-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine aerodynamische Fläche
eines Luftfahrzeugs wie beispielsweise eine Flugzeugtragfläche, ein
Seitenleitwerk, ein Leitwerk, eine Verkleidung, einen Mast für die Triebwerksgondel
usw., welche mit mindestens einem Ablenker der Hinterkante ausgestattet
ist.
-
Durch die Druckschrift US-4 867 396
ist bereits eine aerodynamische Fläche bekannt, insbesondere eine
Flugzeugtragfläche,
bei welcher dank eines mit Mikro-Flügelklappe
bezeichneten Ablenkers, der sich an der Hinterkante der aerodynamischen
Fläche
befindet und gegen die Tragflächenunterseite
geneigt ist, dessen Auftrieb erhöht
und dessen Luftwiderstand verringert worden ist. Dieser Ablenker
ist fest, und dasselbe trifft auch auf seine Neigung in Bezug auf
die Tragflächenunterseite
zu, wobei der Neigungswinkel zwischen dem Ablenker und der Profilsehne
der aerodynamische Fläche
aus mehreren Werten, beispielsweise 20°, gewählt werden kann. Außerdem ist
die Profilsehne des Ablenkers klein gegenüber derjenigen der aerodynamischen
Fläche,
wobei das Verhältnis
zwischen den Profilsehnen zwischen 0,5% und 1,5% liegt.
-
Ferner ist bekannt, dass die Tragwerke
von Flugzeugen der Erscheinung des Flatterns ausgesetzt sein können, welche
im Allgemeinen mit dem angelsächsischen
Ausdruck "buffeting" bezeichnet wird. Diese Erscheinung ergibt sich
aus instationären Ablösungsvorgängen der
Luftströmung,
die an der Oberseite des Tragwerks entstehen und durch einen Kopplungseffekt
Vibrationen der Struktur erzeugen. Dieses Flattern kann in allen
Flugsituationen eines Flugzeugs auftreten und wird im Überschallbereich durch
Schwingungen der Stoßwelle
verstärkt,
die durch instationäre
Ablösungserscheinungen
hervorgerufen werden.
-
Um das Flattern zu bekämpfen, hat
man bereits daran gedacht, die üblichen
beweglichen Klappen der Hinterkante, die für das Steuern der Flugzeuge
vorgesehen sind, zu benutzen, wie dies beispielsweise in den Patenten
FR-2 531 676 und US-4 705 902 beschrieben wird. In der Tat weisen
derartige Klappen der Hinterkante eine Oberseite und eine Unterseite
auf, welche die Oberseite und die Unterseite der aerodynamischen
Flächen,
an deren Hinterseite sie gelenkig angebracht sind, verlängern. Daher
verändern
sie, wenn sie geschwenkt werden, gleichzeitig örtlich die Krümmung der
Oberseite und der Unterseite der aerodynamischen Fläche.
-
Als das Flattern mit Hilfe der Klappen
der Hinterkante bekämpft
war, hat man jedoch festgestellt, dass die Gefahr bestand, dass
die von der Oberseite der aerodynamischen Fläche abgelösten Luftströmungen an
der Oberseite der geschwenkten Klappe wieder anliegen, was die Steuerbarkeit
des Flugzeugs erschwert. Außerdem
ist es nicht ohne Nachteile, wenn das Flattern mit den Klappen der Hinterkante
bekämpft
wird, deren übliche
und spezifische Funktion ja darin besteht, zur Steuerung des Luftfahrzeugs
beizutragen.
-
Gegenstand der vorliegende Erfindung
ist es auch, das Flattern der aerodynamischen Flächen, welches im Wesentlichen
beim Flug im Überschallbereich
auftritt, zu vermeiden oder zumindest zu vermindern und es dabei
zu ermöglichen,
dass die aerodynamischen Kenndaten dieser Letzteren verbessert werden.
Um dies zu erzielen, bezieht sie sich auf ein System mit Ablenker,
welches demjenigen ähnelt, das
in der weiter vorn kurz analysierten Druckschrift US-4 867 396 beschrieben
wird und welches ermöglicht,
die Kenndaten zu verbessern und das Flattern durch das statische
oder dynamische Ausschlagen des Ablenkers zu bekämpfen.
-
Zu diesem Zweck umfasst die erfindungsgemäße aerodynamische
Fläche
des Luftfahrzeugs:
-
- – eine
Oberseite und eine Unterseite, die vorn durch eine Vorderkante und
hinten durch einen Ansatz der Hinterkante miteinander verbunden
sind, dessen hinterster Abschnitt die Hinterkante der aerodynamischen
Fläche
bildet; und
- – mindestens
einen Ablenker, der dazu bestimmt ist, die aerodynamischen Leistungsdaten
der aerodynamischen Fläche
zu verbessern, wobei die Profilsehne des Ablenkers gleich einigen
Hundertstel der Profilsehne der aerodynamischen Fläche beträgt und der Ablenker
an der Hinterseite derselben angeordnet ist, der sich dadurch auszeichnet,
dass
- – der
Ablenker beweglich ist und in einer Aussparung untergebracht ist,
welche in der Dicke der Unterseite des Ansatzes der Hinterkante
ausgespart ist und in die Hinterkante dergestalt einmündet, dass
die hintere Kante des Ansatzes durch einen Teil mit verminderter
Dicke der Hinterkante gebildet wird;
- – der
bewegliche Ablenker mit seinem vorderen Teil um eine wenigstens
etwa parallel zur Hinterkante verlaufenden Achse gelenkig angeordnet
ist, damit er um die Gelenkachse durch Betätigungsmittel geschwenkt werden
kann; und
- - der bewegliche Ablenker:
- – entweder
eine eingefahrene Endstellung einnehmen kann, für welche der Ablenker sich
völlig
in der Aussparung der Unterseite befindet, wobei er die Kontinuität der Unterseite
gewährleistet
und die hintere Kante des Ablenkers dann mit der hinteren Kante
des Ansatz zusammenwirkt, um die Hinterkante zu bilden;
- – oder
eine beliebige von einer Anzahl von ausgefahrenen Stellungen einnehmen
kann, für
welche der Ablenker mit seinem hinteren Teil über die Aussparung der Unterseite
hinaus ausgeschwenkt ist, wobei er dadurch der Hinterkante der aerodynamischen Fläche eine
veränderliche
parametrierbare Dicke verleiht.
-
Daher unterliegen in der eingefahrenen
Stellung eines derartigen Ablenkers mit kleiner Profilsehne weder
die Oberseite noch die Unterseite der aerodynamischen Fläche irgendeiner
Veränderung,
während
in der ausgeschwenkten Stellung allein die Unterseite verändert wird.
In einer derartigen Schwenkstellung des Ablenkers bleibt die Geometrie
der Oberseite der aerodynamischen Fläche unverändert, wobei die aerodynamischen
Leistungsdaten dieser Letzteren durch die Veränderung der Dicke und der Divergenz
der Hinterkante verbessert werden, was außerdem das Auftreten des Flatterns
verzögert.
-
Die Steuerung des oder der Ablenker
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform
der Steuerung können
der oder die Ablenker in eine feste Stellung mit einem Winkelausschlag
um einen bestimmten einstellbaren Wert gebracht werden. Dabei handelt
es sich um ein statisches Ausschlagen, das demjenigen gemäß der Druckschrift
US 4 867 396 ähnlich ist,
welches einen Druckunterschied an der Hinterkante zwischen der Unterseite
und der Oberseite erzeugt, was die Hecklast der aerodynamischen
Fläche
durch Abänderung
der Dicke und der Divergenz der Hinterkante vergrößert. Daher:
-
- – erzeugt
bei fester Mach-Zahl und festem Anstellwinkel das Ausschlagen des
Ablenkers ein Zurücksetzen
der mittleren Lage des aerodynamischen Stoßes zur Hinterkante und eine
Erhöhung
der Hecklast, was eine deutliche Erhöhung der Auftriebszahl mit sich
bringt;
- – werden
bei gegebener Mach-Zahl und gegebener Auftriebszahl (Marschflug)
die aerodynamischen Leistungsdaten der aerodynamischen Fläche bei
einer Verminderung des Luftwiderstandes verbessert.
-
Als Variante können der oder die Ablenker
zu einer Bewegung um eine mittlere Schwenkstellung angeregt werden.
Es handelt sich dabei um eine dynamische Steuerung, die den oder
die Ablenker bei einer Frequenz zwischen einigen Hz und einigen
kHz schwingen lässt.
-
Man kann somit das Flattern mit oder
ohne Stoßwelle
auf aktive Art und Weise unter Kontrolle bringen, da der verlauf
des Ausschlagens des Ablenkers zu jedem Zeitpunkt direkt vom Niveau
der Ablösungserscheinung
oder von der Position des Stoßes abgeleitet
wird.
-
Die Bestimmung des Niveaus der Ablösungserscheinung
und die Bestimmung der Position des Stoßes im Überschallbereich erfolgen vorzugsweise
mit Hilfe von instationären
Messungen des Drucks. Sie könnten
auch mit anderen Mitteln wie Reibungssonden, wärmeempfindlichen Oberflächenschichten
usw. ermittelt werden. Die Verarbeitung dieser Daten ermöglicht,
zu jedem Zeitpunkt die Niveaus der Intensität der Ablösungserscheinungen oder die
Lage des Stoßes
zu lokalisieren.
-
Sobald die längs der aerodynamischen Fläche angebrachten
instationären
Aufnehmer das Auftreten von Instabilitäten anzeigen, kommt die aktive dynamische
Steuerung in geschlossener Schleife zur Wirkung. Das Flattern wird
daher beim Auftreten von aerodynamischen Instabilitäten bearbeitet,
bevor es die Struktur zu Eigenschwingungen hat anregen können.
-
Zusätzlich zu den instationären Druckmessungen
können
die entstehenden Schwingungen durch Dehnungsmesser und/oder Beschleunigungsmesser
berücksichtigt
werden und in den Verlauf der Steuerung der Ablenker eingespeist
werden, um die Leistungsdaten der Einheit zu verbessern.
-
Damit der erfindungsgemäße Ablenker
wirksam wird, bedarf er keiner großen Profilsehne. Signifikante
Ergebnisse sind mit Ablenkern erhalten worden, deren Profilsehne
beispielsweise höchstens gleich
drei Hundertstel der Profilsehne der aerodynamischen Fläche beträgt.
-
Außerdem kann in der eingefahrenen
Endstellung des Ablenkers die hintere Kante desselben mit der hinteren
Kante des Ansatzes der Hinterkante ausgerichtet werden. Als Variante
könnte
in dieser Stellung die hintere Kante des Ablenkers gegenüber der
hinteren Kante des Ansatzes der Hinterkante einen Vorsprung bilden.
-
Die aerodynamische Fläche kann
einen einzigen Ablenker aufweisen, der sich über ihre gesamte Spannweite
oder wenigstens über
den größten Teil derselben
erstreckt. Als Variante kann sie einen oder mehrere Ablenker mit
begrenzter Spannweite aufweisen, der/die an Stellen angeordnet ist/sind,
wo die instationären
Erscheinungen (Schwankung des Stoßes oder der Ablösung) auftreten
und am stärksten sind.
Die unterschiedlichen Ablenker können
sowohl gemeinsam als auch unabhängig
voneinander gesteuert werden.
-
Man wird feststellen, dass man in
der vorliegenden Erfindung unter "Hinterkante" genau wie im Patent
US 4 867 396 die Hinterkante
der Einheit der betroffenen aerodynamischen Fläche, d.h. die über die
Außenabmessungen
erfasste Fläche
gemeint ist. In dem Fall, wo die aerodynamische Fläche Klappen der
Hinterkante aufweist und die Hinterkante die vorliegenden Erfindung
betrifft, sind daher, was die Flügelklappen
anbelangt, diese derartige Klappen. Im Fall einer Tragfläche beim Überschallflug
kann die betroffene Hinterkante aus Hinterkanten mit festen Elementen
(beispielsweise Tragfläche)
und Hinterkanten mit beweglichen Elementen (beispielsweise Tragflächenklappen)
bestehen. Ein erfindungsgemäßer Ablenker
kann sich daher nicht zwischen zwei Elementen befinden, die sich
hinsichtlich der Profilsehne gegenüberstehen, wie beispielsweise
an der Hinterkante eines festen Hauptelements, welches einem beweglichen
hypertragenden Element gegenüber
steht, da eine solche Hinterkante nicht zur Bildung der Hinterkante über die
gesamte aerodynamische Fläche
beiträgt.
-
Nachdem diese Anmerkung gemacht worden
ist, wird man feststellen, dass das Patent US-5 294 080 eine Tragfläche betrifft,
die ein festes Hauptelement und ein bewegliches hyperstabiles Element aufweist,
welches dazu bestimmt ist, den Auftrieb der Tragfläche in den
Phasen des Flugs mit niedriger Geschwindigkeit zu erhöhen. Diese
Druckschrift zeigt, dass der Auftrieb einer derartigen Tragfläche dadurch
erhöht
werden kann, dass man einen beweglichen Ablenker zwischen die beiden
Elemente der Tragfläche
einbringt. Dieser bewegliche Ablenker funktioniert entweder insgesamt
oder gar nicht. In den Phasen des Flugs bei Überschallgeschwindigkeit ist
das hyperstabile Element in die Flügelwölbung des festen Hauptelements
des Tragwerks integriert, wobei der Ablenker dann im Hauptelement
verschwindet; er erfüllt
keinerlei Funktion. In den Phasen des Flugs mit niedriger Geschwindigkeit
wird dieser Ablenker in eine Stellung rechtwinklig zur Oberseite der
Hinterkante des festen Hauptelements ausgefahren; der Ablenker verändert die
Verteilung der Ablösung
zwischen Unterseite und Oberseite des beweglichen Elements.
-
Man wird außerdem feststellen, dass die Funktion
des erfindungsgemäßen Ablenkers
keine Erhöhung
der Hyperstabilität
während
der entsprechenden Flugphasen des Starts und der Landung mit sich
bringt.
-
Die Abbildungen der beigefügten Zeichnung sollen
verdeutlichen, wie die Erfindung verwirklicht werden kann. In diesen
Abbildungen bezeichnen übereinstimmende
Bezugszahlen einander entsprechende Bauteile.
-
1 zeigt
schematisch in einer Perspektivdarstellung von oben einen Teil einer
erfindungsgemäßen Flugzeugtragfläche.
-
2 veranschaulicht
im vergrößerten Maßstab die
Einzelheit II der 1.
-
3 und 4 veranschaulichen jeweils
in der eingezogenen bzw. ausgefahrenen Endstellung den Ablenker
der Tragfläche
der 1.
-
5 veranschaulicht
Mittel zur statischen Steuerung des erfindungsgemäßen Ablenkers.
-
6 ist
ein vergleichendes Diagramm, welches die Polarkurven der Tragfläche der 1 zeigt, wobei sich der
Ablenker in der eingefahrenen Endstellung bzw. in der um 15° geschwenkten
Stellung befindet.
-
7 ist
eine schematische Darstellung, welche Mittel zur aktiven dynamischen
Steuerung des erfindungsgemäßen Ablenkers
zeigt.
-
8 veranschaulicht
die Wirkung des Ablenkers der 7 und
seiner Steuerungsmittel im Fall des Flatterns.
-
9 ist
ein vergleichendes Diagramm, welches die Wirkung des Ausschlagens
des erfindungsgemäßen Ablenkers
auf das Auftreten des Flatterns zeigt.
-
Der in 1 dargestellte
Teil der Flugzeugtragfläche 1 umfasst
eine Oberseite 2 und eine Unterseite 3, die vorn
durch eine Vorderkante 4 und hinten durch eine Hinterkante 5 miteinander
verbunden sind.
-
Wie in 2 im
vergrößerten Maßstab ersichtlich
ist, nähern
sich die Oberseite 2 und die Unterseite 2 einander
nach hinten zu, um einen Ansatz der Flügelinterkante 6 zu
bilden. Dieser Ansatz 6 umfasst mindestens eine Aussparung 7,
die nur in der Dicke der Unterseite 3 vor der Hinterkante
angelegt ist und sich bis zu dieser erstreckt. Daher besteht die Hinterkante 6A des
Ansatzes 6 aus einem Teil mit verminderter Dicke der Hinterkante 5.
-
In der Unterseitenaussparung 7 ist
mindestens ein beweglicher Ablenker 8 angebracht, welcher mit
seinem vorderen Teil um eine Achse 9, die wenigstens etwa
parallel zur Hinterkante 5 verläuft, gelenkig angeordnet ist.
Wie in 1 dargestellt
ist, ist die Profilsehne c des Ablenkers 8 klein gegenüber der
Profilsehne C des Profils der Tragfläche 1. Die Profilsehne
c des Ablenkers 8 beträgt
einige Hundertstel, beispielsweise höchstens drei Hundertstel, der
Profilsehne C der Tragfläche 1.
Der Ablenker 8 (siehe 2)
kann durch Drehung um die Achse 9:
-
- – entweder
eine eingefahrene Endstellung 8R einnehmen (siehe auch 3), für welche der Ablenker B sich
völlig
in der Aussparung 7 der Unterseite befindet. und die Kontinuität der Unterseite
gewährleistet;
- – oder
eine beliebige von einer Anzahl von ausgefahrenen Stellungen 8I einnehmen
(von denen eine in 5 dargestellt
ist), für
welche der Ablenker 8 mit seinem hinteren Teil über die
Aussparung 7 der Unterseite hinaus geschwenkt ist.
-
In 4 ist
der Ablenker in seiner ausgefahrenen Endstellung 8D dargestellt.
-
Es ist ersichtlich, dass in der eingefahrenen Endstellung 8R (3) die hintere Kante 8A des
Ablenkers 8 mit der hinteren Kante 6A des Ansatzes 6 zusammenwirkt,
um die Hinterkante 5 zu bilden, wobei die hintere Kante 8A des
Ablenkers 8 mit der hinteren Kante 6A des Ansatzes
der Hinterkante 6 fluchtet.
-
Wie in 3 punktiert
dargestellt ist, könnte jedoch
die Profilsehne c des Ablenkers 8 ausreichend groß sein (wobei
diese dennoch klein gegenüber
der Profilsehne C der Tragfläche 1 bleibt),
damit die hintere Kante 8A des Ablenkers in der eingefahrenen
Stellung des Ablenkers über
die hintere Kante 6A des Ansatzes der Hinterkante 6 hinaus
ragt.
-
Bei der Flügelspannweite kann sich der
Ablenker 8 über
die Gesamtheit der Flügelspannweite der
Tragfläche 1 erstrecken,
d. h. über
die gesamte Länge
der Hinterkante 5. wie in 1 punktiert
dargestellt ist, kann jedoch die Tragfläche 1 einen oder mehrere
Ablenker 8 aufweisen, die im Bezug auf die Spannweite der
Tragfläche 1 eine
begrenzte Länge
1 haben.
-
Um jeden Ablenker 8 zu betätigen, kann
man eine Antriebsvorrichtung 10 vorsehen, die mit dem Ablenker 8 über ein
Gestänge 11 verbunden
ist und über
eine Verbindung 12 Steuerbefehle aufnimmt.
-
In 6 ist
die Polarkurve 13 der Tragfläche 1 dargestellt,
wenn der Ablenker sich in der eingefahrenen Endstellung 8R der 3 befindet, sowie die Polarkurve 14 der
Tragfläche,
wenn der Ablenker 8 um einen Winkel a (siehe 5) gleich 15° geschwenkt
ist. Mit einem solchen statischen Ausschlagen erzeugt der Ablenker 8 einen
Druckunterschied an der Hinterkante 5 zwischen der Unterseite 3 und der
Oberseite 2, was durch die Änderung der Dicke und der Divergenz
der Hinterkante 5 eine Erhöhung der Hecklast der Tragfläche 1 bewirkt.
Das bringt auch ein Zurücksetzen
des Eintritts in den Flatterzustand mit sich, wie das in
-
9 veranschaulicht
ist. In dieser Abbildung sind die Druckschwankungen ΔP/P an einem Punkt
der Oberseite der aerodynamischen Fläche 1 in Abhängigkeit
von der Auftriebszahl Cz dargestellt, wobei die Kurve 19 einem
Winkel a gleich 0° und
die Kurve 20 einem Winkel a gleich 15° entspricht. In den Kurven 19 und 20 sind
die Eintritte in den Flatterzustand jeweils mit den Pfeilen 21 bzw. 22 dargestellt. Die 9 veranschaulicht die deutliche
Erhöhung der
Auftriebszahl des betrachteten Profils für ein Ausschlagen um 15° bei fester
Machzahl und festem Anstellwinkel.
-
Die Kurven 13 und 14 der 6 veranschaulichen die Erhöhung des
Auftriebs und/oder die Verringerung des Luftwiderstandes, die durch
den Ablenker bewirkt werden.
-
In 7 findet
man die Tragfläche 1,
den Ablenker 8, die Antriebsvorrichtung 10, das
Gestänge 11 sowie
die Verbindung 12 zur Steuerung wieder. In diesem Fall erhält jedoch
die Antriebsvorrichtung 11 über die Verbindung 12 Befehle
zur dynamischen Steuerung, welche von einer Vorrichtung 15 stammen,
die einen Rechner enthält
und die selbst ihre Informationen von einer Anzahl von Aufnehmern 16.1, 16.2,
..., 16.n erhält,
die über
die Oberseite 2 der Tragfläche 1 verteilt sind.
Diese Aufnehmer 16.1 bis 16.n, die beispielsweise
Druckaufnehmer sind, ermöglichen
es, auf der Oberseite 2 das Niveau der instationären Ablösung der
Strömung
sowie die Position des Stoßes
im Überschallbereich
dergestalt zu registrieren, dass der Rechner der Vorrichtung 15 den Ausschlagwinkel
a, auf den der Ablenker 8 einzustellen ist, berechnen kann.
-
Die Vorrichtung 15 steuert
das Ausschlagen des Ablenkers 8 zu jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit vom
Niveau der instationären
Ablösung
der Strömung
und von der Lage des Stoßes
beispielsweise auf oszillierende Weise.
-
Sobald die Aufnehmer 16.1 bis 16.n das
Auftreten von Instabilitäten
der Strömung
feststellen, wirkt die Vorrichtung 15 für die aktive Steuerung mit Hilfe
der Antriebsvorrichtung 10 und des Gestänges 11 auf den Ablenker.
Das Flattern wird daher bereits beim Auftreten von aerodynamischen
Instabilitäten verarbeitet,
also bevor es die Tragfläche 1 zu
Eigenschwingungen erregen kann.
-
In 8 ist
in einem Diagramm, dessen Ordinate eine auf die Profilsehne C der
Tragfläche 1 genormte
Stellung angibt und auf dessen Abszisse die Zeit t aufgetragen ist,
der Einfluss der Wirkung des von der Vorrichtung 15 und
den Aufnehmern 16.1 bis 16.n dynamisch gesteuerten
Ablenkers 8 dargestellt. In dieser 8 stellt die Kurve 17 die Amplitude
der Instabilitäten
der Strömung
auf die Tragfläche 1 bei nicht
erfolgter Steuerung des Ablenkers 8 dar, während die
Kurve 18 dieselbe Amplitude bei Unterdrückung der Instabilitäten durch
den Ablenker 8 darstellt.
-
Aus dem vorangegangenen ist leicht
verständlich,
dass der oder die Ablenker 8 ebenfalls als Hilfe für die Steuerung
des Luftfahrzeugs benutzt werden können, welches die Tragfläche 1 aufweist, oder
um in diesem Luftfahrzeug:
-
- – die
aerodynamischen Instabilitäten,
die auf die Ablösungserscheinungen
im Bereich niedriger Geschwindigkeiten ohne Stoßwelle zurückzuführen sind, und
- – die
Instabilitäten,
die auf die atmosphärischen
Turbulenzen zurückzuführen sind,
zu
vermindern.
-
Außerdem wird klar, dass der
Ablenker 8 an der Unterseite der Hinterkante jeder anderen
aerodynamischen Fläche
wie beispielsweise des profilierten Mastes einer Triebwerksgondel
vorgesehen werden kann, anstatt ihn an einer Flugzeugtragfläche vorzusehen,
wie das oben beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt worden
ist. Es versteht sich von selbst, dass ein derartiger Ablenker,
der mit einem derartigen Mast verbunden ist, die lokalen Instabilitäten, die
auf die Ablösungserscheinungen
mit oder ohne Stoßwelle
in der Umgebung des Mastes zurückzuführen sind,
vermindern kann.