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Flugzeug, insbesondere für Überschallgeschwindigkeit Die Erfindung
hat gewisse Verbesserungen an den zur Überschreitung der Schallgeschwindigkeit bestimmten
Flugzeugen, den sogenannten Überschallflugzeugen, zum Gegenstand. Die bei diesen
Flugzeugen auftretenden Probleme des Auftriebs, Widerstandes usw. unterscheiden
sich weitgehend von denjenigen, die bei den gewöhnlichen Flugzeugen gestellt sind.
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Der aerodynamische Widerstand eines Überschallflugzeugs hängt besonders
von der Stirnfläche des Tragwerks und der Rumpfkörper ab. Es ist daher unerläßlich,
daß für die Flügel äußerst dünne Profile, von der Größenordnung von 5 %, verwendet
werden. Wenn jedoch die Dicke sehr klein ist, ist der mechanische Widerstand des
Tragwerks gering, und man ist daher gezwungen, die Spannweite beträchtlich herabzusetzen,
wodurch Flügel entstehen, bei denen die Schlankheit, d. h. das Verhältnis der Länge
zur Breite des Flügels, den Wert von 3,5 nicht überschreitet.
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Wenn die Herabsetzung der Spannweite keinen größeren Nachteil beim
Flug mit großer Geschwindigkeit darstellt, so ist hingegen bei den kleinen Geschwindigkeiten,
wie sie beispielsweise der Landung entsprechen, der Auftrieb nur auf Kosten eines
sehr großen Widerstandes gegen die Vorwärtsbewegung zu erzielen, der insbesondere
auf die großen Flügeltiefen zurückzuführen ist, die man anzuwenden gezwungen ist
(sehr kleine Schlankheit).
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Das Überschallflugzeug nach der Erfindung ist in erster Linie dadurch
gekennzeichnet, daß es wenigstens
aus einem Flügel mit einer Schlankheit
unter 3,5 besteht, der an seinen Enden mit Düsen versehen ist, deren Austrittsradius
größer als der 43. Teil der Länge des Flügels ist.
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Der Widerstand, den das Flugzeug überwinden muß, ist auf die Energie
zurückzuführen, die in der Umgebung der Wirbel verlorengeht, die sich von den Enden
des Tragwerks ablösen.
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In Fig. i und 2 der Zeichnung ist diese Erscheinung schematisch veranschaulicht.
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Der Flügel ja von der Länge E und der Breite l läßt Wirbel entstehen,
die von den Flügelenden gemäß den Pfeilen 2a und 3a ausgehen.
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Im Unendlichen hinter dem Flügel liegen zwei Wirbelknoten 4a und 5a
vom Radius r (Fig. 2) ; diese Knoten im Abstand E, der Spannweite des Flügels, induzieren
Geschwindigkeiten W; die Summe
stellt die Energie dar, die für den eigentlichen Auftrieb aufzuwenden ist, unabhängig
von der Energie, die außerdem durch den aerodynamischen Widerstand des Flügels absorbiert
wird.
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Der dieser Energie entsprechende Widerstand wird durch einen Koeffizienten
C" dargestellt, für den folgender Ausdruck gilt
In diesem Ausdruck bedeutet: CW = den Widerstandskoeffizienten infolge des Auftriebs,
Cd = den Auftriebskoeffizienten, 7r = 3,1416,
Aus diesem Ausdruck ist ersichtlich, daß für die höheren Werte von Ca (o,8), die
der Landung entsprechen, und für die kleinen Werte der Schlankheit (kleines R, das
dem Fall der Überschallflugzeuge entspricht) der Widerstand sehr erheblich ist.
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Wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, wie diejenigen,
die den Gegenstand der Erfindung bilden, ist der Ausdruck:
nahezu gleich i, und der Widerstand kann durch den klassischen Ausdruck wiedergegeben
werden:
hieraus leitet sich ab:
Dies bedeutet, daß der Radius des Wirbelkerns unmittelbar von der Spannweite des
Flügels abhängig ist, dessen Breite als konstant angenommen wird.
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Im Gegensatz hierzu wird bei dem Flugzeug nach der Erfindung der obige
Ausdruck (II) kleiner als 1, und zwar wegen der künstlichen Vergrößerung des Radius
r, die durch die Düsen bedingt ist, welche die Enden des Flügels bilden.
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Der Wirbelkern hat im Unendlichen den Radius der Austrittsöffnung
der Düsen, über den man frei verfügt. Die Vergrößerung des Wertes von r über den
43. Teil der Länge des Flügels führt dazu, daß der Wert des Ausdrucks (II) kleiner
wird, d. h., wenn man auf die klassische Gleichung (III) zurückgreift, daß die wahre
Schlankheit durch eine angenommene bzw. scheinbare Schlankheit ersetzt wird, die
größer als die wahre Schlankheit ist. Um ein Beispiel zu geben, so kann man zeigen,
daß für E = 5, l = 1,5 bis 2,5 und r = o,6 die scheinbare Schlankheit gleich
dem 1,6-fachen Wert der wahren Schlankheit ist. Der erzielte Gewinn ist demnach
beträchtlich. Er entspricht einer bedeutenden Rückgewinnung von verlorener Energie,
die auf folgende Weise erklärt werden kann: Die Luft kommt aus dem Unendlichen mit
der Geschwindigkeit VO und dem Druck p, an und erhält hinter dem Flügel im Unendlichen
eine größere Geschwindigkeit VJ, da der im Innern des Wirbelkerns herrschende Druck
pö kleiner als po ist.
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Wenn m die Luftmasse ist, die durch die beiden Düsen in der Sekunde
hindurchtritt, ergibt sich die Vortriebskraft zu F = m (Vö - V,),
und die Leistung zu F ' vo = m (VO'- vo) ' Yo worin V, den
rückgewonnenen Teil der Energie darstellt, die für den Auftrieb aufgewendet werden
muß.
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Die Erfindung kommt erst dann wirksam zur Geltung, wenn die Schlankheit
klein ist, da sonst das Problem des Auftriebs oder Widerstandes beim Landen sich
keineswegs von dem Problem des Auftriebs beim gewöhnlichen Flug unterscheidet. Die
Erfindung kommt vorwiegend bei den Überschallflugzeugen zur Anwendung, d. h. praktisch
bei den Werten der Schlankheit, die unter 3,5 liegen.
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Die Erfindung hat ferner ein mit den obigen Vorkehrungen versehenes
Überschallflugzeug zum Gegenstand, bei dem die Düsen außerdem mit Wärmequellen ausgerüstet
sind, die in irgendeiner Vorrichtung bestehen, welche Energie in Wärme umzuwandeln
vermag (Brenner, Kernenergie). In diesem Fall stellt das Ganze ein regelrechtes
Flugzeug dar, das seine eigenen Vortriebseinrichtungen hat.
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Die Erfindung zeichnet sich ferner durch folgende Merkmale aus, die
entweder einzeln oder in jeder beliebigen Verbindung zur Anwendung gelangen können:
a) der Austrittsradius der mit Wärmequellen versehenen Düsen ist so groß, daß das
Verhältnis des Austrittsquerschnitts der Düsen zur Oberfläche des Tragwerks größer
als 0,02 ist; b) die Düsen werden durch den Raum gebildet, der von einem äußeren
Mantel und einem zentralen Körper begrenzt wird, welch letzterer vorteilhaft als
Steuerkabine od. dgl. ausgebildet wird; c) die Organe für die Längsstabilität befinden
sich außerhalb der Düsen; d) die Rollbewegung wird durch die unterschiedliche Betätigung
der Stabilisatoren erzielt, die gewöhnlich für die Stampfbewegung gebraucht werden;
e) die Anstellung des Tragwerks in bezug auf die Achse der Düsen kann vom Piloten
nach Belieben verändert werden;
f) die Anstellung der waagerechten
Leitwerke kann vom Piloten nach Belieben verändert werden; g) es sind Einrichtungen
vorgesehen, um beim zufälligen Aussetzen einer Düse unverzüglich die andere Düse
stillzusetzen ; h) in jeder Düse ist ein Turbomotor vor der Verbrennungskammer dieser
Düse vorgesehen; i) dieser Turbomotor treibt für den Abflug ein Gebläse an, wobei
Brennstoff in die Strömung dieses Gebläses sowie in diejenige des Turbomotors eingespritzt
werden kann, um die Ausstoßgeschwindigkeiten zu erhöhen; j) in die Strömung des
Turbomotors wird Brennstoff eingespritzt, um die Zündflamme für die Verbrennungskammer
der Düse zu bilden.
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Diese einzelnen Merkmale werden nachstehend an Hand der Zeichnung
erläutert. In dieser zeigt Fig. 3 einen schematischen Grundriß eines Flügels nach
der Erfindung, Fig. 4 einen schematischen Grundriß eines mit den Anordnungen der
Erfindung versehenen Flugzeugs, Fig.5 einen senkrechten Schnitt nach der Achse X-X
in Fig. 4.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, besteht der Flügel nach der Erfindung
aus einem Tragwerk ib von der Länge E und der Breite 1, der durch zwei Düsen 2b
und 3b vom Radius r begrenzt ist, wobei diese Abmessungen die oben dargelegten Bedingungen
erfüllen, d. h. die Schlankheit
ist kleiner als 3,5, und der Austrittsradius r der Düsen 2b und 3b ist größer als
der 43. Teil der Länge E des Flügels.
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Das in dieser Weise ausgebildete Flugzeug erlangt eine ganz besondere
Bedeutung, wenn die Düsen 2b und 3b Wärmequellen enthalten und für den Antrieb des
Flugzeugs ausgenutzt werden. Diese Wärmequellen können auf jede Weise verwirklicht
werden, vor allem durch Brenner oder jede andere Vorrichtung, die Energie in Wärme
umzuwandeln gestattet, wobei diese Energie beispielsweise aus Kernenergie stammen
kann. In diesem Fall muß außerdem der Ausstoß der Düse ausreichen, um den Vortrieb
gegen den Widerstand des Flugzeugs zu gewährleisten. Diese Bedingung erfordert,
insbesondere für das Flugzeug nach der Erfindung, daß das Verhältnis des Austrittsquerschnittes
der Düse zur Oberfläche des Tragwerks größer als o,o2 ist.
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Um den aerodynamischen Widerstand eines solchen Flugzeugs zu verringern,
können die Steuerkabinen od. dgl. vorteilhaft in der Achse der Düsen vorgesehen
werden, so daß sie keinen zusätzlichen aerodynamischen Widerstand erzeugen (Fig.4).
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Tatsächlich ist, wie oben erwähnt, ein wichtiges Kennzeichen für ein
Überschallflugzeug das dünne Tragwerk, bedingt durch die Notwendigkeit, die Stirnfläche
des Flugzeugs möglichst weitgehend herabzusetzen. Es ist daher unmöglich, darin
Einrichtungen von bedeutendem Volumen oder die Steuerkabine unterzubringen. Andererseits
widerspricht das Vorhandensein eines Rumpfes dem Hauptmerkmal der Erfindung, nach
welchem das Flugzeug aus einem Tragwerk besteht, das von Düsen begrenzt ist. Erfindungsgemäß
ist es daher wichtig, die Steuerkabine und die geräumigen Apparate in der Düse selbst
anzuordnen.
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Gemäß Fig. 4 kann die Kabine:[ als Steuerkab ne und zur Unterbringung
der Bewaffnung dienen, und die Kabine 2 für einen zweiten Piloten und zur Unterbringung
einer Radarvorrichtung oder eines anderen Geräts. Diese Kabinen können abgedichtet
und beim Flug lösbar sein, so daß es gegebenenfalls möglich ist, die Besatzung durch
eine Fallschirmvorrichtung zu retten.
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Die Organe für die Stabilität und die Steuerung eines derartigen Flugzeugs
stimmen mit denjenigen überein, die bei den gewöhnlichen Flugzeugen vorhanden sind,
beispielsweise wird die Seitenrichtung und Stabilität durch die Seitenruder 3 und
4 (Fig. 4 und 5) gewährleistet. Was jedoch die Längsstabilität und die Stampfbewegungen
betrifft, so besteht ein Kennzeichen der Erfindung darin, daß die waagerechten Flossen
5 und 6 an der Außenseite der Düsen angeordnet sind, wo ihre Wirksamkeit viel größer
ist, da in diesem Fall der Abwind des Tragwerks günstig ist, anstatt so ungünstig
zu sein, wie es bei den normalen Leitwerken, die innerhalb:rder Spannweite liegen,
der Fall ist. Die Stabilisatoren 7 und 8 behalten ihre normale Funktion für die
Längsrichtung, außerdem wird durch Differentialbewegung derselben die Drehbewegung
des Flugzeugs um die Rollachse gewährleistet.
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Bei den Flügen mit Überschallgeschwindigkeit und für Machzahlen in
der Nähe von 2-wird der Koeffizient
nämlich das Verhältnis der Zunahme des Auftriebs zur Zunahme des Anstellwinkels,sehr
klein; es ist daher notwendig, mit großem Anstellwinkel zu fliegen, was eine nachteilige
Folge für das thermodynamische Verhalten der Düse haben kann. Ein Kennzeichen der
Erfindung besteht darin, daß die Anstellung des Flügels in bezug auf die Düsen an
den Enden desselben verändert werden kann, beispielsweise mit Hilfe von Servosteuervorrichtungen.
Ebenfalls wegen des niedrigen Wertes von
sowie als Gegenmittel gegen die Veränderlichkeit des Auftriebsmittelpunktes besteht
ein weiteres Kennzeichen der Erfindung darin, daß die Anstellung der waagerechten
Flossen 5 und 6 in bezug auf die Achse der Düsen nach Belieben des Piloten verändert
werden kann.
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Diese Flugzeuge für große Geschwindigkeiten haben Hilfseinrichtungen,
vor allem die Brennstoffpumpen, die große Leistungen-erfordern. Diese Leistung wird
von Turbomotoren 9 und io geliefert. Da beim Abflug diese Leistung nicht gebraucht
wird, können sie dann ein Gebläse antreiben; der Ausstoß dieses Gebläses und derjenige
des Turbomotors ergeben einen ausreichenden Vortrieb, um gegebenenfalls den Start
des Flugzeugs sicherzustellen. Es kann vorteilhaft sein, die Ausstoßgeschwindigkeit
dieser beiden Strömungen zu erhöhen, indem die Temperatur der Luft gesteigert wird,
insbesondere durch eine Nachverbrennung. Beim Flug wird Brennstoff in die aus dem
Turbomotor austretende Strömung eingespritzt, so daß diese Strömung die Zündflamme
der
Verbrennungskammer der Düse bildet. Die Verbrennungskammern
der Düsen sind mit den Bezugszeichen 13 und 14 versehen.
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Die Verwirklichung des Überschallflugzeugs nach der Erfindung ist
nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt, vielmehr sind die verschiedenartigsten
Abwandlungen möglich. Im übrigen sind gewisse Hilfseinrichtungen, wie diejenigen
für die Änderung der Anstellung der waagerechten Leitwerke oder des Tragwerks, nicht
näher angegeben, da jeder Fachmann zu ihrer Anbringung in der Läge ist.