DE3906109A1 - Drehfluegelflugzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Drehflügelflugzeug mit an einem Ro­ torkopf gelagerten Rotorblättern mit Reaktionsantrieb.

Es sind Drehflügelflugzeuge oder Hubschrauber bekannt, bei de­ nen der Rotor von einer Kraftmaschine angetrieben wird, bei­ spielsweise einem Flugmotor oder einer Gasturbine. Derartige Hubschrauber benötigen einen Drehmomentausgleich um die Hochach­ se, der entweder durch die paarweise Anordnung von gleichen Rotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung oder durch einen Heckrotor erreicht werden kann. Der konstruktive Aufwand und der Leistungsverlust durch Getriebe und dgl. sind beträchtlich.

Dagegen benötigen Hubschrauber mit Reaktionsantrieb keinen Dreh­ momentausgleich, weil sich am Rumpf des Flugzeugs kein Antriebs­ moment abstützt. Allerdings sind auch bei Hubschraubern dieser Bauart die erforderlichen Maßnahmen für den Antrieb erheblich, da die Rotoren an ihren Blattspitzen Triebwerke benötigen oder im Rumpf des Flugzeugs Gasturbinen untergebracht sind, welche an den Blattspitzen angeordnete Schubdüsen mit Heißgas versor­ gen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drehflügelflug­ zeug der eingangs umrissenen Bauart zu schaffen, dessen Antrieb für die Rotorblätter den geringstmöglichen Aufwand erfordert, ohne daß ein Drehmomentausgleich um die Hochachse benötigt wird, um mit geringen Anschaffungs- und Wartungskosten bei ein­ facher Handhabung und niedrigem Eigengewicht ein Flugzeug zur Verfügung zu haben, das mit kleiner Motorleistung große Lasten heben kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Drehflügelflug­ zeug der angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß die an dem nicht drehbaren Rotorkopf gelagerten Rotorblätter hohl ausgebil­ det sind und an ihrer Abströmkante wenigstens eine Austritts­ öffnung für die über den Rotorkopf zugeführte Druckluft haben.

Die Druckluft kann dabei von einem Verdichter erzeugt werden, der im Rumpf des Drehflügelflugzeugs untergebracht ist und die Druckluft über den hohlen Rotorkopf in die Rotorblätter drückt. Die Austrittsöffnungen an der Abströmkante der Rotorblätter kön­ nen als Bohrungen oder Schlitze ausgebildet sein, welche über einen Teil der Blattlänge oder über die gesamte Blattlänge ver­ teilt angeordnet sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Rotorkopf als Luftansaugstutzen ausgebildet, in dem ein An­ saugorgan gelagert ist, dessen Druckseite mit den hohlen Rotor­ blättern verbunden ist.

Mit der Erfindung steht ein Hubschrauber mit einem neuartigen Rotorsystem zur Verfügung, bei dem Luft von oben - oder von unten - angesaugt und in die hohlen Rotorblätter gedrückt wird, wo sie an den Austrittsschlitzen den gewünschten Rückstoßan­ trieb für den Rotor bewirkt und zusätzlich eine Verlängerung des Blattprofils zur Folge hat, so daß die ausströmende Luft gleichzeitig den Drehantrieb bewirkt und den Auftrieb vergrö­ ßert. Die Zentrifugalbeschleunigung der Druckluft in den hohlen Rotorblättern erhöht den Rückstoßeffekt.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Ansaugorgan ein Impeller (Mantelschraube eines Verdichters), der um die Achse des Rotor­ kopfes drehbar angetrieben wird und dem in Ansaugrichtung fest­ stehende Leitschaufeln nachgeordnet sind. Statt des Impellers kann auch ein Propeller oder ein Propfan vorgesehen werden. Die Leitschaufeln haben dabei die Aufgabe, die Luftrotation auf ein Minimum zu verringern.

Für den Drehantrieb des Ansaugorgans ist ein Motor vorgesehen, der als Verbrennungsmotor ausgebildet und im Rotorkopf selbst befestigt sein kann. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau, wobei der feststehende Rotorkopf keinen Dreh­ momentausgleich benötigt, was keine Maßnahmen für einen Heckro­ tor o. dgl. notwendig macht. Das einzige rotierende Organ im Ro­ tor ist das Ansaugorgan, das keinen Drehmomentausgleich benö­ tigt. Hierzu genügt ein einfaches Seitenruder, das am Heck des Drehflügelflugzeugs schräg oder kombiniert angelenkt sein kann und vom Rotor von oben bis unten angeblasen wird, damit im Hoo­ verzustand die gewünschte Drehung um die Hochachse ausgeführt werden kann.

Anstelle des Seitenruders können auch Steuerdüsen an beiden Sei­ ten des Hecks ausgebildet sein, die über Verbindungsleitungen mit der Druckseite des Rotorkopfes verbunden sind.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Motor für den Antrieb des Ansaugorgans im Verbindungsweg zwischen dessen Druckseite und den hohlen Rotorblättern sitzt. Auf diese Weise wirkt die angesaugte Luft als Kühlung und dient gleichzeitig zur Aufla­ dung des Motors, der damit keinen Kompressor benötigt. Die Aus­ puffgase des Motors erzeugen ihrerseits einen zusätzlichen Druck in den Rotorblättern, der damit das Drehmoment erhöht; außerdem erwärmen sie die Rotorblätter und beugen dadurch einer Vereisung vor. Da die Auspuffgase nicht unmittelbar nach außen abgegeben werden, sondern in die Rotorblätter strömen, wirken diese schalldämmend, wodurch der Schallpegel des Hubschraubers sehr gering ist. Weiterhin vermindernd auf den Schallpegel wirkt sich die am Rotorkopf oben ausgebildete Ansaugöffnung aus, da sich der Schall hier trichterförmig nach oben verliert.

An dieser Stelle ist noch darauf hinzuweisen, daß der durch das Ansaugorgan erzeugte Unterdruck eine zusätzliche Hubkraft auf das Flugzeug ausübt.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Rotorkopf hinter der Druckseite des Ansaugorgans als radial nach außen offener Ring­ raum ausgebildet, an dessen zylindrisch ausgebildeter, offener Mantelfläche ein radial nach innen offener, um die Achse des Ro­ torkopfes drehbarer Verbindungsring gelagert ist, der im Be­ reich von radialen Austrittsöffnungen die Rotorblätter trägt.

Da bei dieser Anordnung der Verbindungsring frei drehbar am Ro­ torkopf gelagert ist, sind keine Einrichtungen wie Freilauf oder Kupplung erforderlich, um den Rotor in Autorotation zu ver­ setzen, wenn der Antrieb ausfällt. Die Rotorblätter selbst sind am Verbindungsring über Schlaggelenke und/oder Schwenkgelenke angebracht. Der Einstellwinkel für die Rotorblätter kann sehr klein gehalten werden, beispielsweise 4°, wodurch der konstruk­ tive Vorteil erreicht wird, daß eine Umstellung auf Tragschrau­ berbetrieb entfällt.

Die Verstellung der Rotorblätter um die Schwenkgelenke läßt sich in sehr einfacher Weise durchführen, da entsprechende Ein­ richtungen am festen Rotorkopf angebracht werden können, bei­ spielsweise eine Taumelscheibe oder eine Nockensteuerung.

Um die Rotorebene zur Erzeugung einer Zugkraft für die Vorwärts­ bewegung zu schwenken, ist es möglich, den Rotorkopf über ein Gelenklager verstellbar am Drehflügelflugzeug zu befestigen. Bei einer derartigen Maßnahme entfallen die Einrichtungen zur Blattverstellung um die Schwenkgelenke.

Zusätzlich kann der Rotorkopf am Drehflügelflugzeug in dessen Längsrichtung verstellbar befestigt sein, damit eine Trimmung des Ladeschwerpunktes durchgeführt werden kann.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind in jedem Rotor­ blatt zu den Austrittsschlitzen führende Ablenkrippen befe­ stigt. Deren Länge nimmt vorzugsweise zur Spitze des Rotorblat­ tes hin zu. Damit wird der durch das Rotorblatt strömende Luft­ strom an jeder Ablenkrippe zu einem Teil zu dem jeweiligen Aus­ trittsschlitz abgelenkt, während ein weiterer Teil zu den wei­ ter hinten vorgesehenen Austrittsschlitzen gelangt.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel er­ läutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Drehflügelflugzeugs gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Teil des Rotors,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Rotorblatt,

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht des Rotors,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch den Rotor,

Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung der Rotorlagerung am Flug­ zeug und

Fig. 7 die schematische Darstellung einer Heckvariante.

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines Drehflügelflugzeuges 10 mit einem Rumpf 12, an dessen Oberseite ein Rotor 14 angebracht ist. Am Heck 16 ist ein Seitenruder 18 befestigt.

Wie vor allem Fig. 5 zeigt, besteht der Rotor 14 aus einem Ro­ torkopf 20, an dem vier Rotorblätter 22 gelagert sind. Der Ro­ torkopf 20 ist als ein nach oben offener Luftansaugstutzen 24 ausgebildet, in dem ein um die Achse des Rotorkopfes 20 drehbar angetriebener Impeller 26 gelagert ist, der Luft von oben an­ saugt. Auf der Druckseite des Impellers 26 sind feststehende Leitschaufeln 28 angeordnet, die den Drall der angesaugten Luft auf ein Mindestmaß reduzieren. In Strömungsrichtung hinter den Leitschaufeln 28 ist der Rotorkopf 20 zu einem radial nach au­ ßen offenen Ringraum 30 ausgebildet, an dessen zylindrisch aus­ gebildeter, offener Mantelfläche 32 über Wälzlager 34 ein Ver­ bindungsring 36 um die Achse des Rotorkopfes 20 drehbar gela­ gert ist. Von dem Verbindungsring 36 gehen entsprechend der Zahl der Rotorblätter 22 vier Stutzen 38 aus, die im Bereich ih­ rer radialen Austrittsöffnungen 40 das zugehörige Rotorblatt 22 tragen.

Gemäß der Erfindung ist jedes Rotorblatt 22 hohl ausgebildet. Wie Fig. 3 zeigt, hat das Rotorblatt 22 an seiner Abströmkante 42 über die Blattlänge verteilte Austrittsschlitze 44. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß zu den Austrittsschlitzen 44 zugehörige Ablenkrippen 46 führen, die im Rotorblatt 22 ausgebildet sind und deren Länge zur Spitze 48 des Rotorblattes 22 hin zunimmt. Auf diese Weise wird die angesaugte Luft, die in das hohle Ro­ torblatt 22 strömt, im Bereich der ersten Ablenkrippe 46 zu ei­ nem Teil zum zugehörigen Austrittsschlitz 44 geführt, während ein dem Überstand der folgenden Ablenkrippe 46 entsprechender Teil zum nächsten Austrittsschlitz 44 gelenkt wird usw. Der an der Spitze 48 des Rotorblattes 22 ankommende Restluftstrom tritt hier über den letzten Austrittsschlitz 44 nach außen.

Die an der Abströmkante mit hoher kinetischer Energie ausströ­ mende Luft versetzt die Rotorblätter 22 in Drehbewegung und wirkt gleichzeitig als Verlängerung des Blattprofiles, wodurch dessen Auftrieb nochmals vergrößert wird.

An der geschilderten Drehung des Rotors 14 sind lediglich die Rotorblätter 22 sowie der Verbindungsring 36 beteiligt, während der Rotorkopf 20 selbst stillsteht. In diesem dreht sich nur der Impeller 26.

Die Befestigung der Rotorblätter 22 an den Stutzen 38 des Ver­ bindungsringes 36 erfolgt über nicht dargestellte Schlaggelenke und/oder Schwenkgelenke, so daß in bekannter Weise die Rotor­ blätter 22 um eine horizontale Achse kippen können, während die Schlaggelenke eine periodische Verstellung der Rotorblätter 22 für die Veränderung des Anstellwinkels gestatten, beispielswei­ se über Steuernocken oder eine Taumelscheibe.

Für den Drehantrieb des Impellers 26 ist ein Verbrennungsmotor 50 vorgesehen, der im Ausführungsbeispiel als Sternmotor ausge­ bildet ist. Dieser ist in dem Ringraum 30 des Rotors 14 unter­ halb der Leitschaufeln 28 fest angebracht. Seine nicht gezeig­ te, senkrechte Antriebswelle ist mit dem Impeller 26 verbunden.

Die Anordnung des Motors 50 in dem Ringraum 30 hat den doppel­ ten Vorteil, daß die vorbeistreichende, vom Impeller 26 ange­ saugte Luft sowohl den Motor 50 kühlt als auch für dessen Aufla­ dung sorgt, so daß dieser weder eine aufwendige Kühlung noch ei­ nen Kompressor benötigt. Die Auspuffgase des Motors 50 strömen ihrerseits in die hohlen Rotorblätter 22, wo sie einen zusätzli­ chen Druck erzeugen und gleichzeitig einer Vereisung der Rotor­ blätter 22 vorbeugen.

Die Fig. 5 und 6 deuten an, daß der gesamte, von einer Monta­ geplatte 52 getragene Rotorkopf 20 in Richtung der Längsachse des Rumpfes 12 verstellt werden kann (Doppelpfeil A). Auf diese Weise kann der Pilot die Stellung des Rotors 14 an die Schwer­ punktlage des Hubschraubers 10 anpassen.

In Fig. 6, die gegenüber der Fig. 5 eine Variante darstellt, ist ferner zu erkennen, daß der Rotor 14 nicht starr mit der am Rumpf 12 gelagerten Montageplatte 52 verbunden ist, sondern um zwei rechtwinklig zueinander verlaufende, horizontale Achsen schwenkbar ist. Hierzu ist ein Gelenklager 54 vorgesehen, des­ sen Außenschale 56 auf der Montageplatte 52 und dessen Innen­ schale 58 an der Unterseite des Rotorkopfes 20 befestigt ist. Von der Innenschale 58 stehen zwei Zapfen 60 ab, die in zwei zu­ einander rechtwinkligen Vertikalebenen liegen und in je eine Nut 62 eingreifen, welche in die Innenseite der Außenschale 56 eingearbeitet ist und in der zugehörigen Vertikalebene liegt. Mit dieser Ausbildung kann der Rotorkopf 20 innerhalb der bei­ den Vertikalebenen verschwenkt werden, ohne daß er sich um sei­ ne Hochachse dreht.

Über das Gelenklager 54 kann der Pilot den Rotor 14 und damit die Rotorblattebene schwenken, beispielsweise nach vorn, so daß die Auftriebskraft eine Horizontalkomponente erhält, die den Vortrieb des Hubschraubers verursacht. Bei dieser Lösung sind periodische Verstellungen der Rotorblätter 22 um ihre Schwenkge­ lenke nicht erforderlich.

Das Seitenruder 18 des Drehflügelflugzeugs 10 ist gemäß Fig. 1 über eine schräge Gelenkachse 64 am Heck 16 angelenkt. Fig. 1 zeigt, daß das Seitenruder 18 außerdem kombiniert angelenkt sein kann, wozu es eine zusätzlich, vertikale Schwenkachse 66 aufweist.

Wenn das um seine schräge Gelenkachse 64 ausgeschwenkte Seiten­ ruder 18 vom Rotor 14 von oben nach unten angeblasen wird, führt der Rumpf 12 im Hooverzustand eine Drehung um die Hochach­ se durch.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Variante, mit der dieselbe Wir­ kung erzielt werden kann. Hierbei führen innerhalb des Rumpfes 12 vom Ringraum 30 des Rotorkopfes 20 zwei Verbindungsleitungen 68 zum Heck 16, wo sie in je eine schräg nach außen gerichtete Steuerdüse 70 münden. Durch Druckbeaufschlagung der entsprechen­ den Steuerdüse 70 kann eine Drehung des Rumpfes 12 um die Hoch­ achse eingeleitet werden.

Mit der Erfindung steht ein Drehflügelflugzeug zur Verfügung, das ein sehr günstiges Verhältnis des Leergewichtes zur Abflug­ masse aufweist; dieses Verhältnis liegt bei etwa 40%. Das Gerät kann einfach geflogen werden und ist preisgünstig zu produzie­ ren. Es hat eine sehr große Antriebsleistung. Aufgrund der weni­ gen bewegten Teile ist die Wartung einfach und kostengünstig. Wegen seines einfachen Aufbaus hat es ein geringes Eigenge­ wicht. Damit kann ein verhältnismäßig großes Blattgewicht ver­ wirklicht werden, wodurch einerseits die dynamische Stabilität günstig ist und andererseits aufgrund einer guten Dämpfung die Instabilität beim Schwebeflug sehr vermindert wird. Außerdem er­ gibt sich durch die Speicherung einer großen Drehenergie der Vorteil, daß bei Ausfall des Motors durch Hochfahren des Blat­ tanstellwinkels wirksame Abfangmanöver durchgeführt werden kön­ nen. Der Blatteinstellwinkel kann auf etwa 4° gehalten werden, wodurch der konstruktive Vorteil erreicht wird, daß eine Umstel­ lung auf Tragschrauberbetrieb entbehrlich ist.

Die nicht rotierende Ausbildung des Rotorkopfes 20 eröffnet die Möglichkeit, an seiner Oberseite eine Plattform anzubringen, die bei militärischem Einsatz einen Schutz darstellt und als Träger für eine Bewaffnung dienen kann.

Claims (16)

1. Drehflügelflugzeug mit an einem Rotorkopf gelagerten Rotor­ blättern mit Reaktionsantrieb, dadurch gekennzeich­ net, daß die an dem nicht drehbaren Rotorkopf (20) gelager­ ten Rotorblätter (22) hohl ausgebildet sind und an ihrer Ab­ strömkante (42) wenigstens eine Austrittöffnung (44) für die über den Rotorkopf (20) zugeführte Druckluft haben.

2. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) als Luftansaugstutzen (24) ausgebildet ist, in dem ein Ansaugorgan (26) gelagert ist, dessen Drucksei­ te mit den hohlen Rotorblättern (22) verbunden ist.

3. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugorgan ein Impeller (26) ist, der um die Achse des Rotorkopfes (20) drehbar angetrieben ist und dem in Ansaugrich­ tung feststehende Leitschaufeln (28) nachgeordnet sind.

4. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ansaugorgan (26) von einem Motor (50) in Dre­ hung versetzt wird.

5. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (50) im Rotorkopf (20) befestigt ist.

6. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (50) ein Verbrennungsmotor ist.

7. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (50) im Verbindungsweg zwischen der Druckseite des Ansaugorgans (26) und den hohlen Rotorblättern (22) sitzt.

8. Drehflügelflugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) hinter der Druck­ seite des Ansaugorgans (26) als radial nach außen offener Ring­ raum (30) ausgebildet ist, an dessen zylindrisch ausgebildeter, offener Mantelfläche (32) ein radial nach innen offener, um die Achse des Rotorkopfes (20) drehbarer Verbindungsring (36) gela­ gert ist, der im Bereich von radialen Austrittsöffnungen (40) die Rotorblätter (22) trägt.

9. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (22) am Verbindungsring (36) über Schlagge­ lenke und/oder Schwenkgelenke angebracht sind.

10. Drehflügelflugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) über ein Gelenk­ lager (54) verstellbar am Drehflügelflugzeug (10) befestigt ist.

11. Drehflügelflugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) am Rumpf (12) des Drehflügelflugzeugs (10) in dessen Längsrichtung verstell­ bar befestigt ist.

12. Drehflügelflugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Rotorblatt (22) zu den Aus­ trittsöffnungen (44) führende Ablenkrippen (46) befestigt sind.

13. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge der Ablenkrippen (46) zur Spitze des Rotor­ blattes (22) hin zunimmt.

14. Drehflügelflugzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein schräg angelenktes Seitenruder (18) am Heck (16) des Drehflügelflugzeugs (10).

15. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß das Seitenruder (18) kombiniert angelenkt ist derart, daß es eine zusätzliche, vertikale Schwenkachse (66) aufweist.

16. Drehflügelflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß das Heck (16) an beiden Seiten je eine Steuerdüse (70) hat, die über Verbindungsleitungen (68) mit der Druckseite des Rotorkopfes (20) verbunden sind.