Anstellwinkels der normalerweise ortsfesten Höhenleitwerksflosse erzeugt werden. Diese ist der Zustand, der bei der Konstruktion aller konventionellen Flugzeuge berücksichtigt wird.

Fig. 8 stellt das Prinzip der bei der vorliegenden Erfindung erzielten Zustände dar, wobei der kurze Momentarm für das Höhenleitwerk es praktisch unmöglich macht, ein geeignetes Trimm-Moment zu erzeugen. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß die Tragfläche 3 bewegt wird, bis das Zentrum des Auftriebs L mit der Position des Schwerpunkts übereinstimmt. Somit wird die Trimmfunktion von der Tragfläche 3 vollzogen; und vom Höhenleitwerk wird keine Trimmkraft benötigt. Die einzige Funktion des Höhenleitwerkes ist die Erzeugung der Flugsteuerungskräfte +ΔLH und -ΔLH.

Wie in Fig. 9 gezeigt, wird die Tragfläche am Rumpf 2 mit Hilfe des Tragflächenkastens 5 montiert, so daß sie in der Vor- und Rückwärtsrichtung entlang der Längsachse des Rumpfs 2 eingestellt werden kann, um das Zentrum des Auftriebs im wesentlichen direkt über den Schwerpunkt zu bringen. Dies wird durch Mittel erreicht, die aus Paaren von im Abstand angeordneten, parallelen und sich nach vorn und hinten erstreckenden Stangen oder Schienen 160 bestehen, die oben auf dem Dach des Rumpfs 2 mittels Befestigungselementen 161 angebracht sind. An der Unterseite des Mittelkastens 5 sind Beschläge 162 befestigt, die die Stangen 160 umgebende lineare Rollelementbuchsen 163 aufweisen, die vorzugsweise aus Kugellagern bestehen, wobei die Kugeln in sich längs erstreckenden Bahnen laufen, wie in Fig. 10 gezeigt. Die Buchsen gleiten frei entlang den Stangen 160.

Die Einstellung der Tragfläche entlang den Stangen 160 geschieht mittels einer in Fig. 20 gezeigten Trimmsteuerung, die eine Leitspindel 165 und eine Mutter 166 aufweist. Die Leitspindel 165 ist drehbar in Lagern 167 am Rumpf 2 gelagert, und die Mutter 166 wird von einem Block 168 gehalten, der an der Unterseite des Mittelkastens 5 befestigt ist. Auf der Leitspindel 165 ist ein Schneckenrad 169 angebracht, das mit einer Schneckenwelle 170 kämmt, die am Rumpf 2 in Lagern 171 drehbar gelagert ist. Ein Handrad 172 erlaubt es dem Piloten, die Trimmung des Flugzeugs per Hand einzustellen.

Fig. 11 zeigt eine alternative Stangen- bzw. Schienenanordnung 160, bei der der Querschnitt der Stange im wesentlichen dreieckig ist, und die die Last tragenden Kugellager sind an den drei Scheitelpunkten gruppiert. Die Kugeln, die sich zwischen den Scheitelpunkten befinden, werden umgewälzt. Diese Konfiguration liefert eine etwas größere Tragfähigkeit.

Fig. 12 illustriert eine andere Form der Verbindung zwischen dem Mittelkasten 5 und dem Rumpf 2, bei der zwei seitlich im Abstand angeordnete, parallele Schienen 173 an der Oberseite des Rumpfs 2 befestigt sind und mit an der Unterseite des Mittelkastens 5 befestigten Schuhen 174 zusammenwirken., Die Schienen 173 und die Schuhe 174 können die in den Fig. 13, 14 oder 15 gezeigten Formen annehmen. In Fig. 13 ist die Schiene 173 senkrecht angeordnet, wobei die Kugellager zwischen den Seiten der Schienen 173 und den Innenseiten der Schuhe 174 angeordnet sind. In Fig. 14 ist die Schiene 173′ waagrecht angeordnet, wobei die Kugellager zwischen der Ober- bzw. Unterseite der Schiene 173′ und den entgegengesetzten Flächen des Schuhs 174′ angeordnet sind. In Fig. 15 ist die Schiene 173″ schräg geneigt, und der Schuh 174″ reitet auf zwei Sätzen von Kugellagern, die nur eine Seite der Schiene 173″ berühren.

Fig. 16 zeigt noch eine weitere Verbindung zwischen dem Mittelkasten 5 und dem Rumpf 2, die im wesentlichen ähnlich zu der von Fig. 12 ist, außer der Querschnittsform der Schienen 175 und der Gegenelemente 176. Die Schienen 175 sind zueinander und zur Längsachse des Rumpfs 2 parallel und sind oben am Rumpf 2 befestigt. Die Gegenelemente 176 sind ebenfalls parallel zu den betreffenden Schienen 175 und sind nahe zu diesen an deren Innenseiten angebracht. Die Schienen 175 und die Gegenelemente 176 können eine der drei in den Fig. 17, 18 oder 19 gezeigten Formen annehmen. In Fig. 17 hat die Schiene 175 einen V-förmigen Kanal an ihrer Innenseite, und das Gegenelement 176 hat einen entsprechenden V-förmigen Vorsprung mit zu den entgegengesetzten Seiten des Kanals parallelen Seiten. Nadellager 177 sind zwischen gegenüberliegenden Seiten von Schiene 175 und ihrem Gegenelement 176 angeordnet. Diese Form wird bevorzugt, wenn die Tragflächenbelastung relativ hoch ist, da die Nadellager 177 höhere Lasten tragen können als die in den Fig. 18 und 19 gezeigten Rollen- oder Kugellager. In Fig. 28 weisen Schiene 175′ und Gegenelement 176′ entgegengesetzt geformte, V-förmige Kanäle auf, mit Rollenlagern 178 dazwischen, während in Fig. 19 die Schiene 175″ und das Gegenelement 176″ zylindrisch ausgebildete Kanäle in ihren gegenüberliegenden Flächen aufweisen, mit Kugellagern 179 dazwischen.

Claims (4)

1. Umwandelbares Starrflügel-Flugzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Tragflächen-Mittelkasten (5) besitzt, der auf dem Dach des Rumpfes (2) im Bereich des Schwerpunktes angebracht ist, an dem die teleskopartig ausfahrbare Tragfläche (3, 4) befestigt ist und der entlang der Längsachse des Rumpfes (2) verschiebbar ist.

2. Umwandelbares Starrflügel-Flugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Tragflächen-Mittelkasten (5) in Vor- und Rückwärtsrichtung entlang der Längsachse des Rumpfes (2) über Mittel einstellbar ist, die aus einem Paar von seitlich im Abstand angeordneten, parallelen und sich vor- und rückwärts erstreckenden Schienen (160; 173, 173′, 173″) bestehen,
daß Rollelementbuchsen (163; 174, 174′, 174″) verschiebbar auf jeder der Schienen (160; 173, 173′, 173″) angebracht sind,
daß die Rollelementbuchsen (163, 174, 174′, 174″) und die Schienen (160, 173, 173′, 173″) den Mittelkasten (5) und die Tragfläche (3, 4) mit dem Oberteil des Rumpfes (2) verbinden.

3. Umwandelbares Starrflügel-Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mutter (166) am Tragflächen-Mittelkasten (5) befestigt ist, die ein sich parallel zu den Schienen (160, 173, 173′, 173″) erstreckendes Gewinde aufweist und
daß sich eine Leitspindel (165) durch die Mutter (166) erstreckt.

4. Umwandelbares Starrflügel-Flugzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schneckenrad (169) an einem Ende der Leitspindel (165) angebracht ist,
daß eine quer angeordnete Schneckenwelle (170) mit dem Schneckenrad (169) kämmt, und
daß Mittel (Handrad 172) zum Drehen der Schneckenwelle (170) vorgesehen sind, um somit die Tragfläche (3, 4) längs entlang der Schienen (100, 173, 173′, 173″) zu verschieben, wobei die Schneckenwelle (170) und das Schneckenrad (169) selbsthemmend ausgeführt sind.