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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schubvorrichtung mit
variablen Betriebszyklen für Überschallflugzeuge,
die es ermöglicht,
einerseits bei Start, Landung und Unterschallflug einen starken Schub
und ein hohes Verdünnungsverhältnis, um den
Lärm während dieser
Flugphasen erheblich zu senken und den spezifischen Verbrauch zu
verbessern, und andererseits eine hohe Ausströmgeschwindigkeit, die für den Überschallflug
geeignet ist, zu erhalten.
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Sie
betrifft insbesondere eine Schubvorrichtung, die zwei verschiedene
Ausbildungen umfaßt: eine
für Start,
Landung und Unterschallflug und die andere für den Überschallflug.
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Beim
Entwurf eines Überschallverkehrsflugzeugs
stößt man insbesondere
auf das Problem des geringen Lärms
des Flugzeugmotors bei Start, Steigflug und Landung. Für ihre Zulassung
müssen
nämlich
jetzt alle Flugzeuge die Vorschriften bezüglich des geringen Lärms bei
Start und Landung einhalten.
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Zudem
müssen
die Motoren von Überschallflugzeugen
auch den Anforderungen eines geringen Luftwiderstands der Gondeln
beim Überschallflug,
eines geringen spezifischen Verbrauchs während des Überfliegens von Wohngebieten
auf Unterschallgeschwindigkeit und einer Reduzierung der Schadstoffemissionen
von Stickstoffoxiden an der Ozonschicht in großer Höhe gerecht werden.
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Um
diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben die Hersteller von
Motoren einen Motor mit variablen Betriebszyklen für den Antrieb
von Überschallflugzeugen
vorgeschlagen. Typischerweise umfaßt ein derartiger Motor einen
Gasgenerator und mindestens ein Gebläse, welches es ermöglicht, das
Verdünnungsverhältnis des
Motors anzupassen und somit den Lärm zu reduzieren. Dieser Motor nimmt
zwei verschiedene Ausbildungen an: eine für Unterschallflug, Start und
Landung mit hohem Verdünnungsverhältnis und
die andere für Überschallflug
mit niedrigem Verdünnungsverhältnis, da
zwischen diesen beiden Flugphasen für den Betrieb des Motors eine
gewisse Unverträglichkeit
besteht.
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Die
Anforderung des geringen Motorlärms bei
Start und Landung setzt nämlich
insbesondere eine geringe Gasausströmgeschwindigkeit bei Start und
Unterschallflug voraus, was dem Überschallflug, der
eine hohe Gasausströmgeschwindigkeit
erfordert, widerspricht.
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Der
Lärmpegel
ist jedoch von der Gasausströmgeschwindigkeit
abhängig,
und um diesen auf ein annehmbares Niveau zu reduzieren, muß diese Geschwindigkeit
heutzutage weniger als 400 Meter pro Sekunde betragen, was einer
Schwelle von 103 dB entspricht (300 m/s bzw. 90 dB ab 2006 nach
den neuen Vorschriften). Eine derartige Ausströmgeschwindigkeit setzt also
einen Motor mit geringem spezifischem Schub voraus, was einem hohen
Verdünnungsverhältnis entspricht,
d. h. einem hohen Luftwiderstand im Überschallflug.
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Die
von den Herstellern vorgeschlagenen Motoren mit variablen Betriebszyklen
versuchen somit, den geringen Lärmpegel
bei Start und Landung, einen geringen spezifischen Verbrauch im
Unterschallflug und einen starken spezifischen Schub im Überschallflug
auf großer
Höhe zu
kombinieren.
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Es
sind mehrere Ausführungen
von Motoren mit variablen Betriebszyklen bekannt, aber die Änderung
des Verdünnungsverhältnisses
dieser Motoren bietet keine gute Optimierung bei den Unter- und Überschallausbildungen.
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Eine
Gasausströmgeschwindigkeit
von 400 m/s oder weniger anzunehmen erfordert eine Turbinengondel
von großem
Durchmesser, und alle derzeit bekannten Motoren mit variablen Betriebszyklen, insbesondere
die in den Patenten FR 2 513 697, FR 2 688 271 und FR 2 685 385
beschriebenen, benötigen
einen Frontquerschnitt der Gondel, der größer ist als der für den Überschallflug
optimierte, wenn das Gebläse
mit dem Motor verbunden und darin eingebaut ist.
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Die
Beschreibung eines Überschallflugzeugs,
das eine Schubeinheit für
Start, Landung und Unterschallflug und zwei für den Überschallflug geeignete Triebwerke
umfaßt,
ist z. B. aus dem amerikanischen Patent 5 529 263 bekannt. Die Schubeinheit
besteht aus einziehbaren Hilfsturbinenluftstrahltriebwerken mit
hohem Verdünnungsverhältnis, was zahlreiche
Nachteile, insbesondere hinsichtlich Platzbedarf und Gewicht des
Luftfahrzeugs, aufweist.
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Ebenfalls
bekannt ist das amerikanische Patent 2 409 177, das eine Unterschallschubvorrichtung beschreibt,
bei der eines der beiden Triebwerke das andere mit Luft versorgt.
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ZIEL UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es also, bei den genannten Nachteilen
Abhilfe zu schaffen, indem sie eine Schubvorrichtung mit variablen
Betriebszyklen für Überschallflugzeuge
vorschlägt,
welche die beiden Unterschall- und Überschallausbildungen deutlich
trennt, und zwar insbesondere durch Verwendung eines oder mehrerer
separater Hilfsgebläse
mit großem
Durchmesser.
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Dazu
wird eine Schubvorrichtung mit variablen Betriebszyklen für Überschallflugzeuge
bereitgestellt, umfassend mindestens zwei Triebwerke, die jeweils
mindestens einen Verdichter besitzen und einen Schub für die Überschallgeschwindigkeiten
erzeugen können,
und mindestens eine Hilfsschubeinheit, die von den Triebwerken getrennt
ist und einen ergänzenden
Schub für
den Start, die Landung und die Überschallfluggeschwindigkeiten
erzeugen kann, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ferner
mindestens eine Leitung, die jedes Triebwerk mit der Hilfsschubeinheit
verbindet, um zu dieser letztgenannten von dem Verdichter erzeugte Druckluft
zu leiten, damit die Hilfsschubeinheit einen ergänzenden Schub für den Start,
die Landung und den Unterschallflug erzeugt, und mindestens ein Ventil
umfaßt,
das es ermöglicht,
die Leitung für
den Überschallflug
zu verschließen,
wobei die Hilfsschubeinheit im Flugzeugrumpf angeordnet ist, um
den Luftwiderstand für
den Überschallflug
zu verringern.
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Somit
verwendet die Hilfsschubeinheit, die für die Start- und Landephase
und den Unterschallflug verwendet wird, Betriebsmittel (Erzeugung
von Druckluft) der Triebwerke. Die Druckluft wird z. B. auf der
letzten Stufe des Verdichters jeweils eines Triebwerks entnommen
und versorgt eine Verbrennungskammer der Schubeinheit. Letztere
umfaßt
mindestens ein Gebläse,
das bemessen sein kann, um den notwendigen Schub mit dem erwünschten
Verdünnungsverhältnis bei
Start, Landung und Unterschallflug zu erzeugen. Die Schubeinheit
ist in dem Flugzeugrumpf untergebracht, so daß der Luftwiderstand beim Überschallflug
minimal sein kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung
hervor, die nachstehend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
von mehreren Ausführungsformen ohne
jegliche Einschränkung
gegeben wird. Es zeigen:
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1a und 1b eine
schematische Ansicht im Längsschnitt
einer Schubvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, jeweils in
Ausbildung für
Start, Landung und Unterschallflug und für den Überschallflug,
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2 eine
schematische Teilansicht eines Flugzeugs, das eine Schubvorrichtung ähnlich wie die
aus 1 in ihren beiden Anwendungsformen umfaßt,
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3 eine
schematische Teilansicht eines Flugzeugs, das eine Schubvorrichtung
nach einer anderen Ausführungsform
der Erfindung in ihren beiden Anwendungsformen umfaßt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
Bezug auf 1a und 1b, die
schematisch einen Längsschnitt
einer Vorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung darstellen, ist ersichtlich, daß diese insbesondere aus zwei Triebwerken 1 und 1' besteht. Diese
Triebwerke sind üblicherweise
in (nicht dargestellten) Gondeln mit geringem Luftwiderstand angeordnet,
die im allgemeinen mit der Innenseite eines Flugzeugflügels verbunden
sind.
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Bekanntlich
können
diese Triebwerke von Einstromart in ein-, zwei- oder dreifacher
Bauweise oder aber von Zweistromart in ein-, zwei- oder dreifacher
Bauweise sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen
sie insbesondere jeweils einen Lufteinlaß 2, einen Verdichtungsabschnitt 4,
eine Verbrennungskammer 6, einen Turbinenabschnitt 8 und
einen Verbrennungsgas-Ausströmabschnitt 10.
Außerdem
sind die Triebwerke optimal für
den Überschallflug
(längste
Flugzeit) bemessen. Der Gasausströmabschnitt endet in einer Düse 11 mit
variablem Querschnitt.
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Weiterhin
umfaßt
die Schubvorrichtung gemäß dieser
ersten Ausführungsform
der Erfindung zudem auch eine Hilfsschubeinheit 12, die
von den beiden Triebwerken 1 und 1' getrennt ist. Diese Hilfsschubeinheit
wird entsprechend einer Ausbildung, die später ausführlich beschrieben werden soll,
für Start,
Landung und Unterschallflug verwendet.
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Die
Schubeinheit 12 umfaßt
eine Turbine 14, ein Gebläse 16 und eine Verbrennungskammer 18, die über (in 1a und 1b nicht
dargestellte) üblicherweise
verwendete Mittel mit Treibstoff versorgt wird.
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Zudem
umfaßt
die erfindungsgemäße Schubvorrichtung
mindestens eine Leitung 20, 20', die jedes Triebwerk 1, 1' mit der Schubeinheit 12 und insbesondere
mit seiner Verbrennungskammer 18 verbindet, um der Schubeinheit
Druckluft zuzuleiten, die von mindestens einem Verdichter 22, 22' jeweils eines
Triebwerks erzeugt wird.
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Genauer
gesagt mündet
jede Leitung 20, 20' an
einem bevorzugt ringförmigen
Druckluftsammler aus, der um die Verbrennungskammer 18 der
Schubeinheit 12 herum angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise
wird die Druckluft an der letzten Stufe der Verdichter 22, 22' jeweils eines Triebwerks 1, 1' abgenommen.
Selbstverständlich kann
dies auf einer anderen Stufe der Verdichter erfolgen, wobei jedoch
die letzte Stufe die besten Ergebnisse bietet, da hier die Luft
am stärksten
verdichtet wird.
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Üblicherweise
kann das Gebläse 16 ein- oder
mehrstufig, mit breitem Profil oder gegenläufig sein, und es wird von
der Turbine 14, die gegebenenfalls eine Endturbine sein
kann, die mit einer mehrstufigen Nabe und/oder einem Untersetzungsgetriebe
versehen ist, drehangetrieben.
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Zudem
ist jede Leitung 20, 20', die der Schubeinheit 12 Druckluft
zuleitet, mit mindestens einem Ventil 24, 24' versehen, das
es ermöglicht,
diese Leitung für
den Überschallflug
mindestens teilweise zu verschließen. Die Ventile 24, 24' werden synchron gesteuert.
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Gemäß einem
besonderen Merkmal der Erfindung leiten die Leitungen 20, 20', die jedes
Triebwerk 1, 1' mit
der Verbrennungskammer 18 der Schubeinheit 12 verbinden, ungefähr 20% bis
40%, bevorzugt 25% bis 30%, der Druckluft zu, die aus der letzten
Stufe der Verdichter 22, 22' jeweils eines Triebwerks kommt,
und zwar insbesondere bei Triebwerken, die für eine Überschallflugdrehzahl, die
einer Machzahl von ungefähr
2 entspricht, gedacht sind.
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Nun
soll die Betriebsweise der Schubvorrichtung nach dieser ersten Ausführungsform
der Erfindung in ihren beiden möglichen
Ausbildungen (Start- und Landephase und Unterschallflug und Überschallflugphase)
beschrieben werden.
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Während Start
und Landung (vgl. 1a) liefern die drei Einheiten
(die beiden Triebwerke 1 und 1' und die Schubeinheit 12)
den Schub gleichzeitig, und der Schub und die Ausströmgeschwindigkeit der
beiden Triebwerke werden durch die Luftabnahme am Verdichter reduziert.
Die Leitungen 20, 20' sind nicht verschlossen und leiten
somit Druckluft zu der Verbrennungskammer 18 der Hilfsschubeinheit.
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Die
so zugeleitete Druckluft wird dann mit dem Treibstoff vermischt,
und die Verbrennungsgase, die von der Verbrennungskammer 18 der
Schubeinheit 12 erzeugt werden, gehen dann durch die Turbine 14,
die das Gebläse 16 der
Schubeinheit antreibt, um einen ergänzenden Schub zu erzeugen, der
für Start,
Landung und Unterschallflug ausreicht.
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Durch
eine geeignete Bemessung des Gebläses 16 kann die Schubeinheit
mit einem hohen Verdünnungsverhältnis und
einer geringen Ausströmgeschwindigkeit
funktionieren, was für
die Start- und Unterschallflugphasen gut geeignet ist, und dabei
leichter den Anforderungen an Lärm
und geringem spezifischen Verbrauch gerecht werden. Unter Verdünnungsverhältnis versteht
man das Verhältnis
zwischen der ausgeströmten
Luftmasse, die von den Gebläsen
erzeugt wird, und der Menge der ausgeströmten Verbrennungsgase, die
von den Verbrennungskammern der Triebwerke 1, 1' erzeugt wird.
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Der Übergang
zwischen der Unterschallflugphase und der Überschallflugphase (vgl. 1b)
erfolgt dann, indem die Leitungen 20, 20' über die
Ventile 24, 24' verschlossen
werden und indem die Versorgung der Verbrennungskammer 18 mit
Treibstoff bis zum Stillstand der Hilfsschubeinheit 12 unterbrochen
wird. Die Triebwerke 1 und 1' stellen dann alleine den Antrieb
des Flugzeugs sicher und ermöglichen
ihm, Überschallgeschwindigkeiten
zu erreichen. Somit funktioniert die Vorrichtung mit einem sehr
geringen Verdünnungsverhältnis (praktisch gleich
Null) und einer hohen Ausströmgeschwindigkeit
(was eben einem starken spezifischen Schub entspricht).
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Wie
in 2 gezeigt, kann die Hilfsschubeinheit 12 direkt
in den Flugzeugrumpf eingebaut sein, und zwar in den hinteren Teil
davon. Dazu sind (wie dargestellt seitliche und/oder bodenseitige)
einklappbare Lufteinlaßöffnungen 26 auf
dem Flugzeugrumpf angeordnet, um die Versorgung der Schubeinheit 12 mit
Luft sicherzustellen, und ausfahrbare Ableitungsrohre 28 ermöglichen
es, die von der Hilfsschubeinheit während der Start-, Lande- und
Unterschallflugphasen erzeugten Gase abzuleiten.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung (vgl. 3) umfaßt die Vorrichtung zwei Triebwerke 1 und 1', die unabhängig zwei
Hilfsschubeinheiten 12 und 12' mit Druckluft versorgen. Diese Ausführungsform
verbessert die Sicherheit der Schubvorrichtung, wenn eine der Schubeinheiten eine
Panne hat.
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Zudem
können
diese beiden Schubeinheiten vorteilhafterweise entlang der Hauptachse
des Flugzeugs versetzt sein, um den Platzbedarf der Einheit zu optimieren.
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In 3 sieht
man, daß die
(seitlichen und/oder bodenseitigen) verschließbaren Lufteinlaßöffnungen 26 ebenfalls
auf dem Flugzeugrumpf vorgesehen sind, um die Versorgung der Schubeinheiten 12 und 12' mit Luft während Start,
Landung und Unterschallflug sicherzustellen, und Ableitungsrohre 28 sind
ausgefahren, um die Gase, welche den Schub während dieser Flugphasen erzeugen,
abzuleiten. Beim Umschalten auf Überschallflug
werden diese Lufteinlaßöffnungen 26 nach
dem Stillstand der Hilfsschubeinheiten 12, 12' verschlossen,
und die Ableitungsrohre 28 werden eingezogen. Dadurch reduziert
sich dann der Luftwiderstand allein auf den der Turbinengondel.
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Selbstverständlich ist
eine beliebige andere Ausführungsform
denkbar, wenn man ein oder mehrere Triebwerke mit einer oder mehreren
Schubeinheiten kombiniert.
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Die
zuvor beschriebene vorliegende Erfindung weist mehrere Vorteile
auf, und zwar insbesondere folgende:
- – Die Schubvorrichtung
ermöglicht
es, bei Start und Landung eine Gasausströmgeschwindigkeit von weniger
als 400 m/s (sogar etwa 300 m/s) zu erhalten, was einem Lärmpegel
von weniger als 103 dB (90 dB für
eine Geschwindigkeit von weniger als 300 m/s) entspricht.
- – Der
Startschub des oder der Triebwerkel(s) kann z. B. im Verhältnis zu
dem des oder der alleine funktionierenden Triebwerkel(s) um einen
Multiplikationsfaktor von ungefähr
50 bis 60%, je nach dem Durchmesser des Gebläses der Hilfsschubeinheit gesteigert
werden.
- – Der
spezifische Verbrauch beim Unterschallflug kann durch ein hohes
Verdünnungsverhältnis, das dem
von bestimmten Unterschallflugzeugen entspricht, stark gesenkt werden.
- – Die
Schubvorrichtung verwendet ein oder mehrere Triebwerke üblichen
Aufbaus, was die oft mit neuartigen Technologien verbundenen Ausfallrisiken
einschränkt.
- – Sollte
die Hilfsschubeinheit ausfallen oder erlöschen, kann das Schließen des
Abnahmeventils und das Umschalten auf direkten Strahl bei voller Kraft
die Möglichkeit
geben, einen ausreichenden Schub beizubehalten, um durchzustarten
und dann die Landung sicherzustellen, wobei es nicht mehr darum
geht, Lärmstandards
einzuhalten, sondern einen Flugzeugunfall zu vermeiden.
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Es
versteht sich, daß die
vorliegende Erfindung sich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern daß sie
alle Varianten davon einbezieht.