-
Die
Erfindung bezieht sich auf die Linderung von Ermüdungserscheinungen bei einem
Flugzeug, während
sämtlicher
Phasen des Boden-Luft-Boden-Zyklus (GAG).
-
Wegen
des steigenden Bedarfs bei internationalen Luftreisen und beim Luftverkehr
allgemein hat man die Notwendigkeit erkannt, Größe und Effizienz sowohl von
Passagierflugzeugen als auch von Transportflugzeugen zu vergrößern. Die
Kunden wünschen
in der Lage zu sein, weite Strecken mit wirtschaftlich vertretbaren
Kosten zu fliegen. Außer
der physikalischen Größe des Flugzeugs
selbst muß der Ingenieur
das Gewicht zusätzlicher
Passagiere und/oder zusätzlicher
Ladung berücksichtigen,
das vom Flugzeug getragen werden muß, und außerdem muß er die Kraftstoffmenge berücksichtigen,
die erforderlich ist, damit das beladene Flugzeug sicher seinen
Zielort erreicht.
-
Ein
Begrenzungsfaktor bei der Konstruktion eines derartigen Flugzeugs
ist die Festigkeit der benutzten Materialien, einschließlich jener,
die für
den Tragflügel
in Betracht kommen. Bei allen kommerziellen Flugzeugen bestehen
zwei fundamentale Grundregeln für
die Konstruktion, die erfüllt
sein müssen.
Erstens müssen
die äußersten
Lastbedingungen erfüllt
sein; nämlich
eine einmalige Anwendung extrem hoher Belastung, die unter abnormalen
Bedingungen ausgehalten werden muß. Es gibt eine große Zahl
derartiger möglicher
Bedingungen und das Flugzeug muß so
konstruiert sein, dass es allen vorhersehbaren Situationen widerstehen
und dann den Flug fortsetzen und sicher landen kann. Das Flugzeug
kann dann ausrangiert werden oder eine größere Reparatur erfordern. Zweitens
ist ständig während des
Boden-Luft-Boden-(GAG)-Zyklus der Tragflügel zyklischen Lastbedingungen
unterworfen, die kumulativ, mit der Zeit, zur Bildung und später zur Ausbreitung
von Mikrorissen führen,
die schließlich als
feststellbare Risse erscheinen, die eine Reparatur oder Wartung
des Flugzeugs erfordern. Während des
Reiseflugs tragen die Tragflügel
das Gewicht des Flugzeugs und biegen sich nach oben, während am Boden
die Tragflügel
vom Fahrwerk und möglicherweise
vom Rumpf getragen werden und sich demgemäß nach unten durchbiegen. Die
Tragflügel
müssen so konstruiert
sein, dass sie eine Beschädigung überleben
können,
die durch diese zyklischen Belastungen verursacht wird, um eine
strukturelle Integrität während der
Lebensdauer des Flugzeugs zu gewährleisten.
Die heutige Technologie ermöglicht
eine genaue Analyse der großen
Zahl von Belastungsfällen,
die die extremen Bedingungen bilden; dadurch können die konservativen Konstruktionen
von gestern verringert werden und dies führt zu einer besseren Ökonomie
des Betriebs des Flugzeugs. Der Effekt hiervon ist, dass moderne
Flugzeuge zunehmend durch die zyklischen Belastungsbedingungen definiert
werden, so dass es immer wichtiger wird Wege zu ermitteln, um die
Belastung infolge des GAG-Zyklus zu verringern. Eine Möglichkeit
besteht darin neuartige Wege zu schaffen, um das Kraftstoffgewicht
günstiger
zu verteilen.
-
Typische
große
Flugzeuge sind mit einer Anzahl von Kraftstofftanks ausgerüstet, die
in den Tragflügeln,
im Rumpf und im Schwanzbereich untergebracht sind. Die Triebwerks-Speisetanks liegen
nahe bei den Triebwerken, um eine kontinuierliche Zufuhr von Kraftstoff
nach jenen Triebwerken zu gewährleisten.
Andere Tanks wirken als Reserve und speichern den Kraftstoff zur Übertragung
nach den Zuführungstanks,
wenn der Kraftstoff aus den Zuführungstanks verbrannt
ist. Wenn während
des Flugs die Triebwerks-Zuführungstanks
leer werden, stellt ein Steuersystem die Verminderung des Kraftstoffpegels
fest und nachdem ein vorbestimmter Pegel erreicht ist, wird Kraftstoff
aus den Reservetanks nach den Zuführungstanks übertragen,
so dass keine Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr nach den Triebwerken
erfolgt.
-
Der
Tankraum stellt die Gesamtkraftstoffkapazität des Flugzeugs dar, die für das Flugzeug
erforderlich ist, um seinen maximalen Nutzlastbereich zu erreichen.
Ein typischer Flug ist jedoch sehr viel kürzer als der maximale Flug,
so dass die verfügbaren Kraftstofftanks
nicht alle gefüllt
sind. Dies ermöglicht eine
gewisse Flexibilität
bezüglich
der Positionierung des Kraftstoffs während des Flugs.
-
Üblicherweise
ist vor dem Start der äußerste Tragflügeltank
voll, um das maximale Tragflügel-Biegeprofil
zu erhalten, nachdem das Flugzeug abgehoben hat. Leider wird dadurch
auch die Beschädigung des
Tragflügels
während
des Ablaufs am Boden vor dem Flug und beim Startanlauf maximiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Problem abzuschwächen.
-
Die
vorliegende Erfindung sucht diese Probleme zu lösen und die Ermüdungserscheinungen während des
GAG-Zyklus zu lindem.
-
Die
US-A-5,321,945 beschreibt ein verteiltes Kraftstoffsystem eines
Flugzeugs, wobei der Kraftstoff zwischen Kraftstofftanks gemäß verschiedenen vorbestimmten
Funktionen verteilt wird.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Kraftstoffübertragungs-Vorrichtung
in einem Flugzeug vorgesehen, und die Vorrichtung umfasst die folgenden
Teile:
- zwei oder mehrere Kraftstofftanks in einer Innenbord-/Außenbord-Ausrichtung,
wobei wenigstens ein Tank im Tragflügel des Flugzeugs untergebracht
ist;
- Mittel zur Übertragung
von Kraftstoff zwischen den Tanks, und
- ein Kraftstoff-Betriebssystem zur Steuerung und Überwachung
der Übertragung
von Kraftstoff zwischen den Tanks,
- wobei das Kraftstoff-Betriebssystem die folgenden Merkmale aufweist:
- Mittel zum Empfang eines ersten Eingangssignals, das angibt,
dass das Flugzeug den Boden verlassen hat;
- Mittel zum Empfang eines zweiten Eingangssignals, das angibt,
dass das Flugzeug sich seinem Ziel nähert;
- Mittel zur Einleitung der Übertragung
von Kraftstoff von einem relativ weit innenliegenden Innenbordtank nach
einem relativ weit außenliegenden
Außenbordtank,
gemäß dem ersten
Eingangssignal, und
- Mittel zur Einleitung der Übertragung
von Kraftstoff von dem relativ weit außenliegenden Außenbordtank nach
einem relativ weit innenliegenden Innenbordtank, gemäß dem zweiten
Eingangssignal.
-
Die
Erfindung nutzt die Tatsache aus, dass das Flugzeug selten für seine
maximale Reichweite aufgetankt wird, um die Belastung des Tragflügels und
des Mittelabschnitts und demgemäß das Strukturgewicht
während
des GAG-Zyklus zu vermindern.
-
Bei
einem typischen Flug (der wahrscheinlich nur über die halbe maximale Reichweite
führt) werden
die Tragflügeltanks
von der Tragflügelwurzel her
aufgefüllt.
Dies vermindert die Beschädigung
des Tragflügels
während
des Verfahrens am Boden und beim Startanlauf. Sobald das Flugzeug
vom Boden abgehoben hat, wird der Kraftstoff dann im Tragflügel nach
außen
gepumpt, bis er soweit als möglich
außen
liegt, wobei nur die minimale Kraftstoffmenge in den Triebwerks-Zuführungstanks
verbleibt. Diese Zuführungstanks
werden kontinuierlich während
des Flugs aufgefüllt.
Wie bei den heute üblichen
Flugzeugen, werden die äußersten
Tragflügeltanks
beim Sinkflug geleert, so dass bei der Landung diese Tanks leer
sind.
-
Die
optimale Position des Kraftstoff-Schwerpunktes in einem Flugzeug ändert sich
während
des GAG-Zyklus. Während
des Reiseflugs ist es erwünscht,
den Kraftstoff-Schwerpunkt
soweit als möglich
nach außen
zu verlegen, um die Biegeentlastung des Tragflügels für die Biegung nach oben zu
maximieren. Beim Start und bei der Landung ist es zweckmäßig, den
Kraftstoff-Schwerpunkt soweit als möglich nach innen zu verlegen,
um die Biegung nach unten zu vermindern. Im allgemeinen werden Langstrecken-Flugzeuge nicht mit
ihrer maximal möglichen Reichweite
betrieben und deshalb müssen
nicht alle Kraftstofftanks beim Start voll sein. Die Erfindung nutzt
diese Tatsache zum Vorteil des Flugzeugpiloten aus, um die Wirkungen
der dynamischen zyklischen Belastung zu verringern, die durch den
wiederholten GAG-Betrieb verursacht werden, und es werden infolgedessen
Standzeiten und Wartungskosten verringert und eine ökonomisch
bessere Arbeitsweise des Flugzeugs über eine Zeitperiode erreicht.
-
Durch
aktive Steuerung der Verteilung des Kraftstoffes zwischen den verfügbaren Tanks,
während
des gesamten GAG-Zyklus, können
die langzeitigen Ermüdungserscheinungen
der zyklischen Belastung der Tragflügel beträchtlich vermindert werden,
ohne dass es notwendig wäre,
eine Kompensation durch Versteifung und Verstärkung der Tragflügelstruktur
mit zusätzlichen
Materialien vorzunehmen.
-
Vorteile
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben
sich insbesondere bei großen
Langstrecken-Flugzeugen, wo Gewichtsersparnisse der Tragflügelstruktur
bis herauf zu einer Tonne erreicht werden können, was beim Start eine Gewichtsersparnis von
bis zu zwei Tonnen pro Flugzeug ergibt. Durch Anordnung dieser Vorrichtung
ergeben sich beträchtliche
Kosteneinsparungen, sowohl im Hinblick auf die Bearbeitungskosten
als auch die Betriebskosten für ein
derartiges Flugzeug.
-
Außerdem kann
weniger Kraftstoff für
eine gegebene Flugdistanz benötigt
werden, wodurch die Umweltverschmutzung verringert wird, die durch
Nebenprodukte des verbrauchten Kraftstoffs verursacht werden.
-
Zweckmäßigerweise
ist das Kraftstoff-Betriebssystem computerisiert und weist einen
Computeralgorithmus auf, der so gestaltet ist, dass er auf die verschiedenen
Eingangssignale anspricht und die Kraftstoffübertragung in der gewünschten
Folge einleitet. Wahlweise kann der Computeralgorithmus speziell
auf den jeweiligen Flugpfad abgestimmt sein. Ein Kraftstoff-Betriebssystem
kann ein Computer-Programm umfassen, das der Besatzung des Flugzeugs
wahlweise Kraftstoff-Betriebsalgorithmen liefert, die auf bestimmten
Faktoren beruhen, beispielsweise dem durchzuführenden Flugpfad, der Zahl
der Passagiere und/oder der Menge der mitzuführenden Lasten und die Gesamtmenge
des Kraftstoffs, der vor dem Start an Bord genommen wurde, sowie
Wetterbedingungen, usw.
-
Zweckmäßigerweise
kann das Kraftstoff-Betriebssystem zum Ansprechen auf das erste
Signal so programmiert werden, dass es auf das Signal anspricht,
das konventionell dem Flugsteuersystem eines Flugzeugs zugeführt wird,
wenn das Fahrwerk vom Boden abgehoben hat, um zurückgezogen
zu werden.
-
Das
Kraftstoff-Betriebssystem kann weiter derart programmiert werden,
dass es auf ein zweites Eingangssignal anspricht, gemäß welchem
das Flugzeug auf eine bestimmte Höhe, bei seiner Annäherung zur
Landung, niedergegangen ist. Alternativ kann ein Signal zwischen
dem Flugsteuersystem und dem Kraftstoff-Betriebssystem erzeugt werden,
wenn ein bestimmter Punkt auf einem vorprogrammierten Flugpfad erreicht
ist.
-
Vorzugsweise
besitzt das Kraftstoff-Betriebssystem manuelle Übersteuerungsmittel, um das Flugpersonal
in die Lage zu versetzen, unvorhergesehene Umstände zu berücksichtigen.
-
Wahlweise
kann während
des Flugs das Kraftstoff-Betriebssystem so programmiert sein, dass Kraftstoff
zwischen den Tanks gemäß verschiedenen Anregungen übertragen
wird, beispielsweise kann ein Signal dem Kraftstoff-Betriebssystem
zugeführt werden,
um eine erhöhte
oder verminderte Aktivität der
einzelnen Triebwerke anzuzeigen. Als ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal
könnte
das Kraftstoff-Betriebssystem auf die Feststellung eines Lecks in
einem bestimmten Tank oder auf ungünstige Umgebungsbedingungen
ansprechen, beispielsweise extreme Temperaturen, die die Kraftstoff-Eigenschaften beeinträchtigen
könnten.
-
Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung anhand eines Kraftstofftankaufbaus
für ein
großes
Langstrecken-Passagierflugzeug beschrieben.
-
Die
Zeichnung veranschaulicht die Verteilung von Tanks zwischen Rumpf
und einem Tragflügel
eines Flugzeugs und dem Leser wird klar, dass das Prinzip auf den
zweiten Tragflügel
des Flugzeugs ausgedehnt wird und dass mehrere oder weniger Tanks
benutzt werden können,
wobei jeweils Größe und Kraftstoffbedarf
des Flugzeugs in Rechnung gezogen werden. Der Tragflügel (1)
weist vier Kraftstofftanks auf, nämlich einen inneren Triebwerksspeisetank
(2), einen inneren Übertragungstank
(3), einem äußeren Triebwerksspeisetank
(4) und einem äußeren Übertragungstank
(5). Ein weiterer Kraftstofftank, nämlich der Mitteltank (6)
ist im Rumpf (7) angeordnet. Jeder der Tanks ist über eine
Kraftstoffleitung (8) angeschlossen und zwischen der Kraftstoffleitung und
jedem Tank befindet sich ein Zweiwegeventil (9). Das Kraftstoff-Betriebssystem,
welches im einzelnen nicht dargestellt ist, koordiniert die folgende
Kraftstoffübertragung
während
des GAG-Zyklus.
-
Vor
dem Rollen und beim Startanlauf enthält jeder der Triebwerksspeisetanks
(2, 4) einen minimalen Sicherheitspegel von Kraftstoff,
der ausreicht, um die Triebwerke (nicht dargestellt) zu betreiben.
Je nach dem Volumen des mitgeführten
Kraftstoffs wird der übrige
Kraftstoff durch das Kraftstoff-Betriebssystem in den Mitteltank
(6) gepumpt, bis dieser Tank seine maximale Kapazität erreicht
hat, und der restliche Kraftstoff wird nach dem inneren Tank (2)
gepumpt und wenn dieser voll wird, wird der Rest in den inneren Übertragungstank
(3) gepumpt bis dieser voll ist, usw. So wird der Kraftstoff-Massenmittelpunkt
soweit als möglich
innerhalb des Flugzeugs gehalten.
-
Nach
dem Start werden die Räder
des Flugzeugs in den Rumpf des Flugzeugs zurückgezogen. Wenn das Einfahren
des Fahrwerks beginnt, wird ein Signal dem Kraftstoff-Betriebssystem
zugeführt,
das dann eine Kraftstoffübertragung
zwischen den Tanks wie folgt einleitet:
-
Es
wird wiederum eine minimale Sicherheitsmenge von Kraftstoff in den
Triebwerksspeisetanks (2, 4) belassen, die ausreicht,
um die Triebwerke in Gang zu halten. Der Kraftstoff von den am weitesten innenliegenden
Tanks (6, 2, 3) wird über die Kraftstoffleitung (9)
geführt
und nach dem äußeren Übertragungstank
(5) geleitet, bis dieser seine maximale Kapazität erreicht
hat. Der übrige
Kraftstoff wird dem äußeren Triebwerksspeisetank
(4) zugeführt,
bis dieser Tank seine maximale Kapazität erreicht hat. Der verbleibende
Kraftstoff wird nach dem inneren Tank (2) übertragen
oder in diesem behalten, usw. Auf diese Weise wird der Massenmittelpunkt
des Kraftstoffs soweit als möglich
nach außen
verlegt.
-
Während des
Flugs speist das Kraftstoff-Betriebssystem kontinuierlich die Triebwerksspeisetanks
von der am weitesten innenliegenden Quelle, um einen relativ weit
außenbord
liegenden Massenmittelpunkt des Kraftstoffs aufrechtzuerhalten.
Wenn sich das Flugzeug seinem Ziel nähert und auf die Landebahn
absinkt, wird ein Signal dem Kraftstoff-Betriebssystem übermittelt,
das die Rückübertragung
des restlichen Kraftstoffs nach dem Mitteltank (6) im Gehäuse und
dem am weitesten innenliegenden Tragflügeltank (2, 3)
einleitet.
-
Der
Fachmann erkennt, dass es nicht wesentlich ist, dass irgendein Kraftstoff
nach dem Rumpf oder dem Schwanzbereich des Flugzeugs übertragen
oder in diesem belassen wird, und dass die Erfindung auch wirksam
bei einem Flugzeug angewandt werden kann, wo sämtliche Kraftstoffspeicher über die
Länge der
Tragflügel
verteilt sind.