DE4446031A1 - Tragflügel mit Mitteln zum Verändern des Profils - Google Patents
Tragflügel mit Mitteln zum Verändern des ProfilsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Tragflügel mit Mitteln zum Verändern des Profils.
Der aerodynamische Widerstand von Tragflügeln hat einen wesentlichen Einfluß auf
die Wirtschaftlichkeit des Betriebes eines Flugzeuges. Tragflügelprofile werden im all
gemeinen so ausgelegt, daß der geringste Widerstand bei einer vorgegebenen Ge
schwindigkeit im Reiseflug auftritt. Abweichungen von der optimalen Reisegeschwin
digkeit führen zu einer Erhöhung des Widerstandes bei Werten und damit zu einer
Verringerung der Wirtschaftlichkeit.
Für Tragflügel für den Betrieb im transsonischen Geschwindigkeitsbereich ist es be
kannt, das Profil der oberen Flügelschale im hinteren Tragflügelbereich veränderbar zu
machen (DE-40 07 694 C2), und zwar durch Veränderung der Profildicke im hinteren
Tragflügelbereich derart, daß zwischen einem Profil mit geringem Strömungswider
stand mit großer Profildicke im hinteren Tragflügelbereich und einem Profil mit hohem
Auftrieb mit geringerer Profildicke im hinteren Tragflügelbereich gewechselt werden
kann. Als Mittel zur Veränderung der Profildicke im hinteren Tragflügelbereich sind
dabei in der oberen Flügelschale zwei sich im wesentlichen über die Flügelspannweite
erstreckende und gelenkig miteinander verbundene Konturelemente vorgesehen, von
denen das vordere Konturelement im Bereich des Umschlagpunktes für die Strömung
mit hohem Auftrieb an der Tragflügelstruktur so angelenkt ist, daß der Gelenkspalt in
der Stellung der Konturelemente für geringen Strömungswiderstand vollständig ge
schlossen ist und das Verbindungselement zwischen den beiden Konturelementen im
Bereich des Umschlagpunktes der Strömung mit geringem Strömungswiderstand an
geordnet ist.
Im transsonischen Geschwindigkeitsbereich kommt es im hinteren Teil des Tragflügel
profils zu Überschallstößen, die in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit auf
der Oberseite des Tragflügels in unterschiedlichen Tiefenbereichen des Tragflügels
auftreten und die zu einer Erhöhung des aerodynamischen Widerstandes führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Auswirkungen dieser Überschallstöße zu vermindern
und damit die Wirtschaftlichkeit des Flugzeuges zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehen
den im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 im Querschnitt ein transsonisches Tragflügelprofil mit einem zur Abminderung
der Einwirkung von Überschallstößen ausgebildeten Abschnitt;
Fig. 2 im Querschnitt den erfindungsgemäß ausgebildeten Bereich der oberen Flügel
schale mit Einzelheiten des Profils;
Fig. 3 ein Detail an der Stelle X in Fig. 2;
Fig. 4 ein Diagramm mit Widerstandsbeiwerten eines erfindungsgemäß ausgebil
deten Tragflügels über der Geschwindigkeit aufgetragen.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Tragflügel 2 mit transso
nischem Profil 2, das durch seine obere Tragflügelschale 4 und seine untere Tragflü
gelschale 6 repräsentiert ist. Der Tragflügel hat eine Tiefe c. Auf der oberen Tragflügel
schale 4 befindet sich ein Bereich, in dem Überschallstöße auftreten. Dieser Bereich ist
vom Profil abhängig und liegt im allgemeinen zwischen 0,5 c - Anfang - und 0,6 - 0,85
c - Ende. In diesem Bereich sind in Richtung der Flügeltiefe im Abstand voneinander
Mittel vorgesehen, mit denen die Profiloberfläche der oberen Flügelschale örtlich um
einen Betrag h überhöhbar ist. In Fig. 1 sind als Beispiel drei im Abstand a hinterein
ander liegende Bereiche dargestellt, in denen derartige Überhöhungen 8, 8a und 8b
vorgenommen werden können. Hierfür sind in in Richtung der Flügeltiefe Mittel ange
ordnet, mit denen in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit in unterschied
lichen Profiltiefenbereichen solche Überhöhungen einstellbar sind, wie im nachstehen
den unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben wird.
Die Wirkung der Überhöhung ist im Diagramm in Fig. 4 dargestellt. Die Kurve I zeigt
den Widerstandsbeiwert CD bei einem Profil nach Fig. 1 ohne Überhöhung der Profil
oberfläche. Hier ist angenommen, daß es bei einer Strömungsgeschwindigkeit M₀₁ zu
einem Umschlag der Laminarströmung bei etwa 0,5 c und damit an dieser Stelle zu
einem Überschallstoß kommt. Der aerodynamische Widerstandsbeiwert steigt ab M₀₁
stark an, wie durch die Kurve I dargestellt.
Eine örtliche Überhöhung h der Profilkontur an der Profiloberseite an der Stelle, an der
der Überschallstoß bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten auftritt, führt zu einer
Abminderung des Stoßes und damit zu einer Verlagerung des Widerstandsanstiegs zu
einer höheren Strömungsgeschwindigkeit (Kurve II). Das Widerstandsminimum be
findet sich dann bei der Anströmgeschwindigkeit M₀₂ (< M₀₁).
Wird eine örtliche Überhöhung h der Profilkontur an einer Stelle 8b erzeugt, die noch
weiter hinten liegt als die vorher genannte Stelle 8a, stellt sich ein Widerstandsverlauf
gemäß der Kurve III ein. Das Widerstandsminimum M₀₃ ist jedoch zu einer höheren
Anströmgeschwindigkeit hin verschoben.
Die Widerstandseinspannung, die man durch die Kurve II bei Strömungsgeschwindigkeit
M₀₂ im Vergleich zu Kurve I (Profil ohne Überhöhung) erhält, beträgt ca. A [%]. Bei
höheren Anströmgeschwindigkeiten und entsprechend weiter hinten liegenden Über
höhungen wird im Vergleich zu Kurve I ein noch größerer Gewinn erzielt.
Durch die geschwindigkeitsabhängige Überhöhung der Profilkontur in unterschied
lichen Profiltiefen kann das Flugzeug damit über einen größeren Geschwindigkeitsbe
reich mit einem wirtschaftlich günstigeren Widerstandsbeiwert betrieben werden, der in
Fig. 4 den durch gestrichelte Unterstreichung gekennzeichneten Bereichen der
Kurven I-III entspricht.
Es können selbstverständlich auch mehr als drei in der Flügeltiefe hintereinander lie
gende Bereiche vorgesehen werden, in denen entsprechende Überhöhungen vorge
nommen werden können.
Für die Überhöhung h ist ein Überhöhungsmaß vorzusehen, das etwa 0,2% der
Flügeltiefe beträgt, also bei einer Flügeltiefe von 5 m bei 10 mm liegt.
Der überhöhbare Abschnitt der oberen Flügelschale ist für die strömungskritischen
Bereiche des Tragflügels vorzusehen. Er wird im allgemeinen für den überwiegenden
Bereich der Flügelspannweite vorzusehen sein. Die überhöhten Abschnitte erstrecken
sich dann linienförmig als eine Art Wellenkamm in dem jeweiligen Profiltiefenbereich
über die Flügelspannweite.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Realisierung der Überhöhung der Flügelhaut der oberen
Tragflügelschale. Die Tragflügelschale ist durch Stringer und Rippen in üblicher Weise
versteift, auf denen die starre, die Torsionskräfte und -momente aufnehmende Flügel
haut der oberen Flügelschalen 4 befestigt ist. Diese Versteifungen sind in Fig. 2
schematisch durch Rippen 12 veranschaulicht.
In den Bereichen, in denen das Profil der oberen Flügelschale überhöhbar ist, ist auf
der starren Flügel haut der oberen Flügelschale des Tragflügels 2 eine flexible Flügel
haut 14 angeordnet. Die starre Flügelhaut 16 des Tragflügels ist in diesem Bereich so
weit abgesenkt, daß auf dem gesenkten Bereich 16 der starren Flügelhaut die flexible
Flügelhaut 14 eine Fortsetzung der starren Flügelhaut 18, 20 bildet. Die flexible Flügel
haut 14 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich 0,5 c fest mit der da
runterliegenden abgesenkten starren Flügelhaut 16 verbunden, beispielsweise mit ihr
verschraubt, vernietet oder vernäht. Im übrigen Bereich liegt die flexible Flügelhaut 14
in Richtung der Profiltiefe verschiebbar auf der starren Flügelhaut 16 auf. An ihrem
hinteren Ende untergreift die flexible Flügelhaut 14 die starre Flügelhaut 20 im hinteren
Bereich des Flügels mit einer Schäftung 22.
Die flexible Flügelhaut 14 ist bei der Ausführungsform nach Fig. 2 in drei Profiltiefen
bereichen 0,5 c + x₁ bzw. x₂ bzw. x₃ überhöhbar dargestellt. Die Abstände x₁, x₂, x₃
entsprechen den Strömungsgeschwindigkeiten, bei denen jeweils ein Minimum des
Widerstandsbeiwertes CD erreicht werden soll. Zur Durchführung der Überhöhung
sind bei der Ausführungsform Betätigungselemente 24 vorgesehen, die beispielsweise
an der starren Tragflügelhaut 16 oder an den Stringern bzw. Rippen 12 oder auch an
einem sonstigen Konstruktionselement des Tragflügels befestigt sein können.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind als verstellbare Elemente Stempel 26 vorgesehen,
die beispielsweise durch konventionelle elektromechanische Spindeltriebe, hydrau
lische Schubstangenantriebe oder durch neuartige Aktuatoren, wie z. B. bimorphe Ele
mente, Piezokeramiken oder NiTi-Formgedächtnislegierungen angetrieben werden
können. Von solchen Stempeln ist in Richtung der Flügelspannweite eine Mehrzahl in
Abständen voneinander vorgesehen. Die Stempel 26 sind hier mit einem Kopf 28
dargestellt, über den die Stempel formschlüssig mit der flexiblen Haut verbunden sind,
und zwar so, daß zwischen dem Antriebsglied und dem Kopf 28 des Stempels 26 und
damit der flexiblen Haut 14 eine Relativbewegung in Richtung der Profiltiefe möglich
ist. Dies kann z. B. mit einem beidseitig gelenkig angeschlossenen Zwischenglied reali
siert werden.
Durch Betätigung aller jeweils nebeneinander liegenden Stempel 26 wird die flexible
Haut 14 angehoben und damit in Spannweitenrichtung eine wellenkammartige Über
höhung h des Profils bewirkt. Durch diese Überhöhung werden wie oben dargelegt
Überschallstöße abgemindert. Damit wird der Profilwiderstandsbeiwert CD des Trag
flügels niedrig gehalten. Die unterschiedlichen (z. B. drei) Reihen von Betätigungsele
menten werden in Abhängigkeit von der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit der Luft
auf der oberen Flügelschale betätigt und somit eine Optimierung des Widerstandsbei
wertes im jeweiligen Geschwindigkeitsbereich erzielt.
Die Stempel 26 können - wie vorstehend angegeben - mit Einzelantrieben versehen
sein. Sie können aber auch mit quer zur Profiltiefe, also in Richtung der Flügelspann
weite angeordneten Betätigungsmitteln, wie verschiebbaren Betätigungsschienen oder
auch Antriebsspindeln formschlüssig in Eingriff stehen. Wesentlich ist, daß über die
Antriebsvorrichtung die flexible Haut im nicht überhöhten Zustand fest auf der darunter
liegenden starren Flügelhaut in Anlage gehalten werden kann. Die flexible Haut nimmt
zwar keine Querkräfte und Biegemomente aus der Flügelbelastung auf. Sie wird je
doch durch die Sogkräfte belastet, die senkrecht auf die flexible Haut wirken und auf
die Struktur des Tragflügels übertragen werden müssen.
Die Betätigungselemente können in einen Regelkreis eingeschlossen werden mit Sen
soren, die die Strömungsgeschwindigkeit in situ messen, wobei dann die jeweilig
vorgegebenen Werten zugeordneten Betätigungselemente wirksam gemacht werden.
Den Betätigungselementen können aber in Abhängigkeit von der Relativgeschwindig
keit des Flugzeuges gegenüber der Luft empirisch ermittelte Einstellwerte zugeordnet
werden.
Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird als Material für die flexible
Haut ein Faserverbundwerkstoff verwendet, dessen Fasern orthotrop so ausgerichtet
sind, daß die flexible Haut in Richtung der Flügeltiefe eine geringe und in Richtung der
Flügelspannweite eine hohe Biegesteifigkeit aufweist. Als Fasern können hierbei vor
zugsweise hochfeste Fasern, beispielsweise Kohlenstoffasern, aber auch Fasern aus
Siliciumkarbid oder dergleichen eingesetzt werden. Die große Biegesteifigkeit in
Richtung der Flügelspannweite ermöglicht es, die Betätigungselemente in größeren
Abständen voneinander anzuordnen und damit die Anzahl der Betätigungselemente
pro Längeneinheit der Flügelspannweite klein zu halten. Die Verwendung von Faser
verbundwerkstoffen ermöglicht es weiter, die Kupplungs- oder Verbindungselemente
zwischen den Betätigungselementen und der Flügelhaut beispielsweise mit C-Faser-
Rovings anzunähen. Nähte mit C-Faser-Rovings können auch für die Befestigung der
flexiblen Haut an deren vorderen Ende verwendet werden. Das Nahtmaterial wird
dabei vorzugsweise trocken eingezogen und anschließend durch Tränkung mit einem
Kunstharz in eine starre Matrix eingebettet.
Claims (14)
1. Tragflügel mit Mitteln zum Verändern des Profils im hinteren Bereich der oberen
Flügelschale, dadurch gekennzeichnet, daß an der Profiloberseite der oberen
Flügelschale in dem Bereich größer als 50% der Flügeltiefe, in dem Überschall
stöße auftreten, wenigstens ein in der Höhe über die Profiloberseite hinaus nach
oben durch Verformung örtlich überhöhbarer Abschnitt der Flügel haut vorgesehen
ist, der sich über einen wesentlichen Teil der Flügelspannweite erstreckt.
2. Tragflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überhöhbare Ab
schnitt eine flexible Haut aufweist, die auf einem steifen Abschnitt der Flügelhaut
aufliegt.
3. Tragflügel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der
Flügeltiefe in Abständen Betätigungsmittel vorgesehen sind, mit denen örtliche
Überhöhungen der Flügelhaut in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit
durchführbar sind.
4. Tragflügel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der verformbare Abschnitt der Flügelhaut aus einem Faserverbundwerkstoff
besteht, dessen Fasern orthotrop so ausgerichtet sind, daß die Flügelhaut in
Richtung der Flügeltiefe eine geringe und in Richtung der Flügelspannweite eine
große Biegesteifigkeit aufweist.
5. Tragflügel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der verformbare Abschnitt der Flügelhaut an seinem vorderen Rand fest mit der
starren Haut der Flügelschale verbunden ist und an seinem hinteren Rand die starre
Haut des Flügels mit einer Schäftung gleitbar untergreift.
6. Tragflügel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel
formschlüssig mit der Unterseite der flexiblen Flügelhaut verbunden sind.
7. Tragflügel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Betätigungsmittel
wenigstens zwei in Flügeltiefe in Abstand angeordnete Reihen im wesentlichen
senkrecht zur Profiloberfläche verstellbarer Stempel vorgesehen sind, die in Flügel
spannweite in Abstand voneinander angeordnet sind.
8. Tragflügel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel elektro
mechanisch betrieben mit Kolben eines hydraulischen, pneumatischen Antriebs
elementes über ein gelenkig angeschlossenes Zwischenglied verbunden sind.
9. Tragflügel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel mit einem
elektromechanisch betriebenen Spindel- oder Schubstangenantrieb über ein ge
lenkig angeschlossenes Zwischenglied verbunden sind.
10. Tragflügel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel in Eingriff
mit einer in Richtung der Flügelspannweite verstellbaren Betätigungsstange ange
ordnet sind.
11. Tragflügel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebe bimorphe
Elemente vorgesehen sind.
12. Tragflügel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebe Piezo
keramiken vorgesehen sind.
13. Tragflügel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebe NiTi-
Formgedächtniselemente vorgesehen sind.
14. Tragflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überhöhung etwa
0,2% der Flügeltiefe beträgt.
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