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Außenhaut für Fahrzeuge oder Körper mit einer Saugvorrichtung für
die Grenzschicht Die Erfindung bezieht sich auf die Außenflächen von Fahrzeugen
oder Körpern, die sich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium bewegen. Unter
Außenflächen werden die Teile des Fahrzeuges verstanden, die mit der umgebenden
Luft oder Flüssigkeit in Berührung kommen, beispielsweise die Flügel oder der Rumpf
eines Flugzeuges oder die Bootshaut eines Unterseebootes oder das Gehäuse eines
Unterwassergeschosses.
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Es ist bekannt, daß Flächen, an denen ein viskoses Medium, Luft oder
Wasser, entlang strömt, eine Oberflächenreibung erleiden, wodurch eine Bremskraft
entsteht, die innerhalb einer dünnen, an der Oberfläche haftenden Luft- oder Flüssigkeitsschicht
auftritt. Diese Schicht ist unter dem Namen »Grenzschicht« bekannt. Innerhalb dieser
Schicht ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit vom Wert Null an der Oberfläche
bis zu dem Geschwindigkeitswert des nicht beeinflußten Luft- oder Flüssigkeitsstromes.
Die Strömung in der Grenzschicht kann laminar oder turbulent sein. Es wurde festgestellt,
daß die Oberflächenreibung, die aus einer laminar strömenden Grenzschicht herrührt,erheblich
geringer ist als die von einer turbulent strömenden Grenzschicht verursachte. Die
Grenzschicht an einer Tragfläche oder einem Körper ist anfänglich laminar. Der Übergang
zur turbulenten Strömung tritt auf, wenn die kritische Reynoldsche
Zahl
erreicht ist. Um die laminare Strömung in der Grenzschicht über die gesamte Außenhaut
eines Flügels zu stabilisieren, ist bereits vorgeschlagen worden, einen gewissen
Betrag der Grenzschicht nach dem Innern .des Flügels hin abzusaugen. Die bisher
für die Ausführung dieses Gedankens bekannten Vorschläge sind ausschließlich auf
die Verwendung einer durchwegs porösen Harzt oder Oberfläche gerichtet oder auf
die Anordnung einer An-* zahl von Schlitzen, die sich in Richtung :der Spannweite
des Flügels erstrecken und senkrecht hierzu, d. h. in Richtung der Flügeltiefe.
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Diese Vorschläge haben sich aus konstruktiven Gründen als unbefriedigend
erwiesen. Mit den zur Verfügung stehenden porösen Werkstoffen ist es nichtmöglich,
die erforderlichen hohen Beanspruchungen aufzunehmen. Bei Anordnung von Schlitzen
müssen diese eine sehr geringe Breite haben, z. B. 0,02 bis 0,03 Zoll, Es
ist aber sehr schwierig, Oberflächen mit derart schmalen Schlitzen herzustellen,
und zwar in Hinsicht auf die dabei notwendigen geringen Herstellungstoleranzen.
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Vom strömungstechnischen Gesichtspunkt aus bleibt es weiter unbefriedigend,
die Grenzschicht durch eine stetige poröse Oberfläche hindurch. unmittelbar durch
eine einzige gemeinsame Leitung abzusaugen, wie es der Fall ist, wenn diese duirch
denen. ungeteilten. Innenraum eines Flügels oder Rumpfes gebildet wird. In diesem
Fall wird ein Ausströmen dann eintreten, wenn an irgendeiner Stelle die Absaügung
ungenügend ist und der statische Druck im Innern des Flügels oder innerhalb d:er
gemeinsamen Leitung höher ist als der kleinste statische Druck an der Außenfläche
des Tragflügels oder Rumpfes. Andererseits wird dort wo der Druckunterschied zwischen
außen und innen am größten ist, ein zu großer Betrag den- Grenzschicht von der Oberfläche
entfernt. Es wurde festgestellt, daßeine turbulente Strömung erzeugt wird, wenn
die laminar strömende Grenzschicht zu stark verdünnt wird.
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Es ist Lein Hauptzweck der' Erfindung, eine Stabilisierung der laminaren
Strömung in der Grenzschicht des Mediums über die .Oberfläche eines sich bewegenden
Körpers unter Aufrechterhaltung der erforderlichen Stärke der die Haut bildenden
Wandung zu erreichen, und zwar bei einem Fahrzeug, in dessen Wand durch poröse Elemente
bedeckte und sich quer zur Richtung der Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges erstreckende
Kammern angeordnet sind, die durch eine Leitung mit Gebläsen für die Erzeugung eines
Unterdruckes an den porösen Elementen verbunden sind, so daß ein Teil des die Fahrzeugwand
umgebenden Mediums durch -die porösen Elemente abgesaugt und eine laminare Strömung
in der Grenzschicht des Mediums aufrechterhalten wird. Erfindungsgemäß sind bei
einem solchen Fahrzeug die porösen Elemente innenseitig von durchlochten Wänden
überbrückt, die zwischen sich und .den porösen Elementen einen Abstand belassen;
einen Teil eines kraftübertragenden und als Absaugkammer dienenden Bauelementes
der Fahrzeugwand darstellen und die Fahrzeugwand zwischen den. porösen Elementen
so verstärken, daß diese von -den in der Fahrzeugwand auftretenden Kräften unbeansprucht
bleiben.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnung
beschrieben. Es zeigt Fig. r eine perspektivische Ansicht eines Teiles eines quer
zur Längsrichtung geschnittenen Flugzeugflügels, gesehen vom Innern des Flügels
aus, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Flügelteiles von oben gesehen, Fig.
3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsfomm des Flügels, geschnitten
.senkrecht zur Längsrichtung und gesehen von oben, Fig. q. einen Schnitt durch eine
andere Ausführungsform eines Flügels senkrecht zur Längsrichtung, Fig. 5 einen gleichen
Schnitt wie Fig. q. durch eine weitere Ausführungsform des Flügels, Fig. 6 eine
perspektivische Ansicht eines Flügelteiles nach einer weiteren Ausführungsfarm,
senkrecht zur Längsrichtung des Flügels geschnitten und von oben gesehen, Fig. 7
die Ansicht eines Teiles der Innenseite der Außenhaut des in Fig. 6 dargestellten
Flügels und Fig. 8 eine Ansicht wie Fig. 7 einer abgeänderten Form -der Innenseite
der Flügelhaut.
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Die Fig. i, 3, q., 5 und 6 zeigen nur kleine Teile der die Außenfläche
des Flügels bildenden Haut; sie zeigen eine poröse Fläche der Haut und der hiermit
verbundenen Teile. Die untere Außenhaut des Flügels ist nicht dargestellt.
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In Fig. i und 2 sind Leisten i aus porösem Material, z. B. aus gesinterter
Bronze, zusammengerollter Gaze oder aus perforiertem Werkstoff, in der Richtung
der Spannweite des Flügels in Ausnehmungen der Außenhaut 2 des Flügels eingefügt
und bilden Teile der Haut; sie beginnen an der Flügelwurzel und reichen bis zum
Flügelende. Die Außenhaut 2 ist im Bereich der Awsnehmungen im Querschnitt verstärkt.
Die Leisten i sind in Richtung der Flügeltiefe in kurzen Abständen angeordnet; sie
verhindern bei entsprechender Saugwirkung, daß die Strömung in der Grenzschicht
der über die Außenhaut strömenden Luft turbulent wird, während diese über die nicht
porösen Teile der Außenhaut zwischen den Leisten i fließt' Die Seiten der Ausnehmungen
haben Nuten 3, und die porösen Streifen haben Zungen oder Federn q., die in die
Nuten eingreifen und die Leisten durch Haftsitz in ihrer Stellung festhalten.
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Jeder Leiste i ist ein. Kanal 5 zugeordnet, jede Kanalwandung ist
an der inneren Fläche .der Außenhaut durch versenkte Niete 6 befestigt. Der Steg
7 der aus einem U-Profil gebildeten Kanalwandung liegt mit seinen Randgebieten an
der Außenhaut 2 an, ist aber von dieser in seinen müttleren Teilen durch einen Abstand
getrennt und mit großen Löchern 8 versehen, um Luft durch die Leisten i über ihre
ganze Länge in den Kanal 5 saugen zu können. Die übrigen Wände des Kanals sind.
nicht perforiert und luftdicht. Der Kanals rceicht über die ganze Länge der Leiste
i und wirkt als verstärkendes Bauelement für die Außenhaut und
macht
es so möglich, daß der Kraftfluß :durch die Außenhaut 2 die Leisten i umgehen und
diese unbeansprucht lassen kann.
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Die in der Spannweite des Flügels verlaufenden Kanäle 5 bilden durch
ihre Wandungen versteifende Bauelemente zur Übertragung von Kräften. Sie wirken
daher als Stützbalken in dem Flügel, der aus der Außenhaut 2 mit den eingefügten
Leisten i und zusammen mit den üblichen Holmen und Spanten aufgebaut ist. Die Kanäle
5 können aus gezogenen oder im Strang gepreßten Profilstangen gebildet sein und
erfüllen einen doppelten Zweck, sie wirken einmal als Kanäle und zum anderen als
versteifende Bauelemente.
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Es ist von Vorteil, in Richtung der Flügeltiefe Querspanten oder Verstärkungen
dort vorzusehen, wo die Außenhaut unterbrochen ist, wie z. B. bei g. Die Verbindungsteile
der Haut bestehen aus entsprechend der Außenhaut gebogenen Querspanten i o mit Winkelprofil,
die mit einer Profilseite mit den zu verstärkenden Kanten verbunden und mit der
anderen Seite miteinander verschraubt oder vernietet werden. Diese rippenartigen
Teile g liegen zwischen den Kanälen und sind mit diesen durch Blechwinkel i i verbunden.
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Eine Pumpe I' (Fig. 2) ist mit den Kanälen 5 verbunden, um aus diesen
die Luft abzusaugen. Die Saugwirkung entlang der Vorder- und Hinterkante des Flügels
kann die gleiche sein; die zu den verschiedenen Flächen der Flügelkanten führenden
Leitungen können im Durchmesser so abgestuft sein, daß die Saugwirkung der Pumpe
in allen Flächen die gleiche ist. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel, d. h.
für die Tragfläche eines Flugzeuges, kann es auch vorteilhaft sein, den Grad der
Saugwirkung auf die Grenzschicht über die verschiedenen Teile der Außenhaut abzustufen.
Zu diesem Zweck sind die zu den Kanälen führenden Leitungen so angeordnet und haben
eineu. solchen Durchmesser, daß die Pumpe P eine größere Saugwirkung auf die Kanäle
5 in der Nähe der Hinterkante des Flügels ausübt als auf die in der Nähe der vorderen,
da an der Hinterkante eine größere Saugwirkung erforderlich ist.
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Es kann auch mit jedem Kanal 5 eine besondere Pumpe verbunden werden,
wobei die Leistung der Pumpen so abgestuft ist, daß die Saugwirkung an der Hinterkante
größer ist als an der Vorderkante.
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Nach einer weiteren Ausführungform können Leisten mit verschiedener
Porosität verwendet werden, und zwar mit größerer Porosität in der Nähe der hinteren
Kante.
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Ferner kann eine größere Zahl von Perforationen 8 oder solche von
größerem Durchmesser dort Verwendung finden, wo eine größere Saugwirkung erwünscht
ist.
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Um .eine gleichmäßige Verteilung der Strömung entlang der Spannweite
des Flügels durch die Leisten i zu erhalten, ist es vom Vorteil, den Grad der Porosität
oder die Breiten der Leisten in solcher Weise zu ändern, daß der Widerstand gegen
die Strömung durch die Leisten am größten in der Nähe der Flügelwurzel ist, d. h.
nahe der Pumpe, und daß der Widerstand nach den Flügelspitzen hin abnimmt, d. h.
die Porosität oder die Breite der Leisten zunimmt.
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Nacheiner zweiten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 3) sind die
Leisten i aus porösem Material in Vertiefungen eingelassen, die aus den verdickten
Teilen der Außenhaut 2 ausgefräst sind. Die Verteilung der Leisten i über die Flügelfläche
,entspricht der nach Fig. i. Die Leisten werden in ihrer Lage durch Federn q. und
Nuten 3 so. gehalten, daß sie vom dem Boden der Vertiefungen durch einen Abstand
getrennt :sind. Der Teil der Haut 2 unter jeder Leiste i, der den Boden der Veirtiefungen
bildet, ist perforiert, so daß die Luft durch die porösen Leisten in die entsprechenden
Kanäle 5 gesaugt werden kann.
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Die Kanäle 5 werden bei diesem Ausführungsb.eispiel durch ein gewelltes
Blech i 2 gebildet und durch eine innere Haut 13, die angenähert parallel
zur Außenhaut 2 verläuft. Das gewellte Blech 12 ist .entlang der Linien i q. mit
der Haut 2 verschweißt und mit der inneren Haut 13 vernietet, die ein Teil
der Flügelkonstruktion bildet. Jeder Kanal 5 ist dort verschlossen, wo das Blech
12 an der Außenhaut 2 und an der inneren Haut 13 anliegt. Die unmittelbar
unter jeder Leiste i liegenden Wände 15 des gewellten Bleches 12 sind perforiert,
so daß jeder Kanal 5 aus drei kommumzieranden Kanälen besteht, die einen großen
Querschnitt für die Luftströ:mung in dem Kanälen ergeben. Jeder verstärkte Teil
der Außenbaut 2 geht über die ganze Breite des unmittelbar unter ihm liegenden Kanals
und liegt seitlich an den Wänden 15 an.
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Wie zuvor an Hand der Fig. i beschrieben, reichen die Kanäle 5, die
aus dem gewellten Blech 12 und der inneren Haut 13 gebildet sind, über die ganze
Länge der Leisten i und wirken als verstärkende Bauelemente für dem Flügel.
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Es wird bemerkt, d,aß die Kanäle 5 auch nur durch eine Welle des Bleches
12 gebildet sein können; die Wände 15 sind dann nicht perforiert.
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Nach :einer dritten, in Fig. q. dargestellten Ausführungsform sind
die Leisten i aus porösem Werkstoff durch Gruppen von Perforationen ersetzt, die
in der Außenhaut in der Spannrichtung des Flügels reihenartig angebracht sind und
aus feinen und dicht aufeinanderfolgenden Löchern bestehen; sie bilden die porösen
Flächen des Flügels, die in der Richtung der Spannweite verlaufen. Ein Teil der
Haut 2 unmittelbar unter jeder Perforationsgruppe ist von der Innenseite her ausgefräst
und nimmt eine Leiste 17 aus durchlässigem Material auf; sie ist an der Innenseite
des perforierten Teiles befestigt.
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Nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind in der Außenhaut 2 in
Richtung der Spannweite verlaufende flache Vertiefungen 18 angebracht. Der Boden
dieser Vertiefungen trägt Gruppen 16 von feinen Perforationen, und ein dünnes Blech
i g aus porösem Werkstoff ist über die ganze Flügelfläche gespannt, um so eine glatte
Außenfläche zu, bilden. Wie in b:ezug auf Fig.3 beschrieben, werden die Kanäle 5
aus einem gewellten Blech 12 und einer
inneren Haust 13 gebildet.
Die Kanäle selbst sind luftdicht .geschlossen. An Stelle eines verdickten Teiles
,der Außenhaut ist eine in Richtung der Spannweite verlaufende Leiste 2o angeordnet,
die in ,Abständen mit der Außenhaut verschweißt oder vernietet ist. Die Leiste 2o
verläuft in einem gewissen Abstand von dem durchlässigen Material 17 ,und ist perforiert.
Sie liegt mit ihren Seitenkanten an den Wänden_i5 des gewellten Bleches 12 an, wie
dies zuvor an Hand der Fig. 3 beschrieben ist.
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Nach einem weiteren Awsführungs!beispiel der Erfindung, .das in den
Fig. 6 biss 8 dargestellt ist, besteht .die Außenhaut aus einer inneren perforiertem
Schicht 2a, die durch Stege 22 voneinander getrennt ist, und aus einer geschlossenen
und im wesentlichen vom Kräften nicht beanspruchten äußeren Schicht 2b, die aus
porösem Stoff besteht und .durch Stege 22 von der Oberfläche 2i der Schicht 2- getrennt
ist. Die Stege 22 ,sind durch Ausfräsungen der inneren, auseinem Blech bestehenden
Schicht 2a hergestellt, oder die Stege bestehen aus an der inneren Schicht 2a befestigten
Rippen. Die Stege 22 können in der Längs- und Querrichtung des Flügels verlaufen,
wie in Fig. 7 dargestellt, so daß: die vertieften Flächen 21 rechteckige Form haben,
oder sie können so verlaufen, däß die Flächen 21 Vielecke darstellen, wie dies Fig.
8 zeigt. Die Kanäle werden durch ein gewelltes Blech 12 gebildet. Seine Wellen bilden
die Kanäle 5, die in der Längsrichtung des Flügels liegen. Das gewellte Blech 12
ist an der inneren Schicht 2a der Außenhaut unter den Stegen 22 befestigt; beispielsweise
durch Schrauben 23. Eine innere Haut 13 ist an denn Teil 12 befestigt, wie dies
an Hand der Fig.3 beschrieben ist.
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Die Luft strömt über die porösie äußere- Schicht 2b der Außenhaut
und wird durch diese und die perforierte innere Schicht 2a in die in der Flügellängsrichtung
verlaufenden Kanäle gesaugt. Die ganze Außenhaut 2 ist so. mit Ausnahme der Stege
22 porös und in eine Reihe von aneinander anschließenden Quadraten oder Vielecken
geteilt, im Gegensatz zu den vorbeschriebenen Ausführuaigsformen entsprechend den
Fig. i bis 5, wo- die porösen Leisten i mit Abstand voneinander angeordnet sind.
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Die Kanäle 5 sind, wie zuvor an Hand der Fig. 2 beschrieben, mit den
luftabsaugenden Mitteln verbunden. Damit der Betrag der .durch die einzelnen Flächen
abgesaugten Grenzschicht gleichmäßig wird, kann der Grad der Saugwirkung, der auf
die äußere Schicht 2b der Außenhaut ausgeübt wird, durch Änderung der Zahl und es
Durchmessers der Perforationen in den ausgesparten Flächen geändert werden. Wie
zuvor beschrieben, überbrücken die Kanäle 5 die porösen Flächen über die ganze Spannweite
der Tragflächen und wirken so- als verstärkende Bauelemente für den Flügel.
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Die Erfindung ist anwendbar auf Flugzeugrümpfe, in welchem Falle die
porösen Leisten i des ersten Ausführungsbeispiels entsprechend dem Rumpfquerschnitt
geformt und die Kanäle 5 Rahmenteile, Spanten, darstellen, welche miteinander durch
zweite Kanäle verbunden sind, die als Längsträger dienen. -Die Erfindung ist auch
anwendbar auf Wasserfahrzeuge, beispielsweise auf Unterseeboote oder Unterwassergeschosse
(Torpedos). Beim Unterseeboot macht die Oberflächenreibung, da die Welleneinwirkung
fortfällt, den gesamten Schiffswiderstand aus. Um die Oberflächenreibung zu, vermindern,
wird -ein :ausreichender Teil der Grenzschicht des über die Bootshaut fließenden
Wassers mittels wasserabsaugender Mittel durch poröse Flächen und Kanäle abgesaugt,
wie sie für die Tragflächen und Flugzeugrümpfe beschrieben sind, um die laminare
Strömung in der Grenzschicht zu stabilisieren. Die Kanäle reichen, wie zuvor beschTeben,
über die ganze Länge der porösen Flächen und wirken gleichzeitig als verstärkende
Bauelemente für die Außenhaut des Fahrzeugges oder des Geschosses.
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Die zu. den Leisten i gehörenden Kanäle 5 können statt durch Nieten
durch Punktschweißung oder durch stetige Schweißung mit der Außenhaut verbunden
werden. Ebenso kann das gewellte Blech 12, welches die Kanäle 5 bildet, dumch PunktschweIßung
oder. durch Niete oder in anderer Weise fest mit der Außenhaut 2 verbunden werden.
Der Grad der Absaugung der C.grenzschicht kann über verschiedene Teile der Außenhaut
auch dadurch geändert werden, daß eine Reihe von Pumpen gleicher Leistung verwendet
und die Ge-, schwindigkeit der Pumpen entsprechend den gewünschten verschiedenen
Bedingungen geändert wird.