DE4404810A1 - Rumpfheck für ein Verkehrsflugzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rumpfheck für ein Verkehrsflugzeug mit einer Druckkabine, wobei das Höhenleitwerk und das Seitenleitwerk direkt am Rumpfheck angeschlossen sind und die Flosse des Höhenleitwerks trimmbar ausgebildet ist.

Die Außenform eines Flugzeuges wird überwiegend aufgrund aerodynamischer Überlegungen festgelegt. Dies hat zur Folge, daß die Gestaltungsmöglichkeiten der tragenden Struktur sowie der Anordnung der einzelnen Ausrüstungskomponenten des Flugzeuges durch dessen äußere Form beschränkt sind. Bei Verkehrsflugzeugen mit direkt am Heck angeschlossenen Leitwerken stellt die Heckpartie einen besonders problematischen Bereich dar: Einerseits ist zur Realisierung eines wirksamen Leitwerks eine bestimmte äußere Leitwerks- und Heckform erforderlich, andererseits sind auf engem Raum alle Elemente zur Übertragung der betreffenden Kräfte und zur Sicherstellung der betreffenden Systemfunktionen auch des Höhenleitwerks unterzubringen. Bekannte Lösungen von Flugzeughecks stellen daher immer Kompromisse zwischen dem aerodynamisch Geforderten und dem struktur- bzw. systembezogen Machbaren dar. Ein weiterer Gesichtspunkt, der bei der Gestaltung eines Flugzeughecks eine Rolle spielt ist der, daß das Heck an sich ein Teil des Rumpfes ist, der zur Aufnahme von Passagiersitzen bzw. Frachtstücken nicht optimal nutzbar ist, und daher so kurz wie möglich sein sollte, um Gewicht zu sparen.

Bei entsprechenden Flugzeugen durchdringt der Mittelkasten des Höhenleitwerks das Rumpfheck aus konstruktiven Gründen hinter dem Bereich der Rumpfspanten, woran das Seitenleitwerk angeschlossen ist, so daß eine Entkopplung der Leitwerksstrukturen erreicht wird. Eine entsprechende Lösung ist der GB-Z Flight, 2. Jan. 1982, S. 16, 17 zu entnehmen. Hierbei nimmt das Seitenleitwerk des Flugzeuges eine Position ein, die nicht die größtmögliche Länge seines Hebelarms um den Schwerpunkt des Flugzeuges ergibt, die aber im Hinblick auf das trimmbare Höhenleitwerk Vorteile bietet. Um dennoch eine hinreichende Wirksamkeit des Seitenleitwerks sicherzustellen, ist dieses stark nach hinten gezogen, d. h. stärker gepfeilt und weist außerdem eine relativ große Fläche auf. Das derart vergrößerte Seitenleitwerk erfordert eine relativ große Profildicke, um die betreffenden Biegekräfte statisch zu beherrschen. Hierbei wird also die erforderliche Wirksamkeit des Seitenleitwerks durch Maßnahmen erkauft, die sich ungünstig auf das Gewicht und den Reibungswiderstand des Seitenleitwerks auswirken. Der Übergang vom Rumpf zum Seitenleitwerk wird durch eine scharfkantige Hohlkehle gebildet. Diese unstetige Form des Übergangs ist aus aerodynamischer Sicht keineswegs optimal. Weiterhin ist bei dieser für den derzeitigen Stand der Technik exemplarischen Lösung von Nachteil, daß das Heck infolge seiner relativ schlanken Form einen relativ großen Teil der Gesamtrumpflänge beansprucht. Diese aus aerodynamischen Gründen gewählte Form steht einer Vergrößerung der Passagierkabine bei einer gegebenen Rumpflänge, und damit einer Verkürzung des Hecks, entgegen.

Die DE-Z Flug-Revue, vom Dez. 1970, S. 28, 29 zeigt ein weiteres Rumpfheck. Das hier dargestellte Flugzeug weist wieder ein Rumpfheck auf, woran das Höhenleitwerk und das Seitenleitwerk angeschlossen sind, wobei auch hier die Flosse des Höhenleitwerks trimmbar ausgebildet ist. Zwischen der Wurzel des Seitenleitwerks und dem Rumpfheck ist hier jedoch ein Strahltriebwerk angeordnet, so daß zwischen der Leitwerkswurzel und dem Heck ein dem Außendurchmesser der Triebwerksgondel entsprechender Abstand besteht. Das Seitenleitwerk erscheint daher um den Außendurchmesser des Triebwerks nach oben verlagert. Die Übertragung der Seitenleitwerkskräfte geschieht dadurch, daß dessen Holme an innerhalb der Triebwerksverkleidung angeordneten Spanten angeschlossen sind, die ihrerseits mit entsprechenden Spanten des Rumpfhecks verbunden sind. Bei dieser Lösung ist der Mittelkasten des Höhenleitwerks nicht hinter sondern zwischen den heckseitigen Spanten hindurch geführt, woran das Seitenleitwerk letztlich angeschlossen ist. Obwohl diese Maßnahme an sich einen Vorteil bezüglich des Seitenleitwerks-Hebelarms ergeben würde, wird dieser durch die Verlagerung des Seitenleitwerks nach oben wieder aufgehoben. Damit ist auch diese Lösung bezüglich Gewicht und Widerstand des Seitenleitwerks nicht optimal.

Andere bekannte Flugzeuge der in Betracht kommenden Art weisen im Bereich des Rumpf/Seitenleitwerks-Überganges Befestigungsbeschläge auf. Diese Beschläge sind zur Erzielung optimaler statischer Verhältnisse so angeordnet, daß sie die theoretische Außenkontur im Bereich des Überganges überragen, so daß entsprechende Verkleidungen notwendig werden. Die damit verbundenen Aufdickungen im Bereich der Beschläge ergeben eine entsprechende Zunahme des Luftwiderstandes. Derartige Verkleidungen dienen bisher nur dazu, die äußere Formgebung der entsprechenden Bereiche eines Flugzeuges den aerodynamischen Erfordernissen anzupassen und tragen daher nicht zur Festigkeit der betreffenden Strukturen bei.

Die aus aerodynamischen Gründen immer vorhandene Verjüngung des Rumpfquerschnitts zur Heckspitze hin bewirkt eine Divergenz der Stromlinien im Heckbereich, die ihrerseits eine erhöhte Neigung der Strömung zur Ablösung mit sich bringt. Infolge der mehr oder weniger nach oben gezogenen Heckformen, auch "upsweep" genannt, treten diese Ablösungserscheinungen bevorzugt an der jeweiligen Heckunterseite auf. Die DE 35 26 472 C2 zeigt eine Rumpfheckmodifikation von Flugzeugen mit hochgezogener Heckquerschnittsform, die von der Kreisform abweicht. Hierbei wird vorgeschlagen, daß der Flächenschwerpunkt der an sich kreisrunden Spantquerschnitte nach unten verlegt wird, so daß auf der Unterseite des Querschnittes Auswölbungen entstehen, jedoch die untere und die obere und die Seitengrenzkonturen unverändert im Querschnitt verbleiben. Durch diese Maßnahme wird der Ablösungspunkt der Strömung auf der Heckunterseite von seiner bisherigen Position in eine weiter stromab gelegene Position verlagert, wodurch eine Reduktion des Druckwiderstandes erreicht wird. Hinweise zur Verkürzung des Hecks gegenüber der Gesamtrumpflänge oder auf eine vorteilhafte Anordnung des Höhenleitwerks am Heck sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Rumpfheck derart auszubilden, daß dieses gegenüber bisherigen Lösungen eine kürzere Baulänge sowie ein kleineres und leichteres Seitenleitwerk aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Rumpfheck dadurch gelöst, daß mindestens die obere Konturlinie und die beiden seitlichen Konturlinien jeweils einen Wendepunkt aufweisen und der Mittelkasten des Höhenleitwerks das Rumpfheck im Bereich der Spante durchdringt, die das Seitenleitwerk tragen.

Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß sich außer einer besseren Raumausnutzung des Flugzeugrumpfes auch eine Senkung sowohl des Heckwiderstandes als auch des Heck-Gewichtes ergibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Rumpfheck nach Stand der Technik,

Fig. 2 ein Rumpfheck gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Rumpfheck mit einer Rohraussteifung,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines neuen Hecks,

Fig. 5 die Draufsicht des Hecks nach Fig. 4,

Fig. 6 ein Diagramm der Querschnitts- und Umfangsverteilung im Heckbereich,

Fig. 7 einen Spantenriß eines bisherigen Hecks,

Fig. 8 einen Spantenriß eines neuen Hecks,

Fig. 9 einen Vergleich zweier Rumpf- Seitenleitwerks- Übergänge, und

Fig. 10 die Einzelheit X nach Fig. 9.

Fig. 1 zeigt ein Rumpfheck 1 eines hier nicht weiter gezeigten Flugzeuges F. Auf das Heck 1 ist ein Seitenleitwerk 2 aufgesetzt, dessen Holme 3, 4, 5 über Anschlußbeschläge 6, 7, 8 an heckseitige Spante 9, 10, 11 angeschlossen sind. Anhand des Umrisses 12 ist die Position des Höhenleitwerks mit dem Mittelkasten 13 angedeutet. Die Stelle des Rumpfhecks 1, an der dieses vom Mittelkasten 13 durchdrungen wird, liegt hinter dem letzten der Spante 9, 10 und 11. Angaben wie "hinter" bzw. "vor" bedeuten in diesem Zusammenhang immer näher zum Rumpfende hin bzw. näher zur Rumpfnase hin gelegen. Vor dem Spant 9 befindet sich der sog. Druckspant 14, der die Druckkabine 15 nach hinten abschließt.

Fig. 2 zeigt demgegenüber eine Ausgestaltung der Erfindung im Form eines Rumpfhecks 16 mit einem Seitenleitwerk 17, das mit seinen Holmen 18 und 19 an die rumpfseitigen Spante 20 und 22 angeschlossen ist. Dabei ist zwischen diesen beiden Spanten ein Hilfsspant 21 angeordnet. Der Mittelkasten 23 des Höhenleitwerks durchdringt das Rumpfheck 16 im Bereich der Spante 20 bis 22, die das Seitenleitwerk tragen. Die hier mit 24 bezeichnete Druckkabine wird nach hinten durch den Druckspant 25 abgeschlossen. Das hier gezeigte neue Heck 16 ersetzt das oben gezeigte Heck 1, wobei die übrigen technischen Gegebenheiten des nicht dargestellten Flugzeuges F erhalten bleiben. Durch die Linie L, die die oberen Eckpunkte S und S′ der Seitenleitwerke 2 und 17 miteinander verbindet, wird angedeutet, daß die x-Koordinaten beider Punkte von den entsprechenden Koordinaten der betreffenden Rumpfnase die gleiche Entfernung haben. Der Anschlußbereich des Seitenleitwerks an das Heck ist bei der neuen Heckausbildung gegenüber der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 deutlich nach hinten verlagert. Hierdurch werden bezüglich der äußeren und inneren Geometrie des Hecks folgende Möglichkeiten eröffnet.

• - Der Druckspant 25 kann nach hinten, also zur Heckspitze hin verlagert werden, was bei hinreichendem Rumpfquerschnitt den Einbau zusätzlicher Sitzreihen in die Kabine 24 ermöglicht.
• - Das Seitenleitwerk 17 kann mit kleinerer Pfeilung und kleinerer Fläche ausgebildet werden, was sowohl ein niedrigeres Strukturgewicht als auch einen niedrigeren Reibungswiderstand zur Folge hat.
• - Die Querschnittsform des Hecks kann aufgrund aerodynamischer Gesichtspunkte neu gestaltet werden.

Das Ausmaß einer möglichen Verlagerung des Druckspants 25, und damit auch der unmittelbaren Auswirkung auf die Geometrie der Kabine 24, wird durch die Strecke d deutlich. Der Mittelkasten 23 ist zur Sicherstellung der Trimmfunktion innerhalb der Heckstruktur um eine Querachse schwenkbar gelagert. Dabei erfolgt die Einleitung der Kräfte des Höhenleitwerks in das Heck 16 über die Spante 21 und 22. Eine übliche Schwenkverbindung zwischen dem Heck 16 und dem Mittelkasten 23 besteht beispielsweise darin, daß dieser über ein Gelenk mit entsprechend ausgerichteter Schwenkachse mit dem Heck verbunden ist. Die Einleitung der Trimmbewegung geschieht dabei durch einen selbsthemmenden Stellantrieb, etwa durch eine Stellstrebe mit zwei Enden, beispielsweise durch einen Spindelantrieb, dessen eines Ende in einem von dem besagten Gelenk entfernten Bereich des Mittelkastens angreift und dessen anderes Ende in einem heckfesten Punkt schwenkbar gelagert ist. Um eine unbehinderte Trimmbewegung zu ermöglichen, sind hierbei trapezförmige Ausschnitte in den seitlichen Heckschalen erforderlich, die ihrerseits durch Spaltabdeckungen in Form elastischer oder starrer mit dem Mittelkasten schwenkbarer Abdeckschilde verschlossen sind.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung der Schwenkverbindung, die darin besteht, daß seitens des Hecks eine quer orientierte Rohraussteifung 26 angeordnet ist, die ein Schwenkelement 27 mit dem Mittelkasten 23 aufnimmt. Hierdurch können die innerhalb des erfindungsgemäßen Kurzhecks auf engem Raum wirkenden Kräfte besser beherrscht werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß der betreffende Bewegungsspalt 28 auf einer Zylinderfläche um die Schwenkachse X liegt. Hierdurch kann das Problem der Spaltabdeckungen auf einfachere Weise gelöst werden, sofern die Funktionsfläche sorgfältig in den Strak integriert wird. Als Lager kommen Gleit- oder Wälzlager von entsprechendem Durchmesser in Betracht. Als Mittel zur Realisierung der Trimmbewegung sind vorzugsweise solche Antriebe denkbar, die eine drehende Bewegung liefern, beispielsweise Elektromotoren oder Hydraulikmotoren.

Bei der Gestaltung von Flugzeugkonfigurationen ist man allgemein bestrebt, deren Verhalten durch geeignete Formgebung günstig zu beeinflussen. Dies geschieht durch Stromlinienkonturierung. Dabei besteht eine wichtige Zielrichtung darin, den Interferenzwiderstand aerodynamischer Anordnungen, beispielsweise einer Rumpf/Flügel-Anordnung, zu reduzieren. Als Interferenzwiderstand wird die Differenz des gemessenen Gesamtwiderstandes und der rechnerischen Summe der Einzelwiderstände, in diesem Falle von Rumpf und Flügel, bezeichnet. Im Falle eines Hecks mit direkt angeschlossenem Höhen- und Seitenleitwerk ist die Reduzierung des Interferenzwiderstandes besonders wichtig.

Damit die durch die Verlagerung des Seitenleitwerks erreichte Verkürzung des Hecks keine nachteiligen Auswirkungen auf das aerodynamische Verhalten des Hecks hat, weist dieses eine durch Stromlinienkonturierung neu gestaltete äußere Geometrie auf.

Die Fig. 4 und 5 zeigen diese neue Geometrie. Diese wird anhand einer normierten Darstellung mit einem bisherigen Heck verglichen. Dabei ist der Wert x/l=1 der Länge des bisherigen Hecks zugeordnet. Die Querschnitte des neuen Hecks, mit Vollinien dargestellt, zeigen von links nach rechts bis etwa zum Wert x/l=0,4 zunächst eine geringere Abnahme als das gestrichelt dargestellte bisherige Heck. Im Bereich etwa von x/l=0,4 bis 0,6 erfolgt die Abnahme der Querschnittsflächen dann rascher als bei dem bisherigen Heck, um anschließend etwa ab x/l=0,6 bis zum Ende des Hecks wieder langsamer abzunehmen. Aufgrund der neuen Querschnittsverteilung im Heckbereich ergibt sich, daß mindestens die obere Konturlinie k_o und die beiden seitlichen Konturlinien k_l, k_r jeweils einen Wendepunkt aufweisen. Ein weiteres Merkmal der neuen Heckform besteht darin, daß die Projektion der seitlichen Konturlinien k_l und k_r etwa ab dem Wert x/l=0,3 nach unten konvex gekrümmt ist. Aufgrund dieser Merkmale kann das neue Heck ca. 12% kürzer als das bisherige sein, ohne daß dies zu nachteiligen aerodynamischen Wirkungen führt. Die vorteilhafte Verkürzung des Hecks wird dadurch deutlich, daß das Ende des neuen Hecks etwa an der Stelle x/l=0,88 liegt. Die Heckform mit den besagten Wendepunkten ist das Ergebnis einer systematischen Stromlinienkonturierung. Der aufwärts gerichtete Verlauf der unteren Konturlinie resultiert z. T. immer aus der Forderung, daß am Heck während der beim Start stattfindenden Rotation zu jeder Zeit eine hinreichende Bodenfreiheit besteht. Die aus Fig. 4 erkennbare Verlagerung der Spitze des neuen Hecks nach unten erfolgt aus Gründen der Aerodynamik. Auf das Verhalten bei der Rotation hat diese Maßnahme keinen Einfluß, da die Heckspitze außerhalb des bei der Rotation kritischen Bereiches liegt.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, woraus der Verlauf des normierten Rumpfquerschnitts A/A_max sowie des jeweiligen normierten Umfangs U/U_max in Abhängigkeit von der normierten Hecklänge x/l hervorgeht. Beide Funktionen sind durch Vollinien dargestellt, wobei der Querschnittsverlauf durch die Kurve k₁ und der Verlauf des Umfangs durch die Kurve k₂ aufgezeigt ist. Zur Gegenüberstellung des neuen Hecks mit einem bisherigen sind dessen entsprechende Funktionen k₁, bzw. k₂, gestrichelt dargestellt. Dabei sind die Hecklängen durch eine Normierung so umgerechnet, daß das Ende des bisherigen Hecks und das Ende des neuen Hecks an der Stelle x/l=1 liegt. Es fällt auf, daß sowohl k₁, als auch k₂, einen relativ geradlinigen Verlauf zeigen, wohingegen die Funktionen A/A_max und U/U_max jeweils etwa bei x/l=0,6 einen Wendepunkt aufweisen. Der Bereich, in dem beide Wendepunkte liegen können, liegt bei 0,5<x/l<0,7.

Fig. 7 zeigt einen Spantenriß eines bisherigen Hecks. Dabei definiert das Achsenkreuz die Lage der Rumpfachse. Die einzelnen Spante sind im wesentlichen kreisförmig, wobei die Heckspitze um eine Höhe h1 relativ weit oberhalb der Rumpfachse liegt. Die seitlichen Abflachungen sollen den Anschluß einer trimmbaren Höhenflosse erleichtern.

Fig. 8 zeigt schließlich einen Spantenriß eines neuen Hecks. Hierbei liegt die Heckspitze nur um die relativ kleine Höhe h2 oberhalb der Rumpfachse. Die Form der einzelnen Spante ist so ausgebildet, daß der erzeugende Seitenmeridian jeweils nahe bzw. unterhalb der Rumpfachse verläuft, wobei die Spantquerschnitte auf der Unterseite des Hecks eine abgeflachte, annähernd geradlinige Form aufweisen. Im übrigen sind die Spantformen im Heckbereich nicht auf eine bestimmte Geometrie beschränkt, sondern können aufgrund von Zweckmäßigkeitserwägungen festgelegt werden, wobei jedoch wichtig ist, daß die vorbeschriebene Querschnitts- und Umfangsverteilung verwirklicht wird.

Fig. 9 zeigt einen Vergleich eines bisherigen mit einem neuen Rumpf- Seitenleitwerks-Übergang anhand eines Schnittes durch den betreffenden Heckbereich. Dabei ist die bisherige Querschnittsform durch eine Strich-punktierte Linie 29 und die neue Form durch eine Vollinie 30 dargestellt. Damit der durch die erfindungsgemäß gezielt herbeigeführte Verkopplung der Seitenleitwerks- mit der Höhenleitwerks-Struktur in Verbindung mit der reduzierten Pfeilung des Seitenleitwerks verursachte Interferenzwiderstand niedrig gehalten wird, weist das Seitenleitwerk ein relativ dünnes Profil auf. Das bisherige Seitenleitwerk weist an seiner Wurzel eine Dicke von w₁ auf. Im Bereich des Übergangs zwischen dem Heck und dem Seitenleitwerk verläuft jeweils eine Hohlkehle, mit einer Beschlagsverkleidung 31, 32. Fig. 10 zeigt Einzelheiten des neuen Seitenleitwerks. Die Dicke w₂ an der Wurzel des neuen Seitenleitwerks ist gegenüber der bisherigen auf etwa 1/3 reduziert. Der Übergang vom Heck zum Seitenleitwerk 17 ist entsprechend den aerodynamischen Erfordernissen beidseitig so durch je eine gekrümmte Fläche gebildet, daß anstelle scharfkantiger Übergänge jeweils ein stetig gekrümmter Übergangsbereich 33, 34 entsteht. Um im Wurzelbereich des Seitenleitwerks 17 trotz des dünnen Profils eine ausreichende Festigkeit sicherzustellen, besteht eine Ausgestaltung der Erfindung darin, daß die Übergangsbereiche 33, 34 des Seitenleitwerks zum Rumpf als tragende Struktur ausgebildet ist.

Claims (8)

1. Rumpfheck für ein Verkehrsflugzeug mit einer Druckkabine, wobei das Höhenleitwerk und das Seitenleitwerk am Rumpfheck angeschlossen sind und die Flosse des Höhenleitwerks trimmbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die obere Konturlinie (k_o) und die beiden seitlichen Konturlinien (k_l, k_r) jeweils einen Wendepunkt aufweisen und der Mittelkasten (23) des Höhenleitwerks das Rumpfheck (1, 16) im Bereich der Spante (20, 22) durchdringt, die das Seitenleitwerk tragen.

2. Rumpfheck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seitens des Hecks (1, 16) eine quer orientierte Rohraussteifung (26) angeordnet ist, die ein Schwenkelement (27) mit dem Mittelkasten (23) aufnimmt.

3. Rumpfheck nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenkelement (27) mittels Gleitlagern innerhalb der Rohraussteifung (26) gelagert ist.

4. Rumpfheck nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenkelement (27) mittels Wälzlagern innerhalb der Rohraussteifung (26) gelagert ist.

5. Rumpfheck nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der normierten Querschnittsfläche (A/A_max) im Bereich der normierten Hecklänge (0,5<x/l<0,7) einen Wendepunkt aufweist.

6. Rumpfheck nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des normierten Heckumfangs (U/U_max) im Bereich der normierten Hecklänge (0,5<x/l<0,7) einen Wendepunkt aufweist.

7. Rumpfheck nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich des Seitenleitwerks zum Rumpf als tragende Struktur ausgebildet ist.

8. Rumpfheck nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spantquerschnitte auf der Unterseite des Hecks eine abgeflachte, annähernd geradlinige Form aufweisen.