DE4310017A1

DE4310017A1 - Transportflugzeug mit stumpfem Heck

Info

Publication number: DE4310017A1
Application number: DE4310017A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Dr Loebert
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1993-03-27
Filing date: 1993-03-27
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2013-03-28
Also published as: US5480110A; RU94009999A; FR2703322B1; DE4310017C2; FR2703322A1; RU2094307C1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Transportflugzeug mit stumpfem Heck, das vorzugsweise durch zwei Strahltriebwerke angetrieben ist.

Das Rumpfheck konventioneller Transportflugzeuge wird überwiegend sehr schlank ausgeführt, damit die Rumpfströmung bis zum Rumpfheck nicht ab löst. Der zugespitzte Heckteil des Rumpfes kann für die Aufnahme von Nutzlast schlecht ausgenutzt werden. So ist es auch bereits bekannt, Transportflugzeuge mit einem stumpfen Heck auszuführen, wobei die Trieb werke in Tragflächengondeln angeordnet sind. Diese Bauart hat mehrere Nachteile. An einem stumpfen Heck entstehen umfangreiche Strömungswir bel, die einen großen Strömungswiderstand darstellen. Weiterhin sind auch die Triebwerksgondeln erhebliche Widerstandskörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Transportflugzeug mit stumpfem Heck und zwei Strahltriebwerken zu schaffen, das durch eine neue Konfiguration sowohl des Hecks als auch der Ansaugluft für die Triebwerke widerstandsarm ausgebildet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den kennzeichnenden Teil des An spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen gekennzeichnet.

Die vollständige Integration von Rumpf und Antrieb durch die Installa tion der Triebwerke im Rumpfheck und das Ansaugen der Nachlaufströmung in mehrfacher Weise führt zu einer beträchtlichen Erhöhung des Vortrieb wirkungsgrades, weil der Schub durch Beschleunigung derjenigen Luftmas sen erzeugt wird, die vorher an der Rumpfoberfläche durch Reibung verzö gert worden sind. Diese Rumpf/Triebwerks-Anordnung erlaubt ferner bei geschickter Ausgestaltung des Rumpfhecks eine beträchtliche Aufdickung und Verkürzung des Rumpfes und führt damit bei vorgegebenem Rumpfvolumen zu einer Verringerung von bespülter Oberfläche und des Rumpfgewichts.

Eine weitere positive Auswirkung einer solchen Rumpfaufdickung ist die Verringerung der bespülten Oberfläche des Flügels bei vorgegebener Spannweite. Wird die Antriebsanlage weiterhin mit einer oder mehreren Zweiachsen-Schubvektordüsen versehen, können Höhen- und Seltenleitwerk beträchtlich verkleinert werden. Alle diese Vorteile führen bei vorgege bener Nutzlast und Reichweite zu einem kleineren und leichteren Gerät und zu einer wesentlichen Verringerung der spezifischen Transportkosten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 mögliche Absaugschlitze an einem stumpfen Rumpfheck mit ablö sungsfreier Strömung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 den Druckverlauf der Grenzschicht an dem Rumpfheck der Fig. 1;

Fig. 3 Stromlinienverläufe für stumpfe Rumpfhecks, in deren hinteres Ende eine Strömungssenke eingelassen ist;

Fig. 4 Druckverteilungen auf der Heckoberfläche für die stumpfen Rumpf hecks nach Fig. 3;

Fig. 5 eine praktische Ausführungsform einer integrierten Grenz schichtsteuerungs-Antriebsanlage;

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung VI der Fig. 5;

Fig. 7 eine Ausführungsform eines Transportflugzeugs mit der Grenz schichtsteuerungs-Antriebsanlage nach Fig. 5 und

Fig. 8 eine Heckansicht des Transportflugzeuges nach Fig. 7.

Fig. 1 zeigt für einen Schnitt durch ein stumpfes Heck 1 die erforderli che Anordnung von Absaugschlitzen 2, um eine ablösungsfreie Grenz schichtströmung zu erzielen. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Grenz schicht jeweils einen Druckanstieg von 40% des jeweiligen Anfangsstau druckes überwinden kann, ohne abzulösen. Da der jeweils überwindbare Druckanstieg in erster Näherung proportional zum Quadrat der unmittelbar stromabwärts der Absaugschlitze 2 vorliegenden Strömungsgeschwindigkeit abnimmt, wird die Häufung der Absaugschlitze 2 in der Umgebung des hin teren Staupunktes 3 immer größer. Es müßte dort ein anderes Mittel für die Verhinderung der Stromablösung gefunden werden.

Fig. 2 zeigt den jeweiligen Druck p in Abhängigkeit von r/R für die ab lösungsfreie Grenzschicht am Heck 1 der Fig. 1. Dabei bedeuten r der ra diale Abstand von der Achse 1a vom Heck 1 und R der größte entsprechende Abstand. Am Schnittpunkt der Ordinate r/R mit der Abszisse p bei p_∞ ist der Wert für den Druck in der freien Strömung. Man erkennt, daß die Strömung stromabwärts am Heck 1 Grenzschichten ausbildet, die einen be trächtlichen Druckanstieg ohne Ablösung zu verkraften haben. Der größte Druck p ist naturgemäß am Staupunkt 3.

Fig. 3 zeigt die Stromlinien A bis E für ein stumpfes Rumpfheck, in des sen hinteres Ende eine Strömungssenke bei O eingelassen ist. Die darge stellten Heckkonturen A bis E sind wiederum in Abhängigkeit von r/R auf getragen. Je nach dem Volumen-Luftstrom Q der von hinten angesaugten Luft ergeben sich die unterschiedlichen Heckkonturen und Heckdruckver teilungen nach Fig. 4. Die mit A bezeichnete Kontur stellt den Referenz fall ohne Heckabsaugung entsprechend den Fig. 1 und 2 dar. Bei Absaugung bildet sich eine trichterförmige Einbuchtung im Rumpfheck aus. Mit zu nehmender relativer Absaugmenge M = Q/v_∞·F nimmt der Öffnungswin kel des Trichters zu, während die Krümmung des daran anschließenden Kon turteilstückes immer kleiner wird. In der Gleichung sind v_∞ die Strömungsgeschwindigkeit bei freier Strömung und F die Stirnfläche des Rumpfes.

Fig. 4 zeigt die Druckverteilungen auf der Heckoberfläche A bis E. Wie man sieht, hat die zentrale Heckabsaugung zur Folge, daß die jeweilige Grenzschicht bei den Heckoberflächen B bis E einen wesentlich geringeren Druckanstieg zu überwinden hat als im Referenzfall A. Der zu überwinden de Druckanstieg wird mit zunehmender Saugmenge M der Senke immer klei ner, er soll minimiert werden, ohne zu stark saugen zu müssen. Für die einzelnen Heckkonturen A bis E der Fig. 3 sind in der Tabelle zu Fig. 4 die jeweilig erforderlichen Absaugmengen M in dimensionslosen Werten aufgetragen, um die dargestellten Druckverteilungen A bis E zu errei chen. Die Saugmenge des Triebwerks hat eine bestimmte Größe, die abge stimmt werden muß mit der möglichen Saugmenge M der Senke. Dadurch er gibt sich in der Praxis etwa die Heckkontur B.

Fig. 5 zeigt schematisch im Halbschnitt eine praktische Ausführung der integrierten Grenzschichtsteuerungs-Antriebsanlage mit einem Zweikreis- Triebwerk 10, welches an ein Rumpfheck 11 angebaut ist. Die im Innenbe reich des Rumpfhecks 11 ankommende Luft wird einem mit Leitflächen ver sehenen Kurzdiffusor 12 zugeführt und dort auf etwa 0,4 V_∞ verzö gert. Danach wird die Luft in zwei Umlenkgittern 13 umgelenkt und dem Zweikreis-Triebwerk 10 zugeführt. Da bei der Kontur des Rumpfhecks 11 immer noch ein hoher Druckunterschied zu überwinden ist (siehe Fig. 4 Linie B), ist noch eine Grenzschichtsteuerung über einen Absaugschlitz 14 erforderlich. Die stromaufwärts durch eine Außenlippe 15 des Absaug schlitzes 14 von der Außenströmung abgespaltete Grenzschicht wird einer Ejektor-Diffusor-Kombination, bestehend aus einem Druckkanal 16, einer Ejektordüse 17, einem Ejektor 18 und einem Diffusor 19 zugeführt, wo sie auf den Gesamtdruck und die Strömungsgeschwindigkeit des über den Kurz diffusor 12 im Heckinnenbereich angesaugten Luftstroms gebracht wird. Die so aufbereitete Grenzschicht wird dann auch durch die Umlenkgitter 13 dem Triebwerk 10 zugeführt. Der gesamte im Heckbereich angesaugte Luftstrom wird nach dessen Verarbeitung in Turbinenluft-Triebwerken 10 jeweils einer Zweiachsen-Schubvektordüse 21 zugeführt. Diese über ein ausfallsicheres Flugführungssystem angesteuerten Düsen 21 erlauben eine beträchtliche Verringerung der Größe der für die Nick- und Gierachse erforderlichen konventionellen Höhen- und Seitenruder. Die gestrichelte Linie 22 zeigt die Grenzstromfläche des in die Triebwerke gelangenden Luftstroms. Es ist zu beachten, daß sich eine quer zur Flugrichtung ver laufende Staulinie auf der Oberfläche der Triebwerke 10 rund um die Triebwerke herum ausbildet. Entsprechend gering ist der Reibungswider stand in diesem Bereich.

In der Fig. 6, welche eine Ansicht in Richtung VI aus der Fig. 5 dar stellt, sieht man auf die Außenlippe 15 des Absaugschlitzes 14 und auf die Ejektordüsen 17, die sich im Halbkreis um das Rumpfheck 11 herumzie hen. Die Ejektordüsen 17 sind in ihrem Austrittsquerschnitt so gestal tet, daß die transversale Verteilung des Austrittsimpulses ungefähr der transversalen Verteilung der Dichte des Impulsverlustes der Grenzschicht entspricht. Die Druckluft für die Ejektordüsen 17 wird durch den Druck kanal 16 geleitet und in einem oder mehreren separaten nicht dargestell ten Zweikreis-Gasgeneratoren erzeugt.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Draufsicht und Heckansicht von einem Trans portflugzeug 25, welches mit der integrierten Grenzschichtsteuerungs-An triebsanlage ausgerüstet ist. Es ist mit einem für Transportzwecke groß volumigen Rumpf 26 versehen. Am Rumpfheck 26a, welches dem Rumpfheck 11 der Fig. 5 entspricht, sind oben und unten die beiden Außenlippen 15 und die Absaugschlitze 14 dargestellt. Wegen der geringeren Einschnürung des Rumpfhecks 26a im seitlichen Bereich können in diesem Bereich die Ab saugschlitze 14 entfallen. Aus den Figuren sind weiterhin die Triebwerke 10 mit den Schubvektordüsen 21 sowie Tragflächen 27, Höhenruder 28, Sel tenruder 29 und Fahrwerke 31 ersichtlich. In der Fig. 8 ist noch der um die Triebwerke 10 herumgeführte Kurzdiffusor 12 eingezeichnet. Durch die dargestellte Konfiguration des Transportflugzeuges 25 kann das Struktur gewicht, der Kraftstoffbedarf und das Abfluggewicht gegenüber den her kömmlichen Flugzeugen mit schlankem Rumpf und Anordnung der Triebwerke in den Tragflächen deutlich reduziert werden.

Claims

1. Transportflugzeug mit stumpfem Heck, das vorzugsweise durch zwei Strahltriebwerke angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die An saugluft den direkt in das Rumpfheck (11, 26a) integrierten Triebwerken (10) über einen Kurzdiffusor (12), durch Grenzschichtabsaugung über ei nen Absaugschlitz (14) und durch eine Kombination aus Ejektoren (18) und Diffusoren (19) zugeführt ist.

2. Transportflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzdiffusor (12) um die beiden Triebwerke (10) herum angeordnet und mit Leitflächen versehen ist.

3. Transportflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht stromaufwärts vom Kurzdiffusor (12) durch eine Außen lippe (15) des Absaugschlitzes (14) von der Außenströmung abgespaltet ist.

4. Transportflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ansaugluft in die Ejektoren (18) und Diffusoren (19) über Druckkanäle (16) und Ejektordüsen (17) zugeführt ist.

5. Transportflugzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkanäle (16) und Ejektordüsen (17) mit der Nebenstromluft eines separaten Zweikreis-Gasgenerators beaufschlagt sind.

6. Transportflugzeug nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ejektordüsen (17) in die die Grenzschicht absaugenden Absaugschlitze (14) einmünden, wobei die Absaugschlitze im ersten Teil als Ejektoren (18) dienen und sich danach zu den Diffusoren (19) erwei tern.

7. Transportflugzeug nach mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich je ein Absaugschlitz (14) und je ein Druckka nal (16) im oberen und unteren Teil des Rumpfhecks (11, 26a) befinden.

8. Transportflugzeug nach mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Kurzdiffusoren (12) und den Diffusoren (19) kommende Ansaugluft vor dem Eintritt in die Triebwerke (10) durch zwei Umlenkgitter (13) geleitet ist.

9. Transportflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte angesaugte Luftstrom nach dessen Verarbeitung in den Trieb werken (10) Zweiachsen-Schubvektordüsen (21) zugeführt ist.