DE4446031A1 - Tragflügel mit Mitteln zum Verändern des Profils - Google Patents

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 C_D 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 C_D 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 C_D 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.