WO2001062591A1

WO2001062591A1 - Flugzeug

Info

Publication number: WO2001062591A1
Application number: PCT/CH2001/000109
Authority: WO
Inventors: Michael May
Original assignee: Michael May
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2001-08-30
Also published as: AU2001231472A1

Abstract

Das Motorflugzeug (1) mit Antriebseinrichtung mit Luftschraube weist zum senkrecht Starten und Landen eine vordere Tragfläche (2), die in einem unteren Bereich, und eine hintere Tragfläche (3), die in einem oberen Bereich angeordnet ist, auf, wobei die Anstellwinkel (α1, α2, α3) der jeweiligen Tragflächen (2, 2A, 2B; 3) in Bezug auf die gedachte Achse des von der Antriebseinrichtung erzeugten Luftstromes auch während des Fliegens individuell verstellbar sind. Durch die beschriebene Anordnung und Ausbildung der Tragflächen ergibt der vom Antrieb erzeugte Luftstrahl eine wirkungsvolle Auftriebskraft (R).

Description

Flugzeug

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Flugzeug mit Mitteln zum senkrecht Starten und Landen gemass Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der US-A-5 098 034 ist ein Flugzeug mir Mitteln zum senkrecht Starter, und Landen bekannt, wobei αie Mittel vor allem nach hinten gerichtete Propeller, sogenannte Druckpropeller, enthalten, αie an festen Entenflugeln aufgehängt sind und einen etwa m der Mitte des Flugzeuges angeordneten Flügel anblasen, der um seine Langsachse drehbar ist. Hinten befinden sich ein Horizontaler und ein vertikaler Stabilisator mit Höhenruder. Dieses Prinzip mit dem Druckpropeller gibt nur Auftrieb für den Flügel m der Mitte, da sich die Entenflugel vor dem Propeller befinden und daher keinen Auftrieb erhalten. Somit ergibt sich ein insgesamt kleiner Wirkungsgrad.

Der Entwicklungsstand von Flugzeugen ist ausserordentlich hoch und revolutionäre Fortschritte sind kaum mehr zu erwarten. Es ist jedoch immer noch wünschenswert, relativ teure Helikopter durch einfachere Flugzeuge zu ersetzen, die ähnliche Eigenschaf en bezüglich senkrecht Starten und Landen aufweisen, und somit nach Massnahiren zu suchen, um den Bau von Flugzeugen mit giten Senkrechtstart- und -lanαeeigenschaften mit relativ bescheidenem Aufwand sicher und praxisnah zu ermöglichen.

Es ist von dieser Stand der Technik ausgehenα A.ufgabe der vorliegenden Erfindung, die Senkrechtstart- und Landeeigenscnaften von Motorflugzeugen zu erhohen und den Wirkungsgrad des Antriebs zu verbessern. Diese Auαfgabe wird mit αem Flugzeug gemass Patentanspruch 1 gelost. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen eines Ausfuhrungsbeispieles naher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfmdungsgemasses Flugzeug in Draufsicht,

Fig. 2 zeigt das Flugzeug von Figur 1 in Seitenansicht,

Fig. 3 zeigt das Flugzeug von Figur 1 m Frontansicht,

Fig. 4 zeigt ein zweimotoriges Flugzeug gemass Erfindung m einer Sicht von vorne,

Fig. 5 zeigt das Flugzeug von Fig. 4 m Seitenansicht, und

Fig. 6 zeigt eine Ausfuhrungsvariante zu Fig. 5.

Die Figuren zeigen schematisch ein Flugzeug 1. Eine vordere Tragflache 2 ist aufgeteilt in eine rechtsseitige 2A und eine linksseitige 2B Teiltragflache. Eine r.intere Tragflache 3 ist hier einteilig dargestellt, doch kann auch die hintere Tragflache aus zwei Teiltragflachen gebilαet sein. Die Tragflachen sind mit dem Flugzeugrumpf 4 αerart verbunden, dass ihr jeweiliger Anstellwinkel α_x, α₂, α₀ auch wahrend des Fluges verstellbar ist. Die Anstellwinkel , α₂, α₃ der Tragflachen sind m Fig. 2 gross, ca. 14^c-16°, und m Fig. 3 gleicn 0° dargestellt. Es ist ersichtlich, αass sich die Anzahl der Anstellwinkel α- nach αer Anzahl αer Trag-oder Teiltragflachen richtet.

Eine Luftscnraubε 5 wird von einen nicht αargestellten Motor bzw. einer Gasturome angetrieben und erzeugt einen Luftstrom, mit Pfeilen 6 bezeichnet, siene Fig. 2. An einem Propellerblatt sind verschieden lange Pfeile 6 als Luftgeschwindigkeitsvektoren bezeichnet. Im äusseren Durchmesserbereich des Propellerblattes ist die der Luft vermittelte Strömungsgeschwindigkeit mindestens 15% höher als innerhalb dieses Bereichs. An den radial ausgebildeten Blattenden sind Seitenflügel 12 angeordnet.

Der von einer Antriebseinrichtung, wie zum Beispiel ein von einem Motor angetriebener Propeller, erzeugte Luftstrom kann im wesentlichen wie ein durch eine Mündung austretender Luftstrahl betrachtet werden, wobei der Durchmesser der Mundung dem Propellerdurchmesser entspricht. Dieser Luftstrahl hat einen Kernbereich 7, der sich stromabwärts mit einem Winkel von ungefähr 6° verjüngt und etwa eine Lange des 4 bis 4,7 fachen des Mündungsdurchmessers aufweist. Gleichzeitig weist derselbe Luftstrahl einen ebenfalls kegelförmigen Mantelbereich auf, der sich mit etwa 12° zur Strahlachse ausbreitet und mit Strahlmantelbereich 8 bezeichnet wird.

Bei Senkrechtstart und -landung ist der genannte Luftstrom die einzige wesentliche Luftbewegung und muss daher optimal zur Gesamtauftriebserzeugung genutzt werden.

Die vordere Tragfläche 2 ist in einem unteren Bereich und die hintere Tragfläche 3 in einem oberen Bereich des Luftstromes angeordnet. Im Strahlmantelbereich 8 sind an den Tragflachenenden Seitenflügel 9 fest angeordnet, wodurch bei hoch belasteten Tragflachen der Auftriebsbeiwert erheblich vergrossert wird. Eine ungefähr gieichmässige Lastverteilung auf die vordere und hintere Tragflache bedingt eine grössere Fläche der hinteren Tragfläche, da die umströmende Luft im Mantelbereich langsamer ist als im Kernbereich. Die Spannweite der Tragflachen ist nicht auf den Strahlmantelbereich 8 beschrankt und kann e nach Typ und Verwendung auch grosser sein, wie dies beispielsweise aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht.

Zusammen mit den vorderen Teiltragflachen kann das von der Luftschraube ausgeübte Drehmoment weitgehend ausgeglichen werden, indem ihre Wirkung ahnlich derjenigen nachgeschalteter Leitschaufeln ist. Die Tragflachen können m bekannter Weise auch sogenannte Vorflugel und

Heckhilfsflugel zur Vergrosserung der Auftriebsbeiwerte aufweisen. Auch können unter anderem Bremsklappen und Querruder vorgesehen sein.

Die Abstutzung 10 eines lenkbaren Bugrades ist stromungsgunstig ausgebildet und kann als Seitenleitwerk benutzt werden. In Abweichung von herkömmlichen Flugzeugen sind die Heckradεr 13 mit der Aufhangung gemass Figur 2 gegen die Mitte hm angeordnet. Die Unterseite des Flugzeugendes ist der Abhebe- und Senkrechtstartbewegung angepasst und nacn oben abgewinkelt. In Figur 2 sind ferner schematisch der Boden G beim normalen Start und GT beim ungefähr senkrechten Abheben eingezeichnet.

In Figur 2 ist ferner der Scnwerpunkt CG eingezeichnet, an dem die massgebenden Kräfte, der Propellerscnub PT und der Tragflachenauftrieb WL wirken, um die Resultante R zu ergeben, die das Flugzeug hebt.

Die Erfindung ist nicht auf ein einmotoriges Flugzeug beschrankt, wie eben beschrieben, sondern gilt auch für mehrmotorige Flugzeuge. In αen Figuren 4-6 ist ein zweimotoriges Flugzeug bescnπeben, wöbe- das Flugzeug 14 zwei Antriebe mit Luftschrauoen 5 aufweist und die vorderen Tragflachen 15 und 16 je im unteren Bereich und die hinteren Tragflachen 17 und 18 je im oberen Bereich des Luftstromes angeordnet sind und die gleichen Eigenschaften und Wirkungsweise wie die anhand der Figuren 1-3 beschriebenen Tragflachen besitzen. Die Spannweite der Tragflachen ist hier grosser als der Strahlmantelbereich, doch sind die

Seitenflügel auch hier im ausseren Bereich des Strahlmantels 8 angeodnet.

Zwischen den Tragflachen ist ein Rumpf 19 angeordnet, der wie herkomimlich gestaltet und ausgebaut sein kann. In Figur 5 befinden sich die Motoren relativ vorne beim Bug, wahrend sich die Gasturbinen 20 von Flugzeug 21 gemass Figur 6 nahe bei den vorderen Tragflachenenden befinden. Die Bug- und Heckrader können entsprechend denjenigen gemass den Figuren 1-3 gestaltet sein.

Die im folgenden beschriebenen Massnahmen können zufolge ihres jeweils generellen Charakters bei unterschiedlichen Flugzeuggrossen und bei ein- oder mehrmotoriger Auslegung angewandt werden.

Zur Verbesserung der Steig- und Smkf mgkeit werden nachfolgend mehrere Massnahmen beschrieben, durch welche die Auftriebskräfte bei vergegebener Antriebsleistung erhöht werden unc/oder eine wesentliche Verringerung des Gewichtes des Flugzeiges erreicht wird. Dabei weist das beschriebene Flugzeug folgende Eigenschaften auf:

1. Wenn die vom Luftstrahl beaufschlagten Tragflacnen auf die Strahlachse bezogene Anstellwinkel α_ α₂, α_;, α_n erhalten, die im Bereich für einen maximalen Au triebsbeiwert (Ca) liegen, wird daduren auch eine hone Auftriebskraftkomponente und somit Auftriebskraft erzeugt. Für den Zustand des Reisefluges werden diese Anstellwinkel verkleinert bis auf Werte, bei welchen z. B. der beste Gleitwinkel ermöglicht wird.

Indem die vordere und hintere Tragflache hohenversetzt sind, kann ein grosstmoglicher Teil des Luftstrahls zur Auftriebserzeugung genutzt werden.

2. Wenn die Lastverteilung auf die beiαen genannten Tragflachen naherungsweise in derselben Grossenorαnung vorgeseher ist, ergibt diese Auslegung ein bei vorgegebener Festigkeit minimales Flugzeuggewicnt .

3. Indem vorgesehen ist, im Strahlmantelbereich 8 des von der Antriebseinrichtung erzeugten Luftstromes an den

Tragflachen sogenannte Seitenflügel 9, die auch als "Wmglets" bezeichnet werden, im wesentlichen senkrecht zur Tragflachenachse anzuordnen, ergibt sich, insbesondere bei Start- und Landebedingungen, eine ganz wesentliche Erhöhung der Auftriebskraft, besonders bei kurzer Spannweite und grosser Flugelproflllange .

4. Die Wirkung der Seitenflügel ist besonders gunstig, wenn vorgeseher ist, dass der Überstand der Seitenflügel an der Vorderseite und Oberseite des Tragflacrenproflies mindestens 0,5 der Profildicke D betragt und an der Unterseite grosser ist und vorzugsweise 2D betragt.

5. Eine

Bauweise εrgict sich, wenn vorgesehen ist, dass die vordere Tragflache durch eine linke und eine rechte Teiltragflacne 2A, 2B gebildet ist, bei denen die jeweiligen Anstellwinkel α_, α individuell veränderbar sind. Da die vordere Tragfläche relativ nahe hinter dem Propeller angeordnet ist, kann eine leistungsabhängige Ansteuerung der Querruderfunktion überlagert sein, so dass das Drehmoment des Antriebs auch ohne Verwendung zweier gegenläufig drehender Propeller weitgehend ausgeglichen werden kann und gleichzeitig die Funktion eines Höhenruders und Querruders gewährleistet ist.

6. Eine weitere gewichtssparende Bauweise ergibt sich, wenn vorgesehen ist, dass die Abstützung des lenkbaren Buggrades vergleichbar einem Seitenleitwerk (Seitenruder) ausgebildet ist und dadurch zwei Funktionen übernehmen kann.

7. Bezüglich der Antriebseinrichtung ist es bekannt, dass bei vorgegebener Antriebsleistung die erzielbare Schubkraft dann am grössten wird, wenn ein möglichst grosser Strahl mit möglichst kleiner Geschwindigkeit angestrebt wird. Man wird daher im Falle eines Mehrblattpropellers einen grossen Propellerdurchmesser wählen mit während des Fluges verstellbaren Anstellwinkeln der Propellerblätter.

Eine weitere Verbesserung der Schubkraft eines Propellers bzw. einer Luftschraube kann erreicht werden, indem vorgesehen ist, dass die mindestens eine Antriebseinrichtung eine Luftschraube aufweist, die im Bereich ausserhalb der Hälfte ihres Aussendurchmessers der Luftmasse eine mindestens 15% höhere Axialgeschwindigkeitskomponente vermittelt als innerhalb dieses Bereiches.

Eine weitere Verbesserung, besonders des Startschubes, d. h. im Bereich der Startleistung der Antriebseinheit, wird erreicht, wenn die Luftschraubenblätter radial endende Blattenden 12 aufweisen, die mit Seitenflügeln wie die Tragflächen versehen sind. Für Senkrechtstart und/oder -landung wird die Langsachse des Flugzeuges, die im wesentlichen parallel zur Propellerachse und somit zur gedachten Achse des Luftstrahles, bzw. bei zweimotorigen Ausfuhrungen der Luftstrahlen ist, m eine Winkellage zur Horizontalen gebracht, bei welcher nach Ausgleich aller Momente die Resultierende aller Kräfte vertikal nach oben zeigt, wobei die Anstellwinkel der Tragflachen m Bezug auf die Flugzeuglangsacb.se grosser sind als bei Normalflugzustand.

Um den Anstellwinkel einer Tragfl che auch wahrend des Flugzustandes zu verandern, gibt es verschiedene Möglichkeiten von Verstellmassnahmen und -mitteln. In vielen Anwendungsmoglichkeiten wird vorgesehen, die Lagerung und Befestigung des Hauptholmes der Tragflache entweder verdrehbar oder kippbar auszubilden, und m fester Verbindung, mit einer Verdreh- oder Kippeinrichtung, die vom Piloten angesteuert oder betätigt werden kann, bedarfsge ass einzustellen. Wenn die Verdrehungsachse m den Koordinaten des Neutralpunktes der Momente des gewanlten Flugelproflies der Tragflache gelegt wird, dann sind die Verstellkrafte minimal .

Das erfmdungsgemasse Flugzeug kann m verschiedenen Ausfuhrungen auch noch Querruder, Seitenruder und Höhenruder im Bugbereich aufweisen.

Aus obigem ergeben sich zusammenfassend folgende Flug- und Steuermoglichkeiten:

a) Lenkung mittels dem Bugfahrwerk, wie vorgehend beschrieben, oder einem an sich bekannten Heckleitwerk .

b) Querruderwirkung mittels der individuell verstellbaren vorderen Tragflachen ooer mittels an sich bekannten Querrudern, die an mindestens einer der beiden Tragflachen angeordnet sein können.

c) Hohenruderwirkung mittels simultaner Verstellung beider Anstellwinkel der vorderen Tragflachen oder mittels simultaner, d.h. gleichgerichteter Verstellung der Querruderanstellwinkel, oder eines an sich bekannten Höhenleitwerks . d) Normalflug dadurch, dass die Anstellwinkel der Tragflachen m bezug auf die Flugzeuglangsacnsen klein bleiben. e) STOL durch Einstellen der Anstellwinkel der Tragflachen auf grossere Werte, z.B. auf 8-12 °, unter Umstanden bis an die Abrissgrenze, die je nach Tragflugelprofil bis zu 18° betragen kann. Für den anschliessenden Geradeausflug wird der Bereich mit dem gunstigsten Gleitwinkel gewählt. f) VTOL : Diese im allgemeinen scnwieπgste Art des Startens und Landens benotigt Übung und Konzentration seitens des Piloten. Vorzugsweise wird mittels Teillast der Antriebseinheit und mittels auf hohen Standschub eingestelltem Propeller, falls es sich um einen verstellbaren Propeller handelt, mit festgebremstem Hauptfahrwerk zunächst durch Einwirkung auf das Höhenruder die Flugzeuglangsachse so angestellt, dass die Resultante R senkrecht nach oben gerichtet wird und die Achse dieser

Resultante nahe beim Schwerpunkt CG des Flugzeugs liegt und ein Momentenausgleich, z.B. durch das Honenruder bev. rkbar ist .

Dabei ist der sogenannte Boαeneffekt besonders zu berücksichtigen, da hierbei nicht alleme nur die Auftriebskomponente vergrossert wird, sondern auch dementsprecnend die Wirkung der Hohen- und Querruder. Beim erfindungsgemässen Motorflugezug kann es sich um Flugzeuge in Normalgrösse oder um Flugzeuge im reduzierten Masstab handeln.

Claims

Patentansprüche

1. Motorflugzeug, mit Tragflachen, einer mindestens eine Luftschraube umfassenden Antriebseinrichtung und Mitteln zum senkrecht Starten und Landen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum senkrecht Starten und Landen eine vordere Tragflache (2; 15, 16), die m einem unteren Bereich, und eine hintere Tragflache (3; 17, 18), die in einem oberen Bereich des von der Antriebseinrichtung erzeugten Luftstromes angeordnet sind, enthalten, wobei die

Anstellwinkel (α_^, α₂, α₃, α- der jeweiligen Tragflachen (2, 2A, 2B; 3; 15, 16, 17, 18) m Bezug auf die gedachte Achse des von der Antriebseinrichtung erzeugten Luftstromes auch wahrend des Fliegens individuell verstellbar sind.

2. Motorflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlmantelbereich (8) des von der

Auftriebsemπchtung erzeugten Luftstromes an den Tragflachen (2, 2A, 2B; 3; 15, 16, 17, 18) Seitenflügel (9) im wesentlichen senkrecht zur Tragflachenachse angeordnet sind.

3. Motorflugzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand der Seitenflügel (9) an der Vorderseite und Oberseite des Tragflachenproflies mindestens 0,5 der

Profilhohe (D) betragt und an der Unterseite grosser ist und vorzugsweise 2D betragt.

4. Motorflugzeug nach einem der Ansprucne 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Tragflache (2) aus zwei Teiltragflachen (2A, 2E; 15, 16) geoildet ist, be denen die jeweiligen Anstell inkel (αi, α_) individuell veränderbar sind.

5. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Tragflache (3) aus zwei Teiltragflachen (17, 18) gebildet ist, bei denen die jeweiligen Anstellwinkel {a α- individuell veränderbar sind.

6. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastverteilung vorzugsweise m derselben Grossenordnung auf die beiden Tragflachen (2, 2A, 2B; 3; 15, 16, 17, 18) vorgesehen ist.

7. Motorflugzeug nach einem der Ansprucne 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftschraube (5) im Bereich ausserhalb der Hälfte ihres Aussendurchmessers der Luftmasse eine mindestens 15% höhere Axialgeschwmdigkeitskomponente vermittelt als innerhalb dieses Bereiches .

8. Motorflugzeug nach einem der Ansprucne 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftschraubenblatter radial endende Blattenden aufweisen, die mit Seitenflügeln (12) versehen sind.

9. Motorflugzeug nach einem der Ausprucne 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstutzung des lenkbaren Bugrades (10) als Seitenleitwerk ausgebildet ist.

10. Motorflugzeug nach einem der Ansprucne 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Heckrader (13) aufweist, die von hinten gesehen nahe beim Schwerpunkt (CG) angeordnet s nd.

11. Motorflugzeug mit mindestens einer vorne angeordneten Luftschraube (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Querruder, Seitenruder und Höhenruder im Buσoereich aufweist.