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Diese
Erfindung betrifft ein hinteres Ausstoßteil mit Schubumkehrvorrichtung
eines Zweikreis-TL-Triebwerks in Zweiwellenanordnung mit variablem
Zyklus, das den Antrieb eines zivilen Überschallflugzeugs gewährleisten
soll.
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Insbesondere
betrifft sie eine Gasstrahl-Ausstoßvorrichtung für ein Strahltriebwerk
eines Überschallflugzeugs,
die umfasst
- – eine Hauptdüse mit mehreren
Klappen mit variablem Querschnitt, die hinter einer Primärleitung angeordnet
ist und aus der in Betrieb ein Primärgasstrom entweicht,
- – eine
Nebendüse
mit mehreren Klappen mit variablem Querschnitt, die hinter einer
Nebenleitung angeordnet ist, welche die Primärleitung umgibt und aus der
in Betrieb ein Nebengasstrom entweicht, wobei sich diese Nebendüse nach
hinten über
die Ausstoßöffnung der
Hauptdüse
hinaus fortsetzt,
- – eine
Verkleidung, die die Nebenleitung umgibt und hinter der Ausstoßöffnung der
Nebendüse eine
Verengung und dahinter einen divergierenden Teil aufweist,
- – eine
Schubumkehrvorrichtung mit zwei identischen Schalen, die beiderseits
einer axialen Symmetrieebene schwenkbar an der Verkleidung sitzen
und entweder eine aktive Stellung oder Schubumkehrstellung einnehmen,
bei der sie hinter der Verkleidung quer in den Gasstrahl hineinragen, um
diesen Strahl nach vorn umzuleiten, oder eine Ruhestellung oder
Direktstrahl-Stellung einnehmen, bei der sie sich in der Verlängerung
der Verkleidung befinden,
- – Mittel
zur Steuerung der Klappen der Hauptdüse und der Nebendüse, sowie
- – Mittel
zur Steuerung der Schalen.
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Bei
einer solchen Ausstoßvorrichtung
werden Schubumkehr-Schalen nach einem bekannten Prinzip verwendet,
das bei der Ausstoßvorrichtung zur
Anwendung kommt, mit der das unter dem Namen Concorde bekannte zivile
Transportflugzeug ausgerüstet
ist. Die Schalen sind jeweils dergestalt angebracht, dass sie um
eine quer verlaufende Achse schwenken können, welche sich nahe der
Symmetrieebene befindet, so dass der Austrittsquerschnitt der Ausstoßgase des
Triebwerks in Abhängigkeit
von den Flugphasen geregelt werden kann. Die Breite des Spalts zwischen
dem vorderen Ende der Schalen und dem hinteren Ende der Verkleidung
ist abhängig
von dem Schwenkwinkel der Schalen und variiert in Abhängigkeit
von den Flugphasen. Eine gewisse Menge von Tertiärluft, die vom Ende der Verkleidung
kommt, dringt durch diesen Spalt und vermischt sich mit dem Gasstrom.
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Aus
US-A-4 052 007 ist ferner eine zweidimensionale Ausstoßdüse bekannt,
die den Ausstoß eines
einzigen Strahls steuert und zwei Primärklappen aufweist, die axial
versetzbar sind, sowie zwei hintere Klappen aufweist, die in einer
Drehbewegung schwenkbar sind.
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In
US-A-3 734 411 ist eine Schubumkehrvorrichtung beschrieben, die
zwei Klappelemente aufweist, welche mit Klappen verbunden sind,
die sich nach außen öffnen, um
Luftbremsen zu bilden, und die durch einen einzigen Zylinder und
einen Satz Schwingarme gesteuert werden.
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Diese
Erfindung hat zur Aufgabe, eine neue Kinematik für diese Schalen vorzuschlagen,
mit der es möglich
wird, die Funktion in der Überschall-Reiseflugphase
und in bestimmten anderen Phasen des Fluges zu optimieren.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, dass
die beiden Schalen an der Verkleidung jeweils über zwei seitliche Schwingarme
angebracht sind, die gegenüber
der Verkleidung frei um eine quer verlaufende Geometrieachse schwenken
können, welche
sich nahe bei der axialen Symmetrieebene befindet, und dass sie
jeweils durch mindestens einen Außenzylinder festgehalten werden,
der an der Verkleidung verankert ist und an einer Stelle der entsprechenden
Schale anliegt, die von der genannten axialen Symmetrieebene entfernt
ist, und durch mindestens einen Innenzylinder festgehalten werden, der
an der Verkleidung verankert ist und an einer Stelle der entsprechenden
Schale wirkt, die nahe an der genannten axialen Symmetrieebene liegt,
und dadurch, dass die Steuermittel der beiden Schalen von diesen
Außenzylindern
und diesen Innenzylindern gebildet werden.
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Vorteilhafterweise
können
durch die Betätigung
der Innenzylinder die beim Direktstrahl-Betrieb erforderlichen Konfigurationen
erzielt werden, und durch die Betätigung der Außenzylinder
kann die Umkehrschub-Konfiguration erzielt werden.
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Während des
Betriebs mit kontinuierlichem Strahl haben die Außenzylinder
eine im Wesentlichen gleichbleibende Länge und dienen als zusätzliche
Schwingarme, wobei die Schalen über
einen Freiheitsgrad verfügen.
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Vorzugsweise
wird jede Schale von zwei synchronisierten Innenzylindern und von
zwei synchronisierten Außenzylindern
gehalten, die beiderseits der axialen Symmetrieachse dieser Schale
angeordnet sind. Die Verkleidung ist insgesamt um die Geometrieachse
der Primärleitung
umlaufend ausgeführt.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung enthält die Hauptdüse eine
Vielzahl von gesteuerten Primärstrom-Klappen,
die in Abwechslung mit einer Vielzahl von Nachfolge-Primärstrom-Klappen angeordnet
sind, und die Nebendüse
enthält
eine Vielzahl von gesteuerten Mantelstrom-Klappen, die in Abwechslung
mit einer Vielzahl von Nachfolge-Mantelstrom-Klappen
angeordnet sind.
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Die
Steuermittel der Primärstrom-Klappen und
der Mantelstrom-Klappen bestehen aus einem einzigen, axial bewegbaren
Steuerring, der um die Mantelstrom-Klappen herum angeordnet ist,
sowie aus einer Vielzahl von Hebeln, die mit ihrem mittleren Bereich
an den gesteuerten Mantelstrom-Klappen angelenkt sind und deren
erstes Ende an dem Steuerring angelenkt ist, sowie aus einer Vielzahl
von Schwingarmen, die die gesteuerten Primärstrom-Klappen mit den zweiten
Enden der Hebel verbinden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
hervor, die als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erfolgt, wobei
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1 im
Schnitt ein Turbotriebwerk zeigt, bei dem die Erfindung anwendbar
ist,
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2 bis 6 die
Winkelpositionen der einzelnen Klappen in verschiedenen Flugkonfigurationen
zeigen,
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7 die
Veränderungsregel
des Querschnitts der Nebendüse
in Abhängigkeit
vom Querschnitt der Hauptdüse
zeigt,
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8 im
Detail das Steuersystem der Klappen der Hauptdüse und der Nebendüse zeigt,
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9 den
Aufbau von gesteuerten Klappen und Nachfolge- Klappen zeigt,
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10 in
einer seitlichen Halbansicht der Tertiärdüse schematisch die Kinematik
der Schalen zeigt, wobei diese sich in einer Überschallflug-Konfiguration
befinden,
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11 die
Winkelposition der Schalen beim Starten zeigt,
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12 die
Konfiguration der Schalen in Unterschall-Drehzahl zeigt, und
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13 die
Schalen in der Schubumkehr-Konfiguration zeigt.
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1 zeigt
ein Turbotriebwerk, bei dem die Erfindung anwendbar ist. Der hintere
Körperteil 1 dieses
Turbotriebwerks mit der Achse 2 weist eine Hauptdüse mit Primärstrom-Klappen 4 auf,
die am hinteren Ende einer Primärleitung 5 angelenkt
sind, in welcher ein Primärgasstrom
F1 von aus den Turbinen 6 kommenden heißen Gasen zirkuliert, sowie eine
Nebendüse
mit Mantelstrom-Klappen 8, die am hinteren Ende einer Nebenleitung 9 angelenkt
sind, welche die Primärleitung 5 umgibt
und mit dieser zusammen einen ringförmigen Durchlass 10 für einen Frischluftstrom
F2 umgrenzt, sowie eine Verkleidung 11, die die Nebenleitung 9 umgibt
und hinter der Ausstoßöffnung 12 der
Nebendüse
eine Verengung 13, einen sogenannten Düsenhals, und dahinter einen divergierenden
Teil 14. Unmittelbar hinter der Verkleidung 11 ist
eine dritte Düse 15 vorgesehen,
die von zwei Schalen 16 und 17 gebildet wird,
welche beiderseits einer durch die Achse 2 verlaufenden
axialen Symmetrieebene P1, die im rechten Winkel zu 1 steht,
angeordnet sind und geeignet sind, um parallel zur Ebene P1 quer
verlaufende, feste Geometrieachsen 18 bzw. 19 schwenkbar
angebracht sind.
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Die 2 bis 6 zeigen
die Winkelpositionen der Primärstrom-Klappen 4,
der Mantelstrom-Klappen 8 und der Schalen 16, 17 in
Abhängigkeit
von den verschiedenen Flugbedingungen:
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2 zeigt
die Konfiguration im Überschall-Reiseflugbetrieb
mit der Geschwindigkeit von M = 2;
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3 zeigt
die Konfiguration der einzelnen Klappen im Betrieb bei schallnaher
Geschwindigkeit von M = 1,2;
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4 zeigt
die Konfiguration im Unterschall-Reiseflugbetrieb bei M = 0,95;
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5 zeigt
die Konfiguration im Start-Betrieb bei M = 0,3; und
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6 zeigt
die Position der Schalen bei der Landung, wobei diese Schalen in
den Gasstrahl hineinragen und den Schub der verbrannten Gase umkehren,
indem sie sie zur Vorderseite des Turbotriebwerks hin leiten.
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In 7 wurde
mit der Kurve C1 die Veränderungsregel
des Querschnitts der Nebendüse
in Abhängigkeit
vom Querschnitt der Hauptdüse
dargestellt, wobei die Punkte der Kurve C1, die die Bezugszeichen
C21, C22, C23, C24 tragen, den Konfigurationen des Starts bzw. des
Betriebs bei schallnaher Geschwindigkeit von M = 1,2, bzw. dem Überschall-Reiseflugbetrieb
bei M = 2 bzw. dem Unterschall-Reiseflugbetrieb bei M = 0,95 entsprechen.
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Die
Primärstrom-Klappen 4 der
Hauptdüse und
die Mantelstrom-Klappen 8 der Nebendüse weisen in bekannter Weise
eine Vielzahl von gesteuerten Klappen auf, die zwischen einer Vielzahl
von Nachfolge-Klappen angeordnet sind. Die gesteuerten Primärstrom-Klappen 4 und
die gesteuerten Mantelstrom-Klappen 8 werden zusammen mittels
eines einzigen Steuersystems 30 betätigt, das die Veränderungsregel
C1 des Querschnitts der Nebendüse
in Abhängigkeit
vom Querschnitt der Hauptdüse
gewährleistet.
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Dieses
Steuersystem 30, das in 8 dargestellt
ist, weist einen Steuerring 31 mit der Achse 2, der
sich zwischen den Mantelstrom-Klappen 8 und der Verkleidung 11 befindet
und durch synchronisierte Teleskopzylinder 33, die an der
Nebenleitung 9 verankert sind, parallel zur Achse 2 verschoben
werden kann. Jede Mantelstrom-Klappe 8, die dergestalt an
der Nebenleitung 9 verankert sind, dass sie um die Achse 34 schwenken
kann, ist mit dem Steuerring 31 durch den äußeren Arm 35 eines
Hebels 36 verbunden, dessen mittlerer Teil an der Mantelstrom-Klappe 8 angelenkt
ist, so dass er um eine Achse 37 schwenken kann, die parallel
zur Gelenkachse 34 verläuft.
Das Ende des Arms 35 ist über eine parallel zur Gelenkachse 34 verlaufende
Achse 38 an dem Steuerring 31 angelenkt.
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Jede
gesteuerte Primärstrom-Klappe 4 ist dergestalt
an der Primärleitung 5 angelenkt,
dass sie um eine Achse 40 schwenken kann, die parallel
zur Gelenkachse 34 der entsprechenden gesteuerten Mantelstrom-Klappe 8 an
der Nebenleitung 9 verläuft.
Wenigstens ein Schwingarm 41, dessen eines Ende in 42 an
der Primärstrom-Klappe 4 angelenkt ist,
und dessen anderes Ende in 43 am inneren Ende des Hebels 36 angelenkt
ist, ermöglicht
es, die Winkelposition jeder Primärstrom-Klappe 4 in
Abhängigkeit
von der Winkelposition der entsprechenden Mantelstrom-Klappe 8 zu
steuern. Die Abmessungen, Positionen und Formen der Hebel 36 und
der Schwingarme 41 sind dergestalt vorgesehen, dass sie
die Veränderungsregel
C1 der Querschnitte der Hauptdüse
und der Nebendüse,
wie in 7 definiert, einhalten.
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In
funktionaler Hinsicht bewirken die Teleskopzylinder 33 die
parallel zur Achse 2 des Turbotriebwerks erfolgende Verschiebung
des Steuerrings 31. Diese Bewegung bewirkt das Schwenken
der gesteuerten Mantelstrom-Klappen 8 und der Nachfolge-Mantelstrom-Klappen
um Gelenkachsen 34, und zwar durch die Drehbewegung der äußeren Arme 35 der
Hebel 36. Diese gleiche Verschiebung des Steuerrings 31 und
das Schwenken der Hebel 36 um Gelenkachsen 37 ziehen
die synchronisierte Bewegung der Schwingarme 41 und damit
die Drehbewegung der gesteuerten Primärstrom-Klappen 4 und
der Nachfolge-Primärstrom-Klappen um die Gelenkachse 40 nach
sich.
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Die
Bezugszeichen C21, C22, C23, C24 in 8 entsprechen
den Winkelpositionen der Primärstrom-Klappen 4 und
der Mantelstrom-Klappen 8 in den Konfigurationen des Starts
bzw. des Betriebs bei schallnaher Geschwindigkeit von M = 1,2, bzw.
dem Überschall-Reiseflugbetrieb
bei M = 2 bzw. dem Unterschall-Reiseflugbetrieb bei M = 0,95. Es
ist zu bemerken, dass beim Übergang
von C22 zu C23 in 7 die Gelenkpunkte 42, 43 und 37 in
der Zwischenposition fluchten und, wie 8 zeigt,
dass die Klappen 8 die Schließbewegung weiter fortsetzen, während die
Klappen 4 eine weiter geöffnete Position einnehmen.
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Verbindungs-Schwingarme 44 verbinden das
hintere Ende der Primärleitung 5 mit
dem hinteren Ende der Nebenleitung 9. Das hintere Ende
der Nebenleitung 9 ist ferner über Verbindungs-Schwingarme 45 mit
der Verkleidung 11 verbunden. Die Verbindungs-Schwingarme 44 und 45 gewährleisten
die Versteifung der Tragaufbauten der Gelenke 40 und 34 der
Primärstrom-Klappen 4 und
der Mantelstrom-Klappen 8.
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Jegliche
gesteuerte Klappe, ob 4 oder 8, weist einen Aufbauteil 50,
der die Gelenkachsen 40 oder 34 hält, sowie
Sohlen 51 auf. Letztere müssen den Kräften standhalten, die durch
den Innendruck in der Düse
entstehen. Die Nachfolge-Klappen 4s oder 8s weisen
Sohlen 52, 53 auf, die in beiden Richtungen Dichtigkeit
gewährleisten.
Die Nachfolge-Klappen 8s, die zu der Nebendüse gehören, erfahren
keine Umkehr des druckbedingten Abstands und können daher aus einer einzigen
Sohle 53 bestehen.
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Die
Kinematik und das gemeinsame Steuersystem für die Primärstrom- und Mantelstrom-Klappen bieten Vorteile
hinsichtlich der Masse und des Platzbedarfs und erzeugen weniger
Verluste und Belastung.
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Die
Verkleidung 11 ist insgesamt um die Geometrieachse 2 der
Primärleitung 5 umlaufend
ausgeführt.
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Die
Schalen 16, 17, die die dritte Düse 15 bilden,
die unmittelbar hinter der Verkleidung 11 angeordnet ist,
und die beim Landen die Schubumkehr bewirken, sind dergestalt an
der Verkleidung 11 angebracht, dass sie sich um zwei verschiedene
Drehachsen drehen können.
Die eine dieser Achsen ermöglicht
es, die beiden Schalen 16 und 17 in die richtige Position
für die
während
des Direktstrahl-Betriebs erforderlichen Konfigurationen zu bringen.
Die andere Achse steuert die Betätigung
der beiden Schalen 16 und 17 während der Schubumkehr-Konfiguration.
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Dazu
ist jede der Schalen 16 und 17 mittels zwei seitlicher
Schwingarme 60 an einem Aufbau der Verkleidung 11 befestigt.
Die Schwingarme 60 sind an der Verkleidung 11 dergestalt
angebracht, dass sie frei um eine parallel zur Ebene P1 quer verlaufende
Geometrieachse 61 schwenken können, und sind mit einer Innenkante
der Schalen 16 und 17 dergestalt verbunden, dass
sie um eine parallel zur Querachse 61 liegende Achse 62 schwenken
können.
Andererseits wird jede der Schalen 16 und 17 an
der Verkleidung 11 durch zwei innere Teleskopzylinder 63 und
zwei äußere Teleskopzylinder 64 festgehalten,
wobei diese Zylinder beiderseits der Symmetrieebene jeder Schale 16, 17 angeordnet
sind. Die inneren Zylinder 63 kommen an der Verkleidung 11 an dem
Punkt mit der Bezugszahl 65 in Anlage, und das Ende ihres
Schafts ist an der entsprechenden Schale am Punkt 66 angelenkt.
Die äußeren Zylinder 64 kommen
an der Verkleidung 11 an dem Punkt mit der Bezugszahl 67 in
Anlage, und das Ende ihres Schafts ist an der entsprechenden Schale
am Punkt 68 angelenkt. Die von den Gelenkpunkten 66 definierte
Gelenkachse liegt näher
an der Ebene P1 als die Gelenkachse 62, während die
von den Gelenkpunkten 68 definierte Gelenkachse weiter
entfernt von der Ebene P1 liegt als die Gelenkachse 62 der
Schwingarme 60 an der entsprechenden Schale.
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Wenn
das Ausstoßsystem
in Betrieb ist, tritt jeder Zylindersatz 63, 64 abwechselnd
in Aktion, je nach der Bewegung, die den Schalen 16, 17 mitzuteilen
sind.
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Während des
Direktstrahlbetriebs behalten die äußeren Zylinder 64 ihre
Länge bei
und üben
so nur die Funktion eines Schwingarms mit variabler Länge aus.
Die Verbindung der Pseudo- Schwingarme 64 mit
den Schwingarmen 60 gegenüber dem Aufbau der Verkleidung 11 stellt
also ein System mit einem Freiheitsgrad dar: Das durch die Achsen 67, 68, 62 und 61 definierte
Polygon ist verformbar, und seine Verformung bestimmt die Verschiebungen
der Schalen 16, 17. Diese Verschiebung wird durch
die inneren Teleskopzylinder 63 gewährleistet.
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Die 10 bis 12 zeigen
die Winkelpositionen der Schalen 16, 17 im Überschall-Betrieb
bei M = 2 bzw. beim Start bzw. im Unterschall-Betrieb bei M = 0,95.
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In
der Schubumkehrphase werden die inneren Zylinder 63 bei
feststehender Länge
gehalten, was die Drehmöglichkeiten
der Schwingarme 60 einschränkt. Das Schwenken der Schalen 16, 17 in
die Schubumkehrposition, wie in 13 dargestellt,
wird durch die äußeren Zylinder 64 gewährleistet.
Diese Bewegung der Schalen 16, 17 ähnelt sehr
derjenigen, die mit dem System mit feststehender Drehachse bei der
Concorde erfolgt.
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Im
Direktstrahlbetrieb dagegen kann die Zufuhr der Außenluft
F3, der sogenannten Tertiärluft, während der
Betriebsphasen in Unterschallgeschwindigkeit, die bei dem Flugzeug
Concorde in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel der Schalen erfolgt, welcher seinerseits vom
erforderlichen Gasausstoßquerschnitt
abhängt,
mit dem in dieser Erfindung vorgeschlagenen System mit doppelter
Steuerung unabhängig
vom Gasausstoßquerschnitt
durch simultane Betätigung
der äußeren Zylinder 64 und
der inneren Zylinder 63 geregelt werden.
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Außerdem können besondere
Konfigurationen je nach den gewünschten
Anpassungen für
besondere Anwendungen erzielt werden, indem für einen Direktstrahlbetrieb
und/oder für
einen Schubumkehrbetrieb die inneren Zylinder 63 und die äußeren Zylinder 64 gleichzeitig
betätigt
werden.
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Außerdem wird
darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf Grund der doppelten Steuerung
der Schalen 16 und 17 einen weiteren Vorteil bietet.
Im Falle eines Defekts der einen Steuerung, der die Schale in einer
unerwünschten
Stellung blockiert, kann nämlich
mit der zweiten Steuerung die Konfiguration modifiziert werden,
so dass die schädlichen Auswirkungen
des Defekts minimiert werden.