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Die
Erfindung betrifft einen variablen Tragflügel für Kleinflugzeuge oder Ultraleichtflugzeuge
(UL).
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Seit
der Mensch versucht hat, das Fliegen zu lernen, und es ihm gelungen
ist, hierzu Maschinen zu entwickeln, ist ständig an der Weiterentwicklung
der Techniken für
eine größere Sicherheit
der Flugzeuge, für
eine bessere Handhabung und höhere
Leistungen sowohl im Bereich von Flugzeugen mit hoher Geschwindigkeit
als auch im Bereich ein- oder zweisitziger Kleinflugzeuge gearbeitet
worden.
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Bei
der Konstruktionstechnik eines Flugzeugs sind das Problem der Aufhängung und
der Berechnung der Tragfläche
für das
Fliegen unter verschiedensten Bedingungen wohl die älteste Sorge der
Flugzeugkonstrukteure.
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Denn
die Aufhängesysteme
eines Flugzeugs müssen
sich für
Flugbereiche eignen, die vom Abheben und Landen bis zur Höchstgeschwindigkeit
gehen. Zum Abheben und Landen muss die angestrebte Geschwindigkeit
aus Sicherheitsgründen
so gering wie möglich
sein. In der Phase des stabilen Flugs, des so genannten Reiseflugs,
muss die Geschwindigkeit so hoch wie möglich sein, da große Strecken in
kürzester
Zeit zurückgelegt
werden sollen. Die Größe eines
Flügels
für beide
Flugbereiche ist somit ein Widerspruch an sich.
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Genauer
gesagt, erfordern Start- und Landevorgang eine maximale Auftriebsfläche, die
hauptsächlich
durch die Größe des Flügels erreicht
wird. Dagegen muss der Flügel
einen geringen Luftwiderstandsbeiwert und eine geringe Oberfläche aufweisen,
um im Reiseflug eine zufriedenstellende Geschwindigkeit zu erreichen.
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Eine
Optimierung der Leistungen eines Flugzeugs führt also zur Herstellung von
Flügeln
mit variabler Geometrie, was bereits seit vielen Jahren bei Jagd-
und Linienflugzeugen praktiziert wird.
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Die
für Jagd-
und Linienflugzeuge bekannten Systeme, die so genannten Hochauftriebssysteme, sind
wegen ihres Gewichts und ihrer Komplexität auf Kleinflugzeuge nicht übertragbar.
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In
diesem Bereich der Kleinflugzeuge und der UL bezieht sich eine bekannte
Technik auf das Ausfahren einer flexiblen Fläche zwischen der Flügelhinterkante
und dem Flugzeugheck, wie dies in dem Dokument W09845171 beschrieben
ist. Diese Vorrichtung besteht im Ausrollen eines flexiblen Segels,
das um eine zum Flugzeugrumpf parallele Achse mittels Zugseilen
aufgerollt wird, die das Ausfahren zu den Tragflügelenden hin ermöglichen.
Das Segel, das dreieckig ist, wird allmählich ausgerollt, um den Auftrieb
des Fluggeräts
zu erhöhen.
Eine solche Vorrichtung ist auch im nautischen Bereich bekannt.
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Die
Grenzen solcher Systeme, die mit einem Aufrollen um eine Achse arbeiten,
sind ebenfalls sehr eng. Das Ausfahren der Tragfläche unter
Einwirkung hoher äußerer Beanspruchungen,
beispielsweise eines starken Windes, bringt Schwierigkeiten beim Aufrollvorgang
und womöglich
eine Blockierung der Vorrichtung mit sich. Die mechanischen Beanspruchungen
der Zugseile sind sehr stark und können deren vorzeitigen Verschleiß und ihr
Reißen
bewirken. Ebenso darf man nicht unterschätzen, dass die Zugkräfte auf
die Tragflügelenden übertragen
werden, was mechanisch schadet.
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Andere
Vorrichtungen zum Ausfahren zusätzlicher
Tragflächen
wurden beispielsweise in dem Dokument
US
4460138 vorgestellt, insbesondere durch Schwenken starrer,
in den Flügel
integrierter Tragflächen,
wie dies in den Dokumenten
US 1215295 oder
US 2137047 beschrieben ist.
Ebenso wurde das Ausfahren durch Gleiten ineinander geschachtelter
Platten ins Auge gefasst, wie dies in dem Dokument
US 4106727 beschrieben ist.
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Alle
diese Vorrichtungen sind nicht für
den Bereich der Kleinflugzeuge oder UL geeignet, für den es
bisher keine produktionsfähige
zuverlässige
und spezifische Lösung
gibt.
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Die
Erfindung will also diesen hauptsächlichen Schwierigkeiten abhelfen,
d.h., sie schlägt
einen ausfahrbaren Flügel
vor, der eine Verstärkung des
Auftriebs des Flugszeugs während
der Start- und Landephasen und dann eine Verkleinerung der Tragfläche im Reiseflug
ermöglicht.
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Die
Erfindung betrifft einen variablen, leichten und besonders für Kleinflugzeuge
und Ultraleichtflugzeuge geeigneten Tragflügel. Dieser Flügel ist dadurch
gekennzeichnet, dass er eine flexible Tragfläche umfasst, die kontinuierlich
in Verlängerung
des starren Tragflügels
ausgefahren werden kann, und zwar mittels mindestens eines Gelenksystems
und dadurch, dass die flexible Tragfläche und das Gelenksystem während des
Reiseflugs vollkommen in den hinteren Teil des starren Tragflügels integriert sind.
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Nach
der Erfindung wird ein einziges System zum Ausfahren der flexiblen
Tragfläche
und zum Halten der Spannung verwendet, was bestimmte Vorteile gegenüber den
bekannten Techniken hat. Die Regulierung dieser Spannung kann darüber hinaus
kontinuierlich und sehr präzise
erfolgen, sodass Zwischenstellungen zum Ausfahren der flexiblen
Tragfläche
und somit besondere Flugkonstellationen möglich sind.
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Durch
den stärkeren
Auftrieb, wenn die flexible Tragfläche vollkommen ausgefahren
ist, kann das Flugzeug seine Geschwindigkeit während der Landephase stark
drosseln oder leichter abheben.
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Die
flexible Tragfläche
ist insbesondere für Leichtflugzeuge
geeignet. Eine solche Vorrichtung mit variablem Auftrieb ermöglicht das
Erreichen zufriedenstellender Kompromisse unter beliebigen Flugbedingungen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor,
die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, die nur als nicht
einschränkende
Beispiele gelten sollen.
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1 ist
eine Drauf- und Perspektivansicht eines Flugzeugs im Reiseflug mit
eingezogener Tragfläche.
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2 ist
eine Drauf- und Perspektivansicht eines Flugzeugs und der ausgefahrenen
Tragfläche beim
Starten oder Landen.
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3 ist
eine Perspektivansicht des Tragflügels, die die eingezogene Tragfläche zeigt.
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4 ist
eine Perspektivansicht des Tragflügels, die die ausgefahrene
Tragfläche
darstellt.
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5 ist
eine Drauf- und Schnittansicht auf der Ebene des Tragflügels, die
das System zum Ausfahren der Tragfläche zeigt, und zwar in zusammengelegtem
Zustand derselben.
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6 ist
eine Drauf- und Schnittansicht auf der Ebene des Tragflügels, die
das System zum Ausfahren der Tragfläche zeigt, und zwar in ausgefahrenem
Zustand derselben.
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7 ist
eine Detail- und Perspektivansicht des Gelenkmechanismus, der das
Ausfahren und Zusammenlegen der Tragfläche ermöglicht.
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8 zeigt
die Anordnung der einzelnen Elemente, die das Ausfahren der Tragfläche ermöglichen.
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9 ist
eine Schnittansicht der Hinterkante des Flügels, und zwar auf einer lotrecht
zu dessen Spannweite verlaufenden Ebene bei zusammengelegter Tragfläche.
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10 ist
eine Schnittansicht der Hinterkante des Flügels, und zwar auf einer lotrecht
zu dessen Spannweite verlaufenden Ebene bei ausgefahrener Tragfläche.
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11 zeigt
eine Variante eines Gelenksystems der Erfindung.
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Wie
es die 1 und 2 zeigen, ermöglicht die
Vorrichtung der Erfindung eine erhebliche Vergrößerung der Tragflügeloberfläche.
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1 zeigt
einen starren Tragflügel 4 mit sehr
guter Aerodynamik, der von einem Flugzeug 1 des Typs Kleinflugzeuge
mit kleiner Tragflügeloberfläche von
in der Regel unter 6 m2 getragen wird, und mit
einer Flügelspannweite
unter acht Metern, wobei die Flügel
sehr lang und dünn
sind.
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2 zeigt
die ausgefahrene flexible Tragfläche 3,
wobei diese Tragfläche
die Flügeloberfläche erheblich
vergrößert, und
zwar unter Flugbedingungen mit niedrigen Geschwindigkeiten in der
Regel auf mehr als 10 m2.
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Die
flexible Tragfläche 3 besteht
aus einem leichten und widerstandsfähigen Material wie beispielsweise
einem solchen, das zur Herstellung von Gleitschirmen oder Drachenfliegern
verwendet wird oder aus solchen Stoffen, wie sie im Wassersport verwendet
werden.
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Die
flexible Tragfläche 3 kann
beispielsweise aus einem Stoff und/oder einer Verbindung aus flexiblen
Polymermaterialien bestehen, wobei die Tragfläche durch zusätzliche
Ausstattungen und/oder geeignete Behandlungen verstärkt werden
kann, um ihre mechanische Festigkeit, ihre Verschleiß- und Sturmfestigkeit
zu erhöhen,
um die Vorrichtung wasserdicht zu machen, etc.
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Die
Vorrichtung der Erfindung umfasst eine nach hinten ausfahrbare Verlängerung
des Flügels, die
aus folgenden Hauptteilen besteht:
- • einem Querruder 2,
das die Funktion einer Klappe hat. Das Querruder wird mittels der
in 4 abgebildeten Stange 6 gesteuert, die
mit dem Flugzeugrumpf verbunden ist und entlang diesem gleiten kann,
um die Bewegung der flexiblen Tragfläche 3 zu begleiten,
- • einer
flexiblen Tragfläche 3,
die sich in dem Flügelaufbau 4 ziehharmonikaförmig zusammenlegen
kann, wie dies in 3 dargestellt ist,
- • einem
Gelenksystem 5, das in den 5, 6 und 7 dargestellt
ist und das Ausfahren und Zusammenlegen der Tragfläche im Inneren
des Flügels
ermöglicht.
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Genauer
gesagt, wie dies in 4 dargestellt ist, bildet das
Querruder 2 die Hinterkante des Flügels, ihre Ausrichtung ermöglicht das
Manövrieren
des Flugzeugs in herkömmlicher
Weise. Das Querruder ist starr und zu seiner Bewegung über eine
Stange 6 mit dem Flugzeugrumpf verbunden. Die Stange weist
die Besonderheit auf, sich nach hinten zu bewegen, wenn sich die
flexible Tragfläche 3 ausfährt, und
sich nach vorne zu bewegen, wenn die Tragfläche zusammengelegt ist, sodass
sie zu jedem Zeitpunkt für
ihre Betätigung
ideal positioniert ist.
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Das
System zum Ausfahren der flexiblen Tragfläche 3 ist in den 5 bis 8 dargestellt. Die 5 und 6 stellen
das Gelenksystem 5 in Draufsicht in eingefahrener Position
und in ausgefahrener Ansicht dar.
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Wie
in 7 dargestellt, wird der Gelenkmechanismus zum
Ausfahren vom Flugzeug aus mittels einer Steuerstange 7 betätigt, die
durch eine Hin- und Herbewegung in Richtung des Flügels verschiedene Teile 8, 9 und 10 mitnimmt,
die aneinander angelenkt sind. Diese Teile sind miteinander und
an ihren Enden 15, 16, 17 und 18 verbunden.
Die Teile und Achsen, die das Gelenksystem bilden, sind in den einzelnen
Figuren abgebildet; in diesem besonderen Ausführungsbeispiel bilden sie einen
Gelenkarm. Der Gelenkarm wird ziehharmonikaförmig zusammengelegt und auseinandergezogen,
um die flexible Tragfläche 3 ein-
oder auszufahren.
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Der
Gelenkarm ist im Inneren des Flügels und
an diesem mittels der Achse 16 und am anderen Ende mittels
der Achse 18 am Träger 19 des
Querruders befestigt.
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Der
Zwischenteil 9 ist fest mit einer Auflage 11 verbunden,
welche die Achse bildet und den einzelnen Gelenkelementen als Drehachse
dient. Die Auflage 11 ist eine in der Mitte des Teils 9 angeschweißte Achse
und so geformt, dass sie mit mindestens einem ihrer Enden in mindestens
einer Aussparung 20 gleitet, die in mindestens einer Platte 12 vorgesehen
ist. Die Platte ist fest mit einer Stange 13 verbunden,
die das Ausfahren der Tragfläche 3 steuert.
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In
dem in den 7 bis 10 dargestellten Beispiel
gleitet die Auflage 11 in zwei Aussparungen 20,
die an den beiden Stangen 13 befestigt sind.
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Die
Tragfläche 3 bildet
eine Bahn um die Stangen 13 und um das Ende 14 einer
starren, W-förmigen Führung 21.
Die Bahn der flexiblen Tragfläche 3 innerhalb
des Flügels
ist zickzack- oder ziehharmonikaförmig.
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Wie
es die 9 und 10 zeigen, ist die starre Führung 21 im
Inneren des Flügels
angeordnet und fest mit diesem verbunden. Der Abstand d/4 zwischen
dem Ende 14 und den Innenräumen 22 der starren,
W-förmigen
Führung 21 bestimmt
die höchstmögliche Ausdehnung
d der Tragfläche 3.
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Wenn
die flexible Tragfläche 3 nämlich in dem
Flügel 4 zusammengelegt
ist, wie dies in den 5 und 9 gezeigt
ist, sind die Stangen 13 nahe den Innenräumen 22 der
starren, W-förmigen Führung 21.
Die flexible Tragfläche 3 hat
somit einen maximalen Weg entlang dem W.
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Wenn
die Tragfläche
ausgefahren ist, wie dies die 6, 8 und 10 zeigen,
d.h., wenn sich die Stangen 13 unter Wirkung der Bewegungen der
einzelnen Gelenkteile nach hinten bewegt haben, bleibt nur eine
geringe Tragflächenlänge in dem
Flügel
um die Stangen 13 und das Ende 14 der starren Führung 21 herum.
Der Weg der flexiblen Tragfläche entlang
dem W ist somit minimal.
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Die
Bewegung der Stangen 13 verkürzt oder verlängert die
Länge der
Tragfläche
in dem Flügel
mit einer Vorrichtung, die jegliches Einklemmen derselben verhindert,
selbst bei schlechtem Wetter und starkem Wind.
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So
wird nach der Erfindung das Ein- oder Ausfahren der flexiblen Tragfläche 3 durch
Veränderung
der Länge
der Bahn der Tragfläche
innerhalb des starren Flügels 4 erreicht,
wobei die Bahn kurz ist, wenn der Flügel ausgefahren ist, und länger ist, wenn
der Flügel
eingefahren ist.
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Beim
Aus- oder Einfahren der Tragfläche 3 durch
Betätigung
der Steuerstange 7 schwenken die einzelnen Gelenkteile
um die unterschiedlichen Achsen und bewirken so eine Lageveränderung
der Auflage 11, die einen Kreisbogen beschreibt. Bei ihrer Bewegung
nimmt die Auflage 11 die Stangen 13 mit, die sich
auf der Ebene des Flügels 4 nach
hinten oder vorne bewegen, wodurch die flexible Tragfläche 3 durch
Veränderung
der Länge
des Wegs der Tragfläche
innerhalb des starren Flügels 4 aus-
oder eingefahren wird.
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Entsprechend
der beschriebenen Vorrichtung und mit Bezug zu 10 bestimmt
der Abstand d/4 zwischen den Innenräumen 22 der starren,
W-förmigen
Führung
und dem Ende 14 die mögliche
Ausdehnung d der Tragfläche,
d.h. in Anbetracht des in den Figuren dargestellten Wegs die vierfache,
innerhalb des Flügels
verfügbare
freie Länge.
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Nach
dem gleichen Prinzip kann die maximale Ausdehnung der flexiblen
Tragfläche 3 noch
erhöht werden,
indem zusätzliche,
zueinander parallele Stangen 13 und zwischen diesen starre
Führungen 21 vorgesehen
werden.
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Allgemein
gesprochen beträgt
die Ausdehnung der flexiblen Tragfläche 2n mal die freie, innerhalb
des starren Flügels 4 verfügbare Distanz
zwischen den Innenräumen 22 und
den Enden 14, wobei n die Anzahl paralleler, in den starren
Flügel
integrierter Stangen 13 ist.
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Mehrere
Varianten sind denkbar, insbesondere, was die Positionierung der
Tragfläche
bezogen auf die Gelenkteile betrifft, die das Ausfahren sicherstellen,
wobei sich die Tragfläche über und/oder
unter den Gelenkarmen befinden kann, ohne dass der Rahmen der Erfindung
verlassen wird.
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Ebenso
kann die Gleitvorrichtung der Tragfläche innerhalb des starren Flügels verbessert
werden, indem statt der Stangen 13 und am Ende 14 der starren
Führung 21 Rohre
vorgesehen werden, die auf Lager montiert sind, um die einzelnen
Bewegungen der Tragfläche
zu begünstigen
und Reibungen zu verhindern.
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Eine
weitere wichtige Variante der Erfindung, die in 11 dargestellt
ist, besteht in der Realisierung eines Gelenksystems 5,
das aus einzelnen Platten 23 besteht, die an Punkten 24 in
Höhe der
Gelenkachsen an der flexiblen Tragfläche 3 befestigt sind.
Die einzelnen Platten 23 werden ausgefahren und nehmen
dabei die flexible Tragfläche
mit. Das Gelenksystem 5 verläuft bei maximaler Entfaltung lotrecht
zur Flügelspannweite.
Im eingefahrenen Zustand im Inneren des Flügels legen sich die Platten, die
den Arm bilden, wie eine Ziehharmonika zusammen, ebenso wie die
Tragfläche 3,
die an den Punkten befestigt ist.
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Die
Achsen und Bestandteile der Gelenkarme, die Teil des Aus- und Einfahrmechanismus
der Tragfläche
sind, sind vorzugsweise aus starren und stoßfesten Materialien gefertigt.
Die Zahl der Materialien und Mannigfaltigkeit der Teile, die zum
Erhalt der gewünschten
Funktionsweise verwendet werden können, ist groß, ohne
dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.