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Stromlinienförmiger Treibstoff-Hilfstank Die Erfindung bezieht sich
auf Treibstoff-Hilfstanks, die an den Enden der Tragflächen von Flugzeugen befestigt
werden können.
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Treibstoff-Hilfstanks werden bei Flugzeugen in großem Umfange verwendet,
und es ist besonders bei sehr schnellen Flugzeugen, die mit Schall- oder Überschallgeschwindigkeit
fliegen, üblich, die Tanks an den Enden der Tragflächen anzubringen.
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Zweck der Erfindung ist es, einen Treibstoff-Hilfstank an den Tragflächenenden
von schnellen Flugzeugen zu schaffen, welcher der Flugzeuggeschwindigkeit den geringstmöglichen
Widerstand bietet und die Manövrierfähigkeit des Flugzeuges nichtbeeinträchtigt,
der also den größten Mach-Koeffizienten hat, der sich sehr günstig mit jenem des
schnellen Flugzeuges vergleichen läßt, an dem der Tank angebracht ist. Hierdurch
ist der Tank geeignet, den Drücken und anderen Kräften oder Bedingungen standzuhalten,
die auftreten, wenn das Flugzeug mit nahezu Schallgeschwindigkeit geflogen wird,
und er wird weder die Geschwindigkeit des Flugzeuges herabsetzen noch die Manövrierfähigkeit
behindern. Der Hilfstank nach der Erfindung besitzt einen konoidförmigen, im Längsschnitt
einer Halbellipse entsprechenden Vorderteil, einen konischen Schwanzteil und einen
zylindrischen Mittelteil. Der vordere und der hintere Teil sind beide für sich in
Übereinstimmung mit bestimmten Mach-Koeffizienten entworfen, die den .größten Gesamt-Mach-Koeffizienten
ergeben. Die Werte, die den Gesamt-Mach-Koeffizienten des Tanks bestimmen, beruhen
auf sorgfältig und genau berechneten Beziehungen zwischen den axialen Längen des
vorderen und hinteren Teiles und ihren Durchmessern, zwischen der axialen Länge
dieser Teile, zwischen der axialen
Länge eines jeden Teiles und
der Gesamtlänge des Tanks sowie zwischen dem Durchmesser des Tanks an jedem einzelnen
Punkt und der Gesamtlänge des Tanks.
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Ein weiterer Erfindungsgedanke besteht darin, eine Reihe von Tanks
dieser Art vorzusehen, die bestimmte Mengen Treibstoff aufnehmen sollen. Diese Tanks
sind so konstruiert, daß die günstigste Gesamt-Mach-Kenngröße erreicht wird; sie
haben sämtlich die gleichen relativen Abmessungen, so daß sie die gleiche allgemeine
Gestalt oder Form und die gleichen Kennziffern besitzen, was für einen erfolgreichen
Bau von Flugzeugen für hohe Geschwindigkeiten notwendig ist. Damit verbunden ist
die Aufgabe, einen stromlinienförmigen Tank mit einem Profil zu schaffen, bei dem
die Ordinaten der Kurven, die die Form ergeben, ohne Rücksicht auf die Gesamtlänge
des Tanks so berechnet und in Prozenten dieser Gesamtlänge ausgedrückt sind, daß
die beste Mach-Zahl erhalten wird.
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Weitere Einzelheiten sind aus der folgenden Beschreibung ersichtlich,
in der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung als Beispiel beschrieben und
durch die Zeichnung erläutert wird. In der Zeichnung bedeutet Fig. z eine Seitenansicht
eines Treibstoff-Hilfstanks, der an der Tragfläche eines sehr schnellen Flugzeuges
befestigt werden soll, Fig. ? eine Stirnansicht des Vorderteiles des Tanks, Fig.
3 eine Stirnansicht des Schwanz- oder Hinterteiles des Tanks und Fig.4 ein Bruchstück
eines Längsschnittes in größerem Maßstab, das eine Möglichkeit zeigt, wie Vorder-,
Mittel- und Hinterteil des Erfindungsgegenstandes miteinander verbunden werden können.
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Im einzelnen ist gemäß der Zeichnung der dort dargestellte Treibstofftank
5 ein Hilfsbehälter, wie er gewöhnlich aus Blech hergestellt wird und der dafür
bestimmt ist, an dem Tragflächenende eines sehr schnellen Flugzeuges befestigt zu
werden. Wie Fig. i zeigt, besteht der Tank 5 aus drei Teilen, nämlich dem Vorder-
oder Kopfteil 6, dem Mittelteil 7 und dem Hinter- oder Schwanzteil B. Diese Teile
6, 7 und 8 können im ganzen oder auch aus Einzelteilen hergestellt werden, die auf
Stoß untereinander befestigt sind.
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Die Art, in der die Teile 6, 7 und 8 als Einzelteile hergestellt und
durch Stoßverbindung vereinigt sind, ist in Fig: 4 dargestellt. Vorderteil 6 und
Mittelteil 7 können mit den zusammenwirkenden Dichtungsringen 12 bzw. 13, und Mittelteil
7 und Hinterteil 8 können mit den zusammenwirkenden Dichtungsringen 14 bzw. 15 ausgestattet
werden. Zum Vorderteil 6 gehört ein Gurt 16 und zum Hinterteil 8 ein Gurt 17. Dazwischen
befindet sich eine Klemmspindel oder Zugstange 18, deren eines Ende ein Gewinde
trägt, mit dem sie in die an dem Gurt 16 befestigte Mutter ig geschraubt ist. Der
Bund 2o am anderen Ende der Zugstange 18 liegt an dem Gurt 17, wenn die Zugstange
18 in geeigneter Weise gedreht wird, um die Gurte gegeneinander zu ziehen und dadurch
wiederum die Teile 6, 7 und 8 fest zusammenzuklemmen. Der Mittelteil 7 kann gemäß
Fig. 4 mit Haken od. dgl. 2i und 22 ausgerüstet sein, die den Treibstofftank an
der Tragfläche des Flugzeuges befestigen. Schraubt man die Zugstange 18 aus der
Mutter i9 heraus, so können die drei Teile 6, 7 und 8 auseinandergenommen werden,
und es kann z. B. statt des Mittelteiles 8 ein anderer Mittelteil von abweichender
Länge eingefügt werden.
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In der bevorzugten Form des Treibstoff-Hilfstanks 5 hat der Vorderteil
6 die Gestalt eines Halbellipsoids; dessen Hauptachse in der Längsachse des Tanks
liegt und gleichzeitig einen Teil von ihr bildet, während die Nebenachse senkrecht
auf der Längsachse des Tanks steht. Der Tank besitzt über seine ganze Länge einen
kreisförmigen Querschnitt (Fig. 2 und 3). Der Mittelteil 7 ist ein Zylinder, dessen
Außendurchmesser gleich dem der Grundfläche des zugehörigen Vorderteiles 6 ist,
damit eine glatte ununterbrochene Oberfläche gebildet wird. Der Hinter- oder Schwanzteil
8 besteht aus einem vorderen Übergangsteil 9 und einem hiermit einstückigen rückwärtigen
konischen Teil io. Das vordere Ende (oder die Basis) des Übergangsteiles 9 paßt
an das rückwärtige Ende des mittleren zylindrischen Teiles 7, um eine glatte Verbindung
mit ihm herzustellen. Das rückwärtige spitze Ende des konischen Teiles io ist vorzugsweise
mit einer kleinen. runden Spitze il abgeschlossen.
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Ein Treibstoff-Hilfstank, der an dem Tragflächenende eines sehr schnellen
Flugzeuges befestigt ist, muß glatt und stromlinienförmig sein, um Widerstände auf
ein Minimum herabzudrücken. Ein Treibstofftank von der dargestellten und beschriebenen
Gestalt hat diese Merkmale. Es ist auch wichtig, den Treibstoff-Hilfstank so zu
konstruieren, daß er geeignet ist, den Drücken und anderen Kräften standzuhalten,
die auftreten können, wenn der Tank nahezu mit Schallgeschwindigkeit durch die Luft
bewegt wird. Einen Tank mit dieser Eigenschaft erhält man, wenn man ihn so konstruiert,
daß er einen möglichst günstigen Mach-Koeffizienten besitzt. Der Mach-Koeffizient
ist das Verhältnis der Höchstgeschwindigkeit eines Gegenstandes in Luft zur Schallgeschwindigkeit.
Es ist festgestellt worden, daß ein Tank, der gemäß der Zeichnung aus einem elliptischen
Vorderteil, einem zylindrischen Mittelteil und einem mit einem abgestumpften Konoid
kombinierten kegelförmigen Hinterteil besteht, diese Erfordernisse erfüllt, besonders
wenn die relativen Durchmesser und Längen der einzelnen Teile den nachfolgenden
Angaben entsprechen. Es genügt nicht, daß die einzelnen Teile des Tanks der beschriebenen
allgemeinen Form gleichen, weil Abweichungen des Tankdurchmessers, der Längen der
Teile und der Größe der Haupt- und Nebenachse des elliptischen Vorderteiles die
aerodynamischen Eigenschaften beeinflussen, d. h. den Mach-Koeffizienten verändern.
Deshalb ist es wesentlich, die Abmessungen entweder rechnerisch oder durch Versuche
im Windkanal so festzulegen, daß der Tank nicht nur Stromlinienform, sondern auch
den günstigsten Gesamt-Mach-Koeffizienten besitzt.
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Bekanntlich steigt die Geschwindigkeit der Luft, wenn sie von vorn
nach hinten an einem stromlinienförmigen Gegenstand entlang strömt, wie ihn die
Zeichnung veranschaulicht. Aus diesem Grunde ist es gewöhnlich notwendig, daß der
Mach-Koeffizient des Hinterteils einen etwas höheren Wert besitzt als der des Vorderteiles.
Um jedoch die bei dpn kritischen
Schall- und Überschallgeschv-indigkeiten
wirkungsvollste Tankform zu erhalten, ist es notwendig, eire Beziehung zwischen
den Mach-Koeffizienten der einzelnen Teile aufzustellen, so daß der größte Gesamt-Mach-Koeffizient
erzielt wird. Die Festlegung dieses wünschenswerten Gesamt-Mach-Koeffizienten wird
dadurch erschwert, daß der Tank ein bestimmtes Volumen haben, also eine bestimmte
Treibstoffmenge aufnehmen soll.
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Es ist durch eingehende Untersuchungen ermittelt worden, daß eine
bestimmte Beziehung zwischen den Abmessungen der einzelnen Teile eines stromlinienförmigen
Tanks errechnet werden kann. Diese Beziehung umfaßt alle Forderungen, unabhängig
von dem Fassungsvermögen des Tanks. Offenbar ist die Gesamtlänge eines an den Tragflächenenden
zu befestigenden Treibstoff-Hilfstanks von äußerster Wichtigkeit und ein entscheidender
Faktor, um das Verhalten des Flugzeuges zu kontrollieren, an dem der Tank angebracht
ist. Aus diesem Grunde sind die verschiedenen Baulängen von Tanks, die bestimmte
Treibstoffmengen aufnehmen sollen, berechnet worden. Um die Länge eines Tanks zu
erhalten, der die richtige Treibstoffmenge aufnehmen kann, wurde die Länge des zylindrischen
Mittelteiles 7 verändert, wie es in der folgenden Tabelle A angegeben ist. Diese
Tabelle ist rein charakteristisch und stimmt mit der mathematischen Inhaltsberechnung
zylindrischer Körper überein.
| Tabelle A |
| (für einen Zylinderdurchmesser von 645 mm) |
| Tankinhalt Länge |
| mit 3 °/o Luftspielraum des zylindrischen Teiles |
| (Liter) (Millimeter) |
| 462 76 (Mindestlänge) |
| 568 4o6 |
| 625 584 |
| 700 838 |
| 757 ioi6 |
| 947 16oo |
| 1136 2184 |
Wie in Tabelle A angegeben, muß ein Tank von 645 mm Durchmesser einen zylindrischen
Mittelteil von mindestens 76 mm Länge haben. Wenn der vordere und der hintere Teil
gemäß der Erfindung gestaltet und bemessen werden und wenn diese Teile an das Mittelstück
mit der Mindestlänge 76 mm angesetzt werden, dann ergibt sich eine Gesamtlänge von
2640 mm für den Tank von 645 mm Durchmesser bei kleinstem Fassungsvermögen. Das
Ergebnis zeigt die Gesamtansicht des Tanks in Fig. i.
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Die folgende Tabelle B gibt die Durchmesser des Tanks der Fig. i mit
kleinstem Fassungsvermögen an verschiedenen Punkten längs seiner Achse an, gemessen
von der Spitze des Vorderteiles 6. Durchmesser und Abstände sind in Prozenten der
Gesamtlänge von 2640 mm ausgedrückt. Die Gestalt des Vorderteiles und die des Hinterteiles
ändern sich mit dem größten Durchmesser des Tanks, und die Maße, die aus Tabelle
B herzuleiten sind, können dazu verwendet «erden, die Gestalt des vorderen und des
hinteren Teiles für Tanks verschiedener Durchmesser zu entwickeln. Der Tabelle A
war ein Tank mit dem ausgewählten größten Durchmesser von 645 mm zugrunde gelegt,
und sie zeigt, wie lang der zylindrische Mittelteil des Tanks sein muß, wenn bei
diesem Durchmesser das Fassungsvermögen einen größeren Wert als den Mindestwert
annehmen soll.
| Tabelle B |
| Ordinaten |
| Abstand von der Spitze Durchmesser |
| des Vorderteiles (Prozent) |
| (Prozent) |
| (in Prozent der Gesamtlänge des Tanks mit kleinstem Inhalt) |
| 0,00 0,00 l |
| 1,92 7,12 |
| 3,80 9,96 |
| 5,75 12,04 |
| 7,70 1374 |
| 9,61 15,20 |
| 1346 1754 Vorderteil 6 |
| 17,30 19,36 |
| 21,15 2O,82 |
| 25,00 21,98 |
| 28,84 22,88 |
| 3269 2356 |
| 3653 2404 - |
| 40,38 2432 |
| 44'23 24'42 Mittelteil 7 |
| 47,11 24,42 |
| 50,00 24,28 |
| 52,88 2392 |
| 5576 23,28 |
| 58,65 22,42 Hinterteil 8 |
| 6153 |
| 21,24 |
| 6442 19,80 |
| ioo,oo 0,00 |
Fig. i enthält Angaben über verschiedene Abmessungen, in Prozentteilen der Länge
des Tanks mit dem kleinsten Fassungsvermögen ausgedrückt. Die folgenden in Bruchteilen
des maximalen Tankdurchmessers angegebenen Daten sind von den Angaben in Fig. i
abgeleitet.
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Der größte Durchmesser des Vorderteils 6 ist der Durchmesser des Mittelteiles
7 und gleichzeitig der maximale Durchmesser des Tanks. Dieser Durchmesser beträgt
näherungsweise 55 °/o der Länge des Vorderteiles 6. Umgekehrt beträgt die Länge
des Vorderteiles das i,8fache des Durchmessers. Das Verhältnis hat die Größenordnung
2.
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Die kleinste Länge des zylindrischen Teiles 7, mit anderen Worten
die Länge des Mittelteiles eines Tanks mit dem kleinsten Fassungsvermögen bei einem
gegebenen maximalen Durchmesser beträgt angenähert 11,8 °/o des maximalen Durchmessers.
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Der maximale Durchmesser des Hinterteiles 8 ist wiederum der Durchmesser
des zylindrischen Mittelteiles 7. Dieser Durchmesser beträgt näherungsweise 46 °/o
der Länge des Hinterteiles B. Umgekehrt beträgt die Länge des hinteren Teiles ungefähr
das 2,16fache
des maximalen Durchmessers. Das Verhältnis liegt wiederum
in der Größenordnung von 2.
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Der rückwärtige konische Teil 1o des Schwanzteiles 8 hat einen maximalen
oder Grunddurchmesser von ungefähr 81 °/o des maximalen Tankdurchmessers. Die Länge
des konischen Teiles 1o ist das 1,46fache des maximalen Tankdurchmessers, was der
Größenordnung von 1,5 entspricht.
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Die Länge des Übergangsteiles 9 des Hinterteiles 8 beträgt 70,85 °/o
des maximalen Durchmessers, entspricht also der Größenordnung von 0,7.
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Tabelle C gibt einen Ausschnitt aus der Tabelle B, in dem der Radius
des Tankquerschnittes an verschiedenen Punkten statt des Durchmessers in Tabelle
B angegeben ist. Die Radien sind vorher in Prozenten der Gesamtlänge (264o mm) des
Tanks vom gewählten Durchmesser 645 mm mit dem kleinsten Inhalt ausgedrückt.
| Tabelle C |
| Ordinaten |
| Abstand von der Spitze Radius |
| des Vorderteiles 6 (Prozent) |
| (Prozent) |
| (in Prozent der Gesamtlänge des
Tanks mit kleinstem Inhalt) |
| 50,00 r2,24 |
| 52,88 z=,96 |
| 55,76 11,64 |
| 5865 11,21 |
| 61,53 1o,62 |
| 64,42 9.90 |
Diese Punkte längs des Übergangsteiles 9 des Hinterteiles 8 lassen sich durch einen
einfachen Kreisbogen miteinander verbinden, der einerseits tangential in den Mittelteil
7 und andererseits tangential in den konischen Teil 1o übergeht. Weil sich sowohl
der zylindrische Mittelteil 7 als auch der konische Abschnitt 1o des hinteren Teiles
tangential an den Kreisbogen anschmiegen, ist der Mittelpunkt des Kreises; zu dem
der Bogen gehört, festgelegt als Schnittpunkt des im Punkt 47,11 °/ö verlängerten
Durchmessers mit einer Linie, die vom Punkt 64,42 0, 1, senkrecht zur Schräge des
konischen Teiles 1o gezogen wird. Bei Berechnungen, denen die Daten der Fig. 1 und
der Tabelle C zugrunde lagen, wurde festgestellt, daß der Radius dieser Kurve etwa
das 2,7fache des maximalen Tankdurchmessers beträgt. Es wird also der Übergang von
dem aerodynamisch neutralen Mittelteil 7 zu dem hinteren konischen Teil 1o des Schwanzteiles
8 durch eine Kurve gebildet, die in beide Teile tangential einmündet. Dieser Übergang
erfolgt allmählich genug oder erstreckt sich über eine ausreichende Länge des Tanks,
um Wirbelungen bei besonders hohen Luftgeschwindigkeiten zu vermeiden. Wenn der
Übergang richtig tangential in Zylinder und Konus mündet und die Durchmesser von
Zylinder und Konus gegeben sind, so ist die einzige Größe, die noch gebraucht wird,
um die Gestalt des Übergangsteiles festzulegen, entweder die Länge des Übergangsteiles
(7o,85 °/o des Zylinderdurchmessers) oder der Radius der Kurve (das 2,7fache des
Zylinderdurchmessers). Im ganzen betrachtet ist die neue Gestalt des Tanks durch
den glatten, allmählichen, tangentialen Übergang gekennzeichnet. Der halbelliptische
Umriß im Längsschnitt des Vorderteiles ermöglicht einen alImählichen Übergang zudem
zylindrischen Mittelteil. Die Krümmung des Vorderteiles an der Nahtstelle nähert
sich einem Kreisbogen mit außerordentlich großem Radius, der den Umriß des Mittelteiles
tangential berührt.
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Aus den vorangegangenen Darlegungen ist ersichtlich, daß der Umriß
von Tanks verschiedenen Inhalts bequem bestimmt und nach den Angaben der Tabellen
A und B aufgezeichnet werden kann: Ein an den Tragflächenenden zu befestigender
Treibstoff-Hilfstank, der eine aus diesen Angaben entwickelte Form besitzt, ist,
wie beschrieben, stromlinienförmig und hat einen optimalen Mach-Koeffizienten.
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Mit Hilfe der angegebenen Daten ist es möglich, Tanks verschiedenen
Inhalts zur Verwendung bei Flugzeugen verschiedener Typen zu konstruieren, die einen
konstanten und optimalen Mach-Koeffizienten besitzen. Die Erfindung schafft mithin
einen Treibstoff-Hilfstank, der an den Tragflächenenden sehr schneller Flugzeuge
befestigt werden kann und den optimalen Gesamt-Mach-Koeffizienten besitzt. Wie bereits
erläutert, müssen Vorder- und Hinterteil verschiedene Mach-Koeffizienten haben,
weil die Geschwindigkeit der am Tank entlang strömenden Luft größer wird. Diese
Beziehung der Mach-Koeffizienten ist bei dem Tank gemäß der Erfindung vorhanden,
aber beide zusammen ergeben einen Durchschnitts-Mach-Koeffizienten, der das Optimum
darstellt.
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Es liegt im Sinne der Erfindung, den Treibstoff-Hilfstanks aerodynamische
Elemente wie Schwanzflossen, Trimmklappen usw. hinzuzufügen, um das aerodynamische
Gleichgewicht bei den Flugzeugen herzustellen, die diese verbesserten Tanks verwenden.
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Das Wesentliche an der Gestalt des Vorderteiles 6 in Fig. 1 ist die
gemeinsame Verwendung einer Grundellipse, deren Nebenachse kleiner als 27 °/o der
Hauptachse ist, und eines konischen Schwanzteiles.