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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine neue Hinterkantenform einer
Laminarströmungstragfläche, bei
der ein die Nase absenkendes Kippmoment um einen aerodynamischen
Mittelpunkt, das ein für eine
Laminarströmungstragfläche typisches
Problem ist, unterdrückt
ist.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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Eine
Grenzschicht an einer Oberfläche
eines Hauptflügels
eines Flugzeugs ist an einer Vorderkante eine Laminarströmungs-Grenzschicht,
aber ändert sich
zu einer Hinterkante hin von der Laminarströmungs-Grenzschicht zu einer
Turbulenzströmungs-Grenzschicht.
Ein Strömungswiderstand
an der Oberfläche
des Hauptflügels
ist bei der Laminarströmungs-Grenzschicht
kleiner als bei der Turbulenzströmungs-Grenzschicht.
Um den Widerstand am Hauptflügel
zu verringern, ist es daher wünschenswert,
dass ein Übergangspunkt,
bei dem sich die Laminarströmungs-Grenzschicht
zur Turbulenzströmungs-Grenzschicht
verändert,
zur Hinterkante hin verlagert ist, um dadurch den Bereich der Laminarströmungs-Grenzschicht
soweit als möglich
zu verlängern.
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Eine
Laminarströmungstragfläche der „6-Serie", die in den frühen 1940er-Jahren
durch NACA entwickelt wurde, unterdrückte den Widerstand besser
als die herkömmliche
Laminarströmungstragfläche. Wenn
jedoch ein Abschnitt einer Flügelfläche in der
Nähe einer
Vorderkante rauh ist, tendiert der stärkste Auftrieb unvorteilhaft
dazu sich in großem Maße zu verringern, was
zu einem großen
Problem während
des Startens oder Landens des Flugzeugs führt.
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Danach
entwickelte NASA 1977 und 1983 jeweils NLF(1)-0215F und NLF(1)-0414F.
Diese Laminarströmungstragflächen ermöglichen
eine Verringerung im Widerstand, haben jedoch ein Problem darin, dass
sie ein großes
die Nase absenkendes Kippmoment verursachen. Weil diese Laminarströmungstragflächen zur
Verwendung in einem niedrigen Geschwindigkeitsbereich vorgesehen
sind, weisen sie weiterhin ein Problem darin auf, dass sie einem
frühen
Stadium eines Unterschallgeschwindigkeitsbereichs ein Widerstandsdivergenzphänomen verursachen.
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Bei
HSNLF (1)-0213, die 1984 von NASA zur Verwendung in einem hohen
Unterschallgeschwindigkeitsbereich entwickelt wurde, ist ein Widerstandsdivergenzphänomen schwer
zu erzeugen und ein die Nase absenkendes Kippmoment ist klein. Jedoch
ist der stärkste
Auftrieb in einem Bereich kleinerer Reynoldszahlen klein und die
Kapazität
eines Treibstofftanks im Inneren des Flügels ist unzureichend, weil
die Flügeldicke
ungefähr
13% einer Flügelsehnenlänge beträgt, was
zu einer Schwierigkeit bei der Sicherstellung von Reichweite führt.
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Die
US-Patente Nr. 4,858,852 und Nr. 5,318,249 offenbaren bekannte Tragflächen, die
ein Merkmal der Form einer Vorderkante aufweisen.
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Bei
der im US-Patent Nr. 4,858,852 offenbarten Tragfläche weist
eine Hinterkante der Tragfläche zur
Verwendung in einem transsonischen Geschwindigkeitsbereich eine
stumpfe Form mit einer Dicke auf und der Abstand zwischen einer
oberen Flügelfläche und
einer unteren Flügelfläche läuft der
Nähe der Hinterkante
auseinander, so dass die Flügeldicke
zur Hinterkante hin größer wird,
wodurch ein Anstieg des Auftriebs und eine Verringerung des Widerstands
erreicht wird.
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Bei
der im US-Patent Nr. 5,318,249 beschriebenen Tragfläche ist
ein Abschnitt sowohl einer oberen Fläche als auch einer unteren
Fläche
der Tragfläche
zur Verwendung in einem transsonischen Geschwindigkeitsbereich in
der Nähe
einer Hinterkante in weitem Maße
nach unten gekrümmt,
wodurch eine Ablösung
einer laminaren Strömung
an einer oberen Flügelfäche im transsonischen
Geschwindigkeitsbereich vermieden wird.
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Generell
ist bei einer Laminarströmungstragfläche, bei
der sich ein Laminarströmungs-Grenzschichtbereich
längs zu
einer Hinterkante hin erstreckt, ein Unterdruck an einer oberen
Flügelfläche auch
an der Hinterkante groß,
so dass der seitliche Auftrieb der Hinterkante zu einem großen Anteil
des gesamten Flügelauftriebs
beiträgt.
Als Ergebnis wird ein die Nase absenkendes Kippmoment um einen aerodynamischen
Mittelpunkt unvorteilhaft erhöht. Um
das die Nase absenkende Kippmoment auszugleichen, ist es notwendig
einen durch ein horizontales Leitwerk erzeugten Abtrieb zu erhöhen. Wenn
der durch das horizontale Leitwerk erzeugte Abtrieb erhöht wird,
wird der Auftrieb am gesamten Flugzeug verringert und der Widerstand
am horizontalen Leitwerk erhöht,
wodurch der Widerstand am gesamten Flugzeug unvorteilhaft erhöht wird.
Es ist also notwendig, die Fläche
des horizontalen Leitwerks zu erhöhen und den sich von einer
Schwerpunktsposition zum horizontalen Leitwerk verlaufenden Momentenarm
zu erhöhen,
was zu unvorteilhafter weiterer Erhöhung von Gewicht und Widerstand
führt.
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Eine
weitere herkömmliche
Tragfläche
mit niedrigem Widerstand ist in der
GB
615318 gezeigt. Diese Tragfläche stellt eine laminare Grenzschicht von
der Nase bis zu 40% der Sehne sicher. Von dem Punkt bei 40% der
Sehne an wird der Druck dazu gebracht, sanft und allmählich anzusteigen,
wobei die Druckanstiegsrate ansteigt, wenn die Hinterkante der Tragfläche erreicht
wird.
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Die
US 4,776,531 A und
die
EP 0 517 467 A1 offenbaren
Tragfächen
für Rotoren
von Helikoptern oder Flugzeugpropellern, die derart konstruiert
sind, dass ein großer
Auftriebskoeffizient und ein kleines Kippmoment erhalten wird.
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Zusammenfassung
und Aufgaben der Erfindung
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, an einer Laminarströmungstragfläche ein
unerwünschtes
die Nase absenkendes Kippmoment zu verringern, während ein Effekt der Verringerung
des Widerstands erhalten wird.
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Zur
Lösung
der obigen Aufgabe ist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Laminarströmungstragfläche mit
einer Hinterkantenform gemäß Anspruch
1 vorgesehen. Die Laminarströmungstragfläche umfasst
eine obere Flügelfläche, eine
untere Flügelfläche, eine
Vorderkante und eine Hinterkante, wobei die obere Flügelfäche umfasst:
einen vorderen Profilabschnitt, der einen positiven Krümmungsradius
aufweist und der vorgesehen ist, um sich von der Vorderkante aus
zu einem Punkt größter Dicke
zu erstrecken, der in einem Bereich von 30% bis 50% einer Flügelsehnenlänge angeordnet
ist, wobei der vordere Profilabschnitt eine Laminarströmungs-Grenzschicht
ausbildet, einen mittleren Profilabschnitt, der einen positiven
Krümmungsradius
aufweist und der vorgesehen ist, um sich von dem Punkt größter Dicke
aus zur Nähe
einer ungefähr
90% der Flügelsehnenlänge entsprechenden
Position zu erstrecken, bei welcher ein durch Teilen der Differenz
in Dickenrichtung zwischen der Position und dem Punkt größter Dicke
durch den Abstand vom Punkt größter Dicke
in einer Richtung einer Flügelsehne
erhaltener Wert gleich oder kleiner als 0,12 ist, wobei der mittlere
Profilabschnitt einen sanften Druckgradienten ausbildet, um eine
Ablösung
der Grenzschicht zu unterdrücken,
und einen hinteren Profilabschnitt Cr, der einen negativen Krümmungsradius
aufweist oder geradlinig ist und der vorgesehen ist, um sich von
der Nähe
einer ungefähr
95% der Flügelsehnenlänge C entsprechenden
Position zur Hinterkante zu erstre cken, wobei der hintere Profilabschnitt
einen Druckgadienten ausbildet, der steiler ist als der durch den mittleren
Abschnitt gebildete, um eine schwache Ablösung der Grenzschicht zu induzieren,
wodurch ein die Nase absenkendes Kippmoment um einen aerodynamischen
Mittelpunkt verringert wird.
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Mit
der obigen Anordnung wird der Punkt größter Dicke an einem hinteren
Ende eines vorderen Profilabschnitts an der oberen Flügelfläche der Laminarströmungstragfläche an einer
Stelle ausgebildet, die einem Bereich von 30% bis 50% der Flügelsehnenlänge entspricht
und der näher
an der Hinterkante liegt als bei der herkömmlichen Laminarströmungstragfläche. Daher
ist der Druckgradient im mittleren Profilabschnitt, der sich von
dem Punkt größter Dicke
aus zur Hinterkante hin erstreckt, sanfter als bei der herkömmlichen
Laminarströmungstragfläche, wodurch
eine Turbulenzströmungs-Grenzschicht
stabilisiert wird und das Auftreten der unerwünschten Ablösung der Turbulenzströmungs-Grenzschicht
unterdrückt
wird, um einen Anstieg des Auftriebs und eine Verringerung des Widerstands
zu erreichen. Weiterhin ist der hintere Profilabschnitt, der einen
negativen Krümmungsradius aufweist
(oder der geradlinig ist) derart vorgesehen, dass er sich von der
Position entsprechend 95% der Flügelsehnenlänge an der
oberen Flügelfläche zur Hinterkante
zu erstreckt, wodurch die Geschwindigkeit einer Luftströmung am
hinteren Profilabschnitt plötzlich
verringert wird, um die Ablösung
der Turbulenzströmungs-Grenzschicht
positiv zu begünstigen. Im
Ergebnis ist es möglich,
den Auftrieb in der Nähe der
Hinterkante der Laminarströmungstragfläche zu verringern,
um dadurch das die Nase absenkende Kippmoment zu verringern. Sogar
dann, wenn ein Rückgang
des Auftriebs und ein Anstieg des Widerstands aufgrund der Ablösung der
Turbulenzströmungs-Grenzschicht
vernachlässigbar
klein sind, kann das die Nase absenkende Kippmoment mit einem solchen
geringfügigen
Rückgang
des Auftriebs deutlich verringert werden, weil in der Nähe der Hinterkante,
wo die Ablösung
der Turbulenzströmungs-Grenzschicht
auftritt, der Abstand vom aerodynamischen Mittelpunkt groß ist.
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Der
weitere Rahmen der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird
deutlich aus der hierin im Folgenden gegebenen detaillierten Beschreibung. Es
versteht sich jedoch, dass die detaillierte Beschreibung und die
spezifischen Beispiele, obwohl sie bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anzeigen, lediglich zur Erläuterung gegeben werden, da
verschiedene Änderungen
und Modifikationen innerhalb der Idee und des Rahmens der Erfindung
für den
Fachmann aus dieser detaillierten Beschreibung offensichtlich sind.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird noch vollständiger verständlich aus
der hierin im Folgenden gegebenen detaillierten Beschreibung und
den begleitenden Zeichnungen, die lediglich zur Illustration gegeben
werden und daher für
die vorliegende Erfindung nicht beschränkend sind, und wobei:
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1 ein
Diagramm ist, das die Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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2 ein
vergrößertes Diagramm
eines in 1 durch einen Pfeil 2 gekennzeichneten
Abschnitts ist,
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3 ein
Diagramm ist, das ein theoretisches Design-Druckprofil bei der Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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4 ein
Graph ist, der experimentelle Werte und theoretische Werte für eine Charakteristik
des Kippmomentkoeffizienten Cm relativ zu einem Auftriebskoeffizienten
Cl zeigt,
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5 eine
Explosionsquerschnittsansicht von gekoppelten Abschnitten einer
Vorderkantenstruktur und einer Flügelmittenstruktur des Hauptflügels zeigt,
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6 eine
vergrößerte Querschnittsansicht der
gekoppelten Abschnitte der Vorderkantenstruktur und der Flügelmittenstruktur
des Hauptflügels
zeigt,
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7 ein
Graph ist, der die Beziehung zwischen den Größen von Stufen an einer oberen
Flügelfläche und
den Beträgen ΔCd der Veränderung des
Widerstandskoeffizienten relativ zu denjenigen der Stufen zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun durch eine bevorzugte Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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Zunächst Bezug
nehmend auf 1 umfasst das Profil einer Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
eine obere Flügelfläche Su,
eine untere Flügelfläche Sl,
eine Vorderkante El und eine Hinterkante Et. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
liegt ein Punkt größter Dicke
Tu an der oberen Flügelfläche SU gemessen von
einer Sehnenlinie an einem Punkt entsprechend 38% einer Flügelsehnenlänge C, um
einen Bereich mit laminarer Grenzschicht auszubilden. Ein Übergangspunkt
TPu, bei dem der Bereich mit laminarer Grenzschicht sich zu einem
Bereich mit turbulenter Grenzschicht ändert, existiert in der Nähe der Position
größter Dicke
Tu. Der Übergangspunkt
TPu liegt in der Nähe
einer Position entsprechend 42% der Flügelsehnenlänge C. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
liegt eine Position größter Dicke
Tl an der unteren Flügelfläche S1 gemessen
von der Sehnenlinie an einem Punkt entsprechend 49 der Flügelsehnenlänge C, um
einen Bereich mit laminarer Grenzschicht auszubilden. Ein Übergangspunkt
TPl, bei dem der Bereich mit laminarer Grenzschicht sich zu einem
Bereich mit turbulenter Grenzschicht ändert, existiert in der Nähe der Position
größter Dicke
Tl. Der Übergangspunkt
TPl liegt in der Nähe
einer Position entsprechend 63% der Flügelsehnenlänge C.
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Der
Grund, warum die Positionen der Übergänge TPu
und TPl als „in
der Nähe" der Positionen an
der Flügelsehnenlänge bestimmt
werden, ist der, dass sie sich abhängig von Flugbedingungen wie
der Reynoldszahl, einer Machzahl und einer Fluglage ändern.
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Bei
einer herkömmlichen
Laminarströmungstragfläche, z.B.
einer Laminarströmungstragfläche der
NACA „6-Serie", sind die Längen von
Bereichen mit laminarer Grenzschicht an einer oberen Flügelfläche Su und
an einer unteren Flügelfläche Sl im
Allgemeinen derart bestimmt, dass sie gleich sind, und eine Position
des Übergangspunkts
ist derart bestimmt, dass er ein Punkt entsprechend ungefähr 50% einer
Flügelsehnenlänge C ist.
Andererseits ist bei der Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden Ausführungsform
eine Strömungsabrisscharakteristik
verbessert durch Vorverlagerung der Position größter Dicke Tu an der oberen
Flügelfläche Su zu
einer Position entsprechend 38% der Flügelsehnenlänge C, d.h. durch Vorverlagerung
der Position des Übergangspunkts
TPu, der der Position größter Dicke
Tu zugeordnet ist, zur Nähe
einer Position entsprechend 42% der Flügelsehnenlänge C. Weiterhin kann ein Anstieg
im Widerstand aufgrund der vorverlagerten Position des Übergangspunkts TPu
an der oberen Flügelfläche Su kompensiert
werden durch eine Verringerung im Widerstand, die durch Zurückverlagerung
der Position größter Dicke Tl
an der unteren Flügelfläche Sl zu
einer Position entsprechend 49% der Flügelsehnenlänge C, d.h. durch Zurückverlagerung
der Position des Übergangspunkts
TPl, der der Position größter Dicke
Tl zugeordnet ist, zur Nähe
einer Position entsprechend 63% der Flügelsehnenlänge C, erreicht wird.
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Ein
Bereich von der Vorderkante El zur Position größter Dicke Tu an der oberen
Flügelfläche Su bildet
einen vorderen Profilabschnitt Cf, der die laminare Grenzschicht
bildet. Der vordere Profilabschnitt besitzt einen positiven Krümmungsradius
und ist konvex nach außen
gekrümmt.
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Ein
Bereich von der Position größter Dicke Tu
zur Nähe
eines ungefähr
90% der Flügelsehnenlänge C entsprechenden
Punkts an der oberen Flügelfläche Su bildet
einen mittleren Profilabschnitt Cc bei der vorliegenden Erfindung.
Im mittleren Profilabschnitt Cc bildet sich die von der Laminarströmungs-Grenzschicht
geänderte
Turbulenzströmungs-Grenzschicht
aus. Der mittlere Profilabschnitt Cc weist einen positiven Krümmungsradius
auf und ist konvex nach außen
gekrümmt.
Im mittleren Profilabschnitt Cc ist jedoch ein Wert (Δt/L), der
durch Teilen einer Differenz in Dickenrichtung Δt zwischen einem vorderen Punkt
im mittleren Profilabschnitt Cc (dem der Position größter Dicke
Tu entsprechenden 38%-Punkt) und einem hinteren Punkt im mittleren Profilabschnitt
Cc (dem 90%-Punkt) durch einen Abstand L in einer Richtung einer
Flügelsehne
vom der Position größter Dicke
Tu (der dem vorderen Punkt des mittleren Profilabschnitts Cc entsprechenden 38%-Position)
bis zum hinteren Punkt im mittleren Profilabschnitt Cc erhalten
wird, als gleich oder kleiner als 0,12 festgelegt. Der mittlere
Profilabschnitt Cc ist ist nämlich
von dem vorderen Punkt zum hinteren Punkt sanft geneigt.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, wird im Ergebnis der Druckgradient
im mittleren Profilabschnitt Cc der oberen Flügelfläche Su sanft von einem Unterdruck
zu einem Überdruck
wiederhergestellt, so dass die Turbulenzströmungs-Grenzschicht an einem
solchen Abschnitt stabilisiert werden kann und verhindert werden
kann, dass sie sich ablöst,
wodurch eine Verringerung des Auftriebs und ein Anstieg des Widerstands
verhindert wird. Wenn die Position größter Dicke Tu weiter nach hinten
als die oben beschriebene Position bei der Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
angeordnet ist und als Ergebnis der Druckgradient im mittleren Profilabschnitt
Cc steil wird, kann die Turbulenzströmungs-Grenzschicht instabil
werden und zufällig
an einer beliebigen Position im mittleren Profilab schnitt Cc abgelöst werden,
wodurch eine Verringerung des Auftriebs und ein Anstieg des Widerstands
verursacht wird. Insbesondere wird die Verringerung des Auftriebs
und der Anstieg des Widerstands umso signifikanter je näher der
Ablösungspunkt
zur Vorderkante El gelangt.
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Wie
aus 2, die ein vergrößertes Diagramm eines Abschnitts
in der Nähe
der Hinterkante Et der Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ist, ersichtlich ist, weist ein hinterer Profilabschnitt Cr, der
in einem Bereich vorgesehen ist, der sich von der Position entsprechend
90% der Flügelsehnenlänge C zur
Hinterkante Et erstreckt, einen negativen Krümmungsradius auf und ist konkav
nach außen
gekrümmt.
Wie aus 3 ersichtlich ist, wird in dem
hinteren Profilabschnitt Cr, der den negativen Krümmungsradius
aufweist, die Geschwindigkeit einer Luftströmung plötzlich verringert, wodurch
der Druckgradient in dem Abschnitt Cr steil ist, so dass eine plötzliche
Wiederherstellung des Drucks von dem Unterdruck zum Überdruck
verursacht wird. Daher wird die Ablösung der Turbulenzströmungs-Grenzschicht
in der Nähe
des hinteren Profilabschnitts Cr begünstigt, wodurch der Auftrieb in
der Nähe
der Hinterkante Et verringert wird, so dass ein die Nase absenkendes
Kippmoment um einen aerodynamischen Mittelpunkt AC verringert wird. Ein
Momentenarm von dem aerodynamischen Mittelpunkt AC, der an einer
Position entsprechend 25% der Flügelsehnenlänge C existiert,
bis zur Hinterkante Et ist länger
und folglich wird sogar dann, wenn der Auftrieb in der Nähe der Hinterkante
Et geringfügig verringert
ist, das die Nase absenkende Kippmoment deutlich verringert.
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Wenn
das die Nase absenkende Kippmoment in der obigen Weise verringert
wird, kann ein Abtrieb, der durch ein horizontales Leitwerk erzeugt wird,
um ein Gleichgewicht um eine Kippachse aufrecht zu erhalten, verringert
werden. Daher ist es möglich,
eine Verringerung im Auftrieb des gesamten Flugzeugs aufgrund des
Abtriebs, der durch das horizontale Leitwerk erzeugt wird, und einen
Anstieg im Widerstand auf das horizontale Leitwerk, der andernfalls
den Widerstand auf das Flugzeug erhöhen würde, zu verhindern. Ferner
ist es möglich,
das Erfordernis für
eine Erhöhung
des Momentenarms von einer Schwerpunktsposition zum horizontalen
Leitwerk zu eliminieren, wodurch eine Erhöhung des Gewichts und eine
Erhöhung
des Widerstands vermieden wird. Weiterhin ist die am hinteren Profilabschnitt
Cr auftretende Ablösung
geringfügig,
so dass eine Verringerung im Auftrieb und eine Erhöhung im
Widerstand aufgrund der Ablösung
nichts ausmacht.
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4 ist
ein Diagramm zur Erläuterung
eines Effekts der Verringerung des die Nase absenkenden Kippmoments.
In 4 zeigt der Kreis einen Wert an, der in einem
Experiment unter Verwendung eines wirklichen Flugzeugs (bei Bedingungen
einer Machzahl in einem Bereich von 0,62 bis 0,64 und einer Reynoldszahl
in einem Bereich von 11,5 bis 16,7 × 106)
erhalten wurde, das Quadrat zeigt einen Wert an, der in einem Experiment
unter Verwendung eines transsonischen Windkanals (bei Bedingungen
einer Machzahl von 0,64 und einer Reynoldszahl von 8 × 106) erhalten wurde und das Dreieck zeigt einen
Wert an, der in einem Experiment unter Verwendung desselben Windkanals
(bei Bedingungen einer Machzahl von 0,7 und einer Reynoldszahl von
8 × 106) erhalten wurde. Die durchgezogene Linie
und die gestrichelte Linie zeigen zeigen jeweils einen theoretischen
Wert an, der durch eine Technik (die hierin im Folgenden als MSES
bezeichnet wird) erhalten wurde, die eine Kombination eines Euler-Verfahrens
und eines en-Verfahrens ist und die eine
von Analysetechniken für
die Tragfläche
in einem Hochgeschwindikgkeitsbereich mit Berücksichtigung einer Stoßwelle und
einer Widerstandsdivergenz ist. Die durchgezogene Linie entspricht
einem Fall, in dem die Ablösung
der Turbulenzströmungs-Grenzschicht
in der Nähe
des hinteren Profilabschnitts Cr berücksichtigt wurde. Die gestrichelte
Linie entspricht einem Fall, in dem die Ablösung der Turbulenzströmungs-Grenzschicht
in der Nähe
des hinteren Profilabschnitts Cr nicht berücksichtigt wurde.
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Wie
aus 4 deutlich wird, versteht es sich, dass die Ergebnisse
des Flugexperiments und des Windkanalexperiments ausreichend mit
dem theoretischen Wert in dem MSES übereinstimmen, bei dem die
Ablösung
der Turbulenzströmungs-Grenzschicht berücksichtigt
wurde, und dass das die Nase absenkende Moment deutlich verringert
ist im Vergleich mit dem theoretischen Wert in dem MSES; bei dem
die Ablösung
der Turbulenzströmungs-Grenzschicht nicht
berücksichtigt
wurde.
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Die
größte Dicke
der Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden
Ausführungsform (die
Dicke zwischen der oberen Flügelfläche Su und der
unteren Flügelfläche Sl)
beträgt
15% der Flügelsehnenlänge C und
folglich kann die Kapazität
eines Treibstofftanks in dem Flügel
ausreichend erhöht werden,
um eine erforderliche Reichweite sicherzustellen.
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Wie
in 5 und 6 gezeigt ist, enthält ein Hauptfügel eines
Flugzeugs, das die Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden
Ausführung
verwendet, eine Vorderkantenstrukur 11 und eine Flügelmittenstrukur 12,
die getrennt voneinander zusammengebaut sind. Die Vorderkantenstruktur 11 enthält einen
Vorderkantenholm 13 mit einem kanalförmigen Abschnitt, eine Mehrzahl
von Rippen 14, die mit dem Vorderkantenholm 13 gekoppelt
sind, und eine Außenhaut 15,
die den Vorderkantenholm 13 und die Rippen 14 abdeckt.
Die Außenhaut 15 und Stangenscharniere 16 sind
durch Niete 17 aneinander an einem hinteren oberen Abschnitt
des der Flügelmittenstruktur 12 zugewandten
Vorderkantenholms 13 befestigt.
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Die
Außenhaut 15 und
Stangenscharniere 18 sind durch Niete 19 aneinander
an einem unteren hinteren Abschnitt des der Flügelmittenstruktur 12 zugewandten
Vorderkantenholms befestigt.
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Die
Flügelmittenstrukur 12 enthält einen
vorderen Holm 20 mit einem kanalförmigen Abschnitt, eine Mehrzahl
von Rippen 21, die mit einer hinteren Fläche des
vorderen Holms 20 gekoppelt sind, und eine obere Außen haut 22 und
eine untere Außenhaut 23,
die den vorderen Holm 20 und die Rippen 21 abdecken.
Die obere Außenhaut 22 und
die untere Außenhaut 23 sind
durch Niete 24 und 25 an dem vorderen Holm 20 befestigt.
Stangenscharniere 26 sind durch Niete 27 an einem
der Vorderkantenstruktur 11 zugewandten vorderen oberen
Abschnitt des Holms 20 befestigt. Stangenscharniere 28 sind
durch Niete 29 an einem der Vorderkantenstruktur 11 zugewandten
vorderen unteren Abschnitt des Holms 20 befestigt.
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Eine
hintere Fläche
der Vorderkantenstruktur 11 liegt an einer vorderen Fläche der
Flügelmittenstruktur 12 an
und Stifte 30 sind durch die Stangenscharniere 16 und 18 der
Vorderkantenstruktur 11 und die entsprechenden Stangenscharniere 26 und 28 der
Flügelmittenstrukur 12 geführt, wodurch
die Flügelmittenstruktur 12 und
die Vorderkantenstruktur 11 integral miteinander gekoppelt
sind. Hierbei ist es aufgrund von Herstellungstoleranzen unvermeidbar, dass
eine kleiner Spalt α und
eine kleine Stufe β zwischen
einem hinteren Ende der Außenhaut 15 der Vorderkantestruktur 11 und
einem vorderen Ende der oberen Außenhaut 22 und der
unteren Außenhaut 23 der
Flügelmittenstruktur 12 erzeugt
werden.
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Ein
Graph in 7 zeigt die die Beträge ΔCd der Änderung
des Widerstandskoeffizienten in dem Fall, in dem eine Stufe in der
oberen Fläche
der Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden Ausführungsform
vorgesehen war. Insbesondere wurde ein Flugtest unter Verwendung
eines wirklichen Flugzeugs durchgeführt, wobei Stufen unterschiedlicher
Höhe an
Stellen entsprechend 10% und 20% der Flügelsehnenlänge C an der oberen Fläche des
Hauptflügels
des wirklichen Flugzeugs vorgesehen waren, wobei Beträge ΔCd der Änderung
des Widerstandskoeffizienten durch Vergleich mit einem Fall, in
dem keine Stufen vorgesehen waren, berechnet wurden. Wenn z.B. die
Stufe 0,19 mm beträgt,
ist ersichtlich, dass der Betrag ΔCd
der Änderung
des Widerstandskoeffizienten in dem Fall, in dem die Stufe an der
Position entsprechend 10% der Flügelsehnenlänge C angeordnet
war, ungefähr
30 Zählwerte in
einem Bereich einer Reynolds zahl kleiner als 13 × 106 beträgt, wohingegen
der Betrag ΔCd
der Änderung
des Widerstandskoeffizienten in dem Fall, in dem die Stufe an der
Position entsprechend 20% der Flügelsehnenlänge C angeordnet
war, ungefähr
3 Zählwerte
in einem Bereich einer Reynoldszahl kleiner als 13 × 106 beträgt,
was ein Zehntel der 30 Zählwerte
ist. D.h. der Einfluss der Stufe ist dramatisch verringert. Wenn
die Reynoldszahl 13,5 × 106 beträgt,
ist der Effekt etwas geringer, aber der Betrag ΔCd der Änderung des Widerstandskoeffizienten
in dem Fall, in dem die Stufe an der Position entsprechend 20% der
Flügelsehnenlänge C angeordnet war,
ist deutlich auf 7 Zählwerte
verringert, von den 30 in dem Fall gezeigten, dass die Stufe an
der Position entsprechend 10% der Flügelsehnenlänge C angeordnet war.
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Wie
oben beschrieben wurde, kann in einem Fall, in dem die Laminarströmungstragfläche gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
verwendet wird, dann wenn die Stufe an der Position entsprechend 20%
der Flügelsehnenlänge C angeordnet
ist, eine Erhöhung
des Widerstands minimiert werden. Daher ist es durch Anordnen von
gekoppelten Abschnitten zwischen der Vorderkantenstrukur 11 und
der Flügelmittenstruktur 12,
bei der die Erzeugung des Spalts α und
der Stufe β unvermeidbar
ist, an der Position entsprechend 20% der Flügelsehnenlänge C möglich, eine Erhöhung des
Widerstands aufgrund des Spalts α und
der Stufe β zu
minimieren.
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Obwohl
die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurde, versteht es
sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene
Ausführungsform
beschränkt
ist und dass verschiedene Modifikationen im Design gemacht werden
können,
ohne von der Idee und dem Rahmen der in den Ansprüchen definierten
Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise
weist der hintere Profilabschnitt Cr den negativen Krümmungsradius
auf, aber er kann geradlinig sein.
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Weiterhin
ist in der Ausführungsform
die Position größter Dicke
Tu an der oberen Flügelfläche Su an
der Position entsprechend 38% der Flügelsehnenlänge C angeordnet, kann aber
auch zwischen einer Position entsprechend 30% der Flügelsehnenlänge und
einer Position entsprechend 50% der Flügelsehnenlänge C angeordnet sein.
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Ferner
kann sogar an einer bereits existierenden Tragfläche, die nicht in der vorliegenden
Erfindung enthalten ist, ein ähnlicher
Effekt erwartet werden, wenn eine solche Tragfläche zu einer in der vorliegenden
Erfindung enthaltenen Tragfläche
verbessert wird, indem eine Füllung
an einer Fläche
eines die Tragfläche
aufweisenden Flügels
vorgesehen wird oder indem eine solche Fläche geschliffen wird.
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Aus
der vorangehenden Beschreibung versteht es sich, dass die Erfindung
in vielfältiger
Weise variiert werden kann. Solche Variationen sind nicht als ein
Abweichen von der Idee und dem Rahmen der Erfindung anzusehen und
alle derartigen Modifikationen sind, da sie für den Fachmann offensichtlich sind,
als innerhalb des Rahmens der angefügten Ansprüche liegend anzusehen.
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Eine
obere Flügelfläche einer
Laminarströmungstragfläche umfasst:
einen vorderen Profilabschnitt, der einen positiven Krümmungsradius
aufweist und der vorgesehen ist, um sich von der Vorderkante aus
zu einem Punkt größter Dicke
zu erstrecken, der an einer Position entsprechend 38% einer Flügelsehnenlänge angeordnet
ist. Der vordere Profilabschnitt bildet eine Laminarströmungs-Grenzschicht
aus. Ein mittlerer Profilabschnitt weist einen positiven Krümmungsradius
auf und ist vorgesehen, um sich von dem Punkt größter Dicke aus zur Nähe einer
ungefähr
90% der Flügelsehnenlänge entsprechenden
Position zu erstrecken, bei welcher ein durch Teilen der Differenz
in Dickenrichtung zwischen der Position und dem Punkt größter Dicke durch
den Abstand in einer Richtung einer Flügelsehne vom Punkt größter Dicke
erhaltener Wert gleich oder kleiner als 0,12 ist. Der mittlere Profilabschnitt bildet
einen sanften Druckgradienten aus, um eine Ablösung der Grenzschicht zu unterdrücken, und
ein hinterer Profilabschnitt weist einen negativen Krümmungsradius
auf, der vorgesehen ist, um sich von der Nähe einer ungefähr 95% der
Flügelsehnenlänge entsprechenden
Position zur Hinterkante zu erstrecken. Der hintere Profilabschnitt
bildet einen Druckgadienten aus, der steiler ist als der durch den
mittleren Abschnitt gebildete, um eine schwache Ablösung der
Grenzschicht zu induzieren, wodurch ein die Nase absenkendes Kippmoment
um einen aerodynamischen Mittelpunkt verringert wird. Daher ist
es möglich,
ein unerwünschtes
die Nase absenkendes Kippmoment zu vermeiden, während ein Effekt der Verringerung
eines Widerstands an einer Laminarströmungstragfläche aufrecht erhalten wird.