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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Minderung des aerodynamischen Lärms an einem
Vorflügel eines Verkehrsflugzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Mit ihr wird der
aerodynamische Lärm an Vorflügeln bei (modernen) Verkehrsflugzeugen reduziert, der während des
Start- und Landeanfluges durch Luftumströmung des Vorflügel-Profiles induziert wird.
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Moderne Verkehrsflugzeuge bedienen sich während der Start- und Landephase sogenannter
Hochauftriebshilfen, um bei geringen Fluggeschwindigkeiten den erforderlichen Auftrieb zu erzeugen.
Diese Flugzeugkomponenten, unterteilt in Vorflügel und Landeklappen, welche sich beweglich an
einen Hauptflügel anlenken und diesem ausfahren lassen, sind neben den Fahrwerken die
hauptsächlichsten Erzeuger des Umströmungslärms von Verkehrflugzeugen. So werden
beispielsweise zur Steigerung des Auftriebs bei reduzierter Geschwindigkeit im Landeanflug Vorflügel
und Landeklappen ausgefahren. Da bei den heutigen Verkehrsflugzeugen in der Regel Vorflügel vom
Typ: "handley page slat" eingesetzt werden, entsteht bei dieser Bauweise zwischen dem Vorflügel und
dem Hauptflügel ein Spalt, dessen Durchströmung zur gewollten Steigerung des Auftriebs erforderlich
ist, jedoch zu erhöhter Lärmerzeugung führt. Dieser Lärm kann während des Landeanfluges, wenn die
Triebwerke stark gedrosselt sind, die Größenordnung des Triebwerkslärms erreichen.
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Dass die Fachwelt sich ernsthaft mit vorzusehenden Verbesserungen der Lärmminderung einer
umströmten Flugzeugstruktur, insbesondere an der Tragwerkstruktur im Vorflügelbereich, befasst,
darüber geben Erkenntnisse aus Arbeiten eines Luftfahrtforschungsprogramms der Bundesrepublik
Deutschland entsprechende Auskunft, die sich mit der Reduzierung des von Hochauftriebshilfen
ausgehenden Lärms befassen. Ergebnisse aus durchgeführten Versuchsreihen offenbaren, dass der
Vorflügel einen höheren Anteil zum Gesamtlärm beiträgt - als derjenige einer Landeklappe.
Weitgehende Untersuchungen identifizierten einen ausgeprägten "gefangenen Wirbel" auf der
rückwärtigen konkav gewölbten (flügelangelenkten) Innenseite des Vorflügels als potentielle
Geräuschquelle. Die Lärmentstehung wird derweise verständlich, wonach auf genannter Innenseite
im ausgefahrenen Zustand des Vorflügels eine Strömungsablösung der Spaltströmung zwischen
Vorflügel und Hauptflügel in Form des gefangenen Wirbels entstehen wird. Dieser Wirbel wird über
die vorflügelnahe angrenzende Spaltströmung ständig mit Energie versorgt. Über die Trennstromlinie
zwischen dem Wirbelstromgebiet und der Spaltströmung gelangen kontinuierlich Turbulenzballen in
die beschleunigte Spaltströmung, wodurch der Lärm entsteht, insbesondere durch Abströmung der
Turbulenzballen über die Oberkante (obere Abströmkante) respektive obere Vorflügelhinterkante des
Vorflügels.
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Auch eine vom "American Institute of Aeronautics and Astronautics" publizierte Studie der Herren
Dobrzynski und Gehlhar [Dr. Werner Dobrzynski, Burkhard Gehlhar: "Airframe Noise Studies on
Wings with Deployed High-Lift Devices"; Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt e. V. (DLR),
Institut für Entwurfsaerodynamik, Abteilung Technische Akustik, Forschungszentrum Braunschweig,
Germany; 4th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference; June 2-4, 1998/Toulouse, France] befasst
sich mit der Lärmentstehung und Lärmverhinderung am ausgefahrenen Vorflügel eines Flugzeuges.
In dieser Studie wird unter anderem auf eine Lösung eingegangen, nach der am Innenbereich (am
rückwärtigen Profilbereich) eines Vorflügels, der sich in Richtung des Hauptflügels aufspannt,
strömungseinwärts der Profilwölbung ein vorflügelbefestigtes Leitblech (gelenkbeweglich) angeordnet
ist, das (sinnvollerweise) an den Vorflügel angelenkt und eingeschwenkt wird. Durch diese
Maßnahme verspricht man sich, den Geräuschpegel während des Starts und der Landung eines
Flugzeuges zu verringern. Für den Reiseflug des Flugzeuges wird dann das Leitblech an den
Vorflügel angelenkt. Es mag sein, dass man entsprechende Geräuschminderungen im Windkanal
erfolgreich nachweisen kann, allerdings wird diese Lösung nach praktischen Erwägungen wohl kaum
verwendet werden, weil sie so nicht umsetzbar ist. Im eingefahrenen Zustand des Vorflügels
(Reisekonfiguration) mit entsprechend dem rückwärtigen Profilbereich (nach innen) geklapptem
Leitblech ist kein ausreichender Platz vorhanden, um eine starre Konfiguration zu verstauen.
Andererseits weist eine derartige flexible Trennfläche, die sich beim Einfahren der Innenkontur des
Vorflügels anpasst, dann nicht genügend Festigkeit auf, um den durch die Luftströmung verursachten
Kräften standzuhalten. Von daher wird Flatterneigung mit dem Effekt einer Geräuschabstrahlung
auftreten, die dem beabsichtigten Zweck entgegensteht. Ein angelenktes Leitblech wird zusätzliche
mechanische bewegliche Teile erfordern, wodurch neben dem Anwachsen der Herstellungs- und
Wartungskosten auch Gewichtserhöhungen auftreten werden. Der Übergang von der
Vorflügelunterseite zu dem Gelenk der Trennfläche muss frei von Kontursprüngen und Schlitzen
ausgebildet sein, wodurch sehr hohe Fertigungsgenauigkeiten erforderlich sind. Ferner wird die
vorgeschlagene Blech-Trennfläche erheblichen Wechselkräften, die von der Luftströmung initiiert
werden, ausgesetzt sein. Da diese Trennfläche lediglich an der Unterkante des Vorflügels über das
Gelenk befestigt wird und keine weiteren Versteifungen vorgesehen werden, besteht die Gefahr, dass
diese Trennfläche zu Schwingungen angeregt wird. Da die Kontur der Slatrückseite wie auch die
Geometrie des Luftspaltes sich über die Spannweite der Tragfläche ändert, müssten die Elemente
dieser Trennfläche eine Verwindung/Schrägung bekommen, wodurch der Einklappmechanismus
zusätzlich verkompliziert wird. Sehr kritisch wird die Situation eines Fehlerfalles, beispielsweise bei
Blockade der Mechanik, bewertet, weil sich dann der Vorflügel nicht mehr einfahren lässt.
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Weil auch keine weiteren Hinweise oder Anregungen zum Abstellen dieser Nachteile (auch nicht
andeutungsweise) vermittelt werden oder auf etwa weitere Verbesserungen (wenigstens
andeutungsweise) hingewiesen wird, nach denen eine Geräuschminderung am Vorflügel durch
anderweitige strömungsbegünstigende Maßnahmen, die gänzlich auf zusätzliche sich bewegende
mechanische Elemente verzichten würden und außerdem eine optimale Anpassung an verschiedene
Flugzustände umsetzen würden, erreicht wird, kann man bestenfalls die vorgeschlagene Lösung als
Anregung zum Auffinden von verbesserten Lösungen auffassen, nach denen der Anteil des
Vorflügellärms am Gesamtlärm von umströmten Flugzeugstrukturen der Verkehrsflugzeuge
signifikant reduziert und in eine technisch und wirtschaftlich befriedigende Gesamtlösung umgesetzt
wird.
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Auch die DE 199 25 560 A1 schlägt vor, durch das Einbringen einer massiven vorflügelbeweglichen
Trennfläche, bspw. mittels einem geformten Blech, entlang der Trennstromlinie zwischen dem vorher
erwähnten gefangenen Wirbel an der konkav gewölbten Innenseite des Vorflügels und der
Spaltströmung die vorgenannte(n) Strömungslärmquelle(n) zu minimieren, wobei die vorgenannten
Nachteile, auf die hinsichtlich der vorerwähnten Studie aufmerksam gemacht wird, gleichermaßen
zutreffen. Außerdem besteht die Gefahr, dass durch das Abdecken der konkav gewölbten Innenseite
des Vorflügels ein Resonanzvolumen gebildet wird, wodurch es zur erhöhten Lärmabstrahlung
kommen kann. Sofern das geformte Blech, dass an der Innenseite des ausgefahrenen Vorflügels
eingangs der Spaltströmung beweglich gelagert wird, nicht vollständig diese Vorflügel-Innenseite und
damit den gefangenen Wirbel abschottet, kann man davon ausgehen, dass an der Endkante des
Bleches die (den Luftspalt passierende) Spaltströmung abreißen wird, wodurch die abgeschottete Luft
(des gefangengehaltenen Wirbels) zu Schwingungen (Resonanzschwingungen) angeregt wird, die
man als tieffrequenten Ton wahrnehmen wird.
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Ferner ist aus der DE 100 19 185 A1 eine Anordnung zur Minderung des aerodynamischen Lärms
von Vorflügeln eines Verkehrsflugzeuges, bei der der zitierte Innenbereich des Vorflügels, der
beweglich an einen Hauptflügel angelenkt oder diesem ausgefahren wird, eine der Außenkontur des
Hauptflügels angepasste Profilwölbung aufweist, welche in Vorflügel-Spannweitenrichtung die Form
einer Hohlkehle besitzt. Diese Anordnung umfasst einen innerhalb der Profilwölbung an der
gewölbten Profiloberfläche befestigten hohlen Verdrängungskörper, der ohne weitere Zwangsführung
durch Anlenkung (von) weiterer(en) aerodynamischer(en) Körper(n) innerhalb dem von der
Profilwölbung eingeschlossenen Raum positioniert ist. Der Verdrängungskörper ist mit wenigstens
einer geregelten Bleed-Air-Leitung, die im Hohlraum des Vorflügels abschnittsweise angeordnet ist,
verbunden. Ungeachtet dessen, dass der Verdrängungskörper auch aufgrund von
Alterungserscheinungen und auf ihn einwirkenden Umweltbelastungen etwaigen Verschleißerscheinungen
unterliegen wird, setzt seine Funktion eine Störeinflüssen unterliegende Verbindung mit einem
aufwendigen Steuerungssystem und eine Anbindung an andere Flugzeugsysteme (Datenbus,
Druckluft) zu dessen Betätigung voraus, falls man den ungewünschten Lärmanteil am Vorflügel
mindern möchte.
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Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Minderung des
aerodynamischen Lärms an einem Vorflügel eines Verkehrsflugzeuges bereitzustellen, mit der ohne
erheblichen Aufwand am Vorflügel eine lärmmindernde Wirkung umgesetzt wird, ohne dass die
aerodynamischen Verhältnisse (Auftrieb, Widerstand) sich nachteilig verändern. Bei einem Ausfall
der Anordnung dürfen keinesfalls gefährdende Auswirkungen, die den Flug eines
Verkehrsflugzeuges beeinflussen, auftreten. Dabei soll weitestgehend auf zusätzliche sich bewegende
mechanische Elemente und auf Elemente, die das Gesamtgewicht des Flugzeuges ungünstig
beeinflussen, verzichten werden, wobei eine einfache Installation der (als Nachrüsflösung
vorzusehenden) Anordnung und deren einfache Wartbarkeit angestrebt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. In den weiteren
Ansprüchen sind zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Maßnahmen angegeben.
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Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen
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Fig. 1 die Anordnung zur Minderung des aerodynamischen Lärms an einem dem Hauptflügel
ausgefahrenen Vorflügel und mit letzteren an der Unterkante angeordneter Trennfläche;
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Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1 mit einer aus mehreren seriell angeordneten Bürstenhaaren
zusammengesetzten und eine Trennfläche bildende Bürstenhaarreihe;
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Fig. 3 die Anordnung zur Minderung des aerodynamischen Lärms an einem dem Hauptflügel
ausgefahrenen Vorflügel und mit letzteren an der Oberkante angeordneter Trennfläche;
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Fig. 4 die Anordnung nach Fig. 3 mit einer aus mehreren seriell angeordneten Bürstenhaaren
zusammengesetzten und eine Trennfläche bildende Bürstenhaarreihe;
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Fig. 5 eine Diagramm-Darstellung der Schallquellverteilung in einem Schnitt eines Tragflügels mit
orginalem Vorflügel und eines mit Bürstenhaaren versehenen Vorflügels in Abhängigkeit der
Vorflügelposition bei einer Schall-Frequenz von 2,5 KHz;
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Fig. 6 die Diagramm-Darstellung nach Fig. 5 bei einer Schall-Frequenz von 3,15 KHz;
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Fig. 7 die Diagramm-Darstellung nach Fig. 5 bei einer Schall-Frequenz von 4,0 KHz;
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Fig. 8 die Diagramm-Darstellung nach Fig. 5 bei einer Schall-Frequenz von 5,0 KHz;
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Fig. 9 die Stromlinien für die Anordnung eines dem Hauptflügel ausgefahrenen orginalen Vorflügels
ohne die Anordnung zur Minderung des aerodynamischen Lärms nach den Fig. 1 bis 4.
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Um das Verständnis für die Situation der Lärmentstehung an einem umströmten Vorflügel 1, der dem
Hauptflügel 2 eines Verkehrsflugzeuges ausgefahren ist, zu fördern, wird zunächst auf die Anordnung
nach der Fig. 9 näher eingegangen. In dieser Darstellung wird - ergänzend der einleitenden
Ausführungen hinsichtlich dieser Konfiguration - der Verlauf der Luftströmung um diesen orginalen
Vorflügel 1 im ausgefahrenen Zustand (während der Start- und Landephase des Verkehrsflugzeuges)
deutlich hervorgehoben. Interessant für den Betrachter mag die Tatsache erscheinen, dass
weitgehende Untersuchungen auf der konkaven Innenseite des Vorflügels 1 einen "gefangenen
Luftwirbel 12" als potentielle Geräuschquelle identifizierten, der als sogenannte Wirbelwalze
ausgebildet ist und einen Teil des störenden Gesamtlärms ausmacht. Aufgrund der räumlichen
Ausdehnung dieses Effekts über die gesamte Spannweite dieser Tragfläche handelt es sich hierbei
um eine hoch wirksame Schallquelle, deren Geräuschpegel es zumindestens verträglich zu mindern
gilt. Um etwaigen Missverständnissen vorzubeugen - wird noch ergänzt, dass die Oberfläche der
Innenseite des Vorflügels 1 einen konkav gewölbten Innenbereich darstellt, welcher der Außenkontur
des Hauptflügels 2 angepasst ist, wobei dieser Innenbereich in Vorflügel-Spannweitenrichtung die
Form einer Hohlkehle besitzt.
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Anknüpfend an die einleitend diskutierten Vorstellungen zur Lärmbeseitigung am Vorflügel 1 wird in
den Fig. 1 bis 4 ein wesentlich einfacheres Lösungskonzept vorgeschlagen, dessen experimentell
im Windkanal bestätigter Erfolg man anhand der Fig. 5 bis 8 nachvollziehen kann.
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Aus den Fig. 1 bis 4 kann man ersehen, dass man zur Bewältigung der am Vorflügel 1 realisierten
Lärmminderung eine Trennfläche 6 einsetzt, die aus mehreren seriell angeordneten Bürstenhaaren 7
zusammengesetzt ist, welche mit einer in Vorflügel-Spannweitenrichtung angeordneten
Bürstenhaarreihe umgesetzt wird.
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Sofern nun auf der (konkav gewölbten) Rückseite des Vorflügels 1 - wie nach Fig. 9 vorgesehen -
keine Trennfläche 6 installiert wird, entsteht im ausgefahrenen Zustand des Vorflügels 1 eine
Strömungsablösung der (durch den Spaltbereich 9 strömenden) Spaltströmung zwischen dem
Vorflügel 1 und dem Hauptflügel 2 in Form des ausgeprägten (gefangenen) Luftwirbels 12. Dieser
Luftwirbel 12 wird - während des Steig- und Sinkfluges eines Verkehrsflugzeuges - (im dem
Hauptflügel 2 ausgefahrenen Zustand des Vorflügels 1) über die angrenzende Spaltströmung ständig
mit Energie versorgt. Über eine sogenannte (fiktive) Trennstromlinie, die zwischen dem
Wirbelströmungsgebiet und der Spaltströmung liegt, werden kontinuierlich Turbulenzballen in die
beschleunigte Spaltströmung gelangen, wodurch dann der Lärm entsteht, insbesondere durch
Abströmung der Turbulenzballen über die Oberkante 5 (obere Abströmkante) respektive obere
Vorflügelhinterkante des Vorflügels 1.
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Die Lösung mit einer flexibel gestalteten Trennfläche 6 nach der Fig. 1, die an der Unterkante 4 des
Vorflügels 1 eingangs dessen konkaver Profilwölbung 3 angeordnet ist und aus mehreren seriell
angeordneten Bürstenhaaren 7 besteht, welche über die Vorflügel-Spannweite verteilt sind, verfolgt
nun einen einfacheren Weg. Anstatt der (bekanntermaßen als Trennfläche 6 vorgeschlagenen)
starren Bleche, deren Anordnung man in der eingangs erläuterten DE 199 25 560 A1 nachsehen
kann, welche an der Unterkante 4 des Vorflügels 1 drehbeweglich befestigt werden, deren
Unterbringung (wegen der eingangs genannten Nachteile) im Reiseflug des Verkehrsflugzeuges (bei
einem dem Hauptflügel 2 angelenkten Vorflügel 1) unlösbar scheint, oder anstatt eines den
Innenbereich der Profilwölbung des Vorflügels 1 ausfüllenden aufblasbaren Verdrängungskörpers, der
sowohl (ebenso wegen der eingangs genannten Nachteile) ein aufwendiges als auch störanfälliges
Steuerungssystem sowie eine Anbindung an andere Flugzeugsysteme (Datenbus, Druckluft)
erfordert, wird eine Lärmreduzierung durch den Einsatz von Bürsten (Bürstenhaaren 7) erreicht
werden. Hierbei wird an der Unterkante 4 des Vorflügels 1 über die gesamte Vorflügel-Spannweite
beispielsweise eine dünne Bürstenreihe derart angebracht, dass die (in der Fig. 2 gezeigten)
Bürstenhaare 7 im Ruhezustand, also bei einem bodenstehenden Verkehrsflugzeug, der
Verlängerung der unteren Außenkontur des Vorflügels 1 in Strömungsrichtung folgen.
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Diese Anordnung nach der Fig. 1 findet man in der Fig. 2 mit einer Trennfläche 6 wieder, die aus
mehreren seriell angeordneten Bürstenhaaren 7 zusammengesetzt ist und beispielsweise eine
Bürstenhaarreihe bildet. Aus der Fig. 2 kann man ersehen, dass sich diese Bürstenhaare 7 im
Flugzustand des Verkehrsflugzeuges nun selbstständig aufgrund ihrer Flexibilität den Windkräften
folgend nach der Luftströmung ausrichten werden. Sie werden den gefangenen Luftwirbel 12
(wenigstens teilweise) abschotten und damit den geschilderten Energieaustausch unterbinden.
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Eine mit Bürstenhaaren 7 umgesetzte flexible Trennfläche 6, die nach den Fig. 1 und 2 an der
Unterkante 4 des Vorflügels 1 ausgangs der konkaven Profilwölbung 3 angeordnet ist, besitzt
gegenüber einer starren (mit Blechen realisierten) auslenkbaren Trennfläche den Vorteil, dass die
Bürstenhaare 7 sich den für verschiedene Fluganstellwinkel jeweils ergebenden unterschiedlichen
Trennstromlinienkonturen unter der Wirkung des dynamischen Strömungsdrucks (im Spaltbereich 9)
von selbst anpassen werden.
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Weiterhin kann man an der Unterkante 4 (respektive der unteren Vorflügelhinterkante) eine
bewegliche Anlenkung der Bürstenhaare 7 (der Bürstenhaarreihe), worauf später noch eingegangen
wird, vorsehen, wodurch sich der Vorflügel 1 dann in der Reisekonfiguration problemlos einfahren
lässt, weil sich die Bürstenhaare 7, sofern der Vorflügel 1 dem Hauptflügel 2 angelenkt wird, in dieser
Situation dann dem Innenbereich der Profilwölbung des Vorflügels 1 (respektive der konkaven
Vorflügelrückseite) anschmiegen werden.
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Mit dieser Bürstenanordnung nach den Fig. 1 und 2 wird die Entstehung einer turbulenten, freien
und damit instabilen Strömungsscherschicht weitestgehend verhindert und somit die ursächliche
Lärmquellgröße im Sinne einer Minderung beeinflusst.
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Anderenfalls kann man - nach dem Vorbild der Fig. 3 und 4 - die Trennfläche 6 mit mehreren
seriell angeordneten Bürstenhaaren 7 (mit der genannten Bürstenhaarreihe) auch an der Oberkante 5
(respektive an der oberen Abströmkante) des Vorflügels 1 anbringen. Eine solche Anordnung bewirkt
eine Verminderung der Abstrahlung von Kantenlärm, der bekanntlich infolge des Abströmens einer
turbulenten Strömung über eine Flächenendkante entsteht (Umwandlung von hydrodynamischen
Druckschwankungen in ausbreitungsfähigen Schalldruck). Eine Lärmminderung wird sich dadurch
ergeben, dass die Diskontinuität des Ausgleichs der turbulenten Oberflächen-Druckschwankungen an
der starren Kante infolge des endlichen Durchströmungswiderstandes der Bürstenkante (ähnlich dem
Vorbild bei einer porösen Endkante) durch einen allmählichen Ausgleich der turbulenten
Wechseldrücke in Strömungsrichtung ersetzt wird.
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Zurückkommend auf die bewegliche Anlenkung dieser Bürstenhaare 7 oder dieser Bürstenhaarreihe,
die (nach dem Vorbild der Fig. 1 und 2) an der Unterkante 4 (respektive an der unteren
Abströmkante) des Vorflügels 1 eingangs der konkaven Profilwölbung 3 oder (nach dem Vorbild der
Fig. 3 und 4) an der Oberkante 5 des Vorflügels 1 ausgangs der konkaven Profilwölbung 3
angeordnet sind und eine sogenannte Trennfläche 6 bilden, welche sich aus mehreren seriell
angeordneten Bürstenhaaren 7 oder aus mehreren seriell angeordneten Bürstenhaarbüscheln, die
aus mehreren Bürstenhaaren 7 definierter Anzahl gebündelt werden, zusammensetzt, wobei die
Bürstenhaare 7 oder die Bürstenhaarreihe über unter- oder oberkantenseitig des Vorflügels 1 in
Vorflügel-Spannweitenrichtung verteilt wenigstens einreihig (also auch zwei- oder mehrreihig wäre
denkbar) angeordnet sind, wird folgendes fortgesetzt.
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Die mit gereihten Bürsten(haaren 7 oder Bürstenhaarbüscheln) gebildete Trennfläche 6 ist an einem
beweglich veränderbaren Trägerelement [der(allgemein bezeichneten) Bürsten], das sich entlang der
Vorflügel-Spannweite erstreckt, befestigt. Dieses Trägerelement ist entsprechenden angetriebenen
Führungselementen einer (figurlich nicht gezeigten und auch nicht näher erläuterten)
Anlenkeinrichtung angeschlossen. Mit diesen Führungselementen der Anlenkeinrichtung lässt sich
das Trägerelement, sofern der Vorflügel 1 dem Hauptflügel 2 ausgefahren ist, entweder retour zur
konkaven Profilwölbung 3 oder anderenfalls nach einem Vorflügel-Außenbereich 8, der außerhalb
dem von der Profilwölbung 3 und dem Hauptflügel 2 eingeschlossenen Spaltbereich 9 (Zwischenraum
zwischen ausgefahrenem Vorflügel 1 und Hauptflügel 2) gelegen ist, anlenken. Dadurch wird sich die
Trennfläche 6 respektive werden sich die Bürstenhaare 7 entweder dem Innenbereich des Vorflügels
1 oder der Ober- oder Unterseite 10, 11 des Hauptflügels 2 zuwenden (und dort anliegen).
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Anderenfalls ist das Trägerelement den entsprechenden Führungselementen, die durch die Kraft der
Stellmotoren, die auch den Vorflügel 1 verfahren, angetrieben werden, angeschlossen, mit denen es
in den Spaltbereich 9 (Zwischenraum) gedrückt wird, dermaßen, dass die Bürstenhaare 7, sofern der
Vorflügel 1 dem Hauptflügel 2 angelenkt ist, zwischen dem angelenkten Vorflügel 1 und dem
Hauptflügel 2 gelegen sind.
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Hinsichtlich der beiden Anordnungen nach den Fig. 1 bis 4 bleibt zu ergänzen, dass die -
Bürstenhaare 7 an einer (figurlich nicht gezeigten) Stellfläche des Trägerelementes aufrecht stehend
befestigt sind. Diese Bürstenhaare 7 können (wie vorerwähnt) - sofern aus vorteilhaften Gründen
beabsichtigt - jeweils zu einem Bürstenhaarbüschel, von denen mehrere über die Vorflügelspannweite
verteilt und wenigstens einreihig angeordnet sind, zusammengefasst werden. Mit der seriellen
Anordnung der Bürstenhaare 7 oder den zusammengefassten Bürstenhaarbüscheln, die dicht
nebeneinander positioniert sind, lässt sich nun eine Bürstenhaarreihe realisieren. Die Bürstenhaare 7
sollen dünn (dünnborstig) ausgebildet sein, welche damit dermaßen befähigt sind, dass sie im
Flugzustand (Steig- oder Sinkflug) des Verkehrsflugzeuges (oder denkbar auch während dessen
Rollbewegung mit Bodenkontakt) während verschiedener Fluganstellwinkel des Vorflügels 1 sich
aufgrund ihrer Flexibilität den Windkräften folgend nach der Wirkung des aerodynamischen
Strömungsdruckes einer Spaltluft-Strömung, die den Spaltbereich 9 durchströmen wird, selbständig
ausrichten. Die Bürstenhaare 7 sind in definierter Dichte angeordnet, so dass die Diskontinuität des
Ausgleichs der turbulenten Oberflächen-Druckschwankungen an der starren Hinterkante des
Vorflügels 1 infolge des endlichen Durchströmungswiderstandes der Bürstenkante durch einen
allmählichen Ausgleich der turbulenten Wechseldrücke in Strömungsrichtung ersetzt wird. Weiter sind
die Bürstenhaare 7 mit einer Haardichte installiert, welche auch bei dicht positionierten Bürstenhaaren
7 oder -büscheln eine Luftdurchlässigkeit von Teilen der Spaltluft-Strömung ohne vollständige
Abdichtung des konkav gewölbten Innenbereiches des Vorflügels 1 umsetzt, wonach durch die
Bürstenhaare 7 noch ein Luftdruckausgleich umgesetzt wird.
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Anknüpfend an die vorangestellten Ausführungen wird eine Anordnung zur Minderung des
aerodynamischen Lärms an einem Vorflügel eines Verkehrsflugzeuges vorgestellt, die anhand einer
ersten Ausführungsmöglichkeit (Fig. 1 und 2) und einer zweiten Ausführungsmöglichkeit (Fig.
3 und 4) erläutert wird. Dabei soll auch nicht unerwähnt bleiben, dass (nach der ersten
Ausführungsmöglichkeit) an der Unterkante des Vorflügels 1 über die gesamte Spannweite eine
dünne Bürstenreihe derart angebracht ist, dass die Bürstenhaare 7 im Ruhezustand (also bei
stehendem Flugzeug) der Verlängerung der unteren Außenkontur des Vorflügels 1 in
Strömungsrichtung folgen. Im Flugzustand werden sich diese Bürstenhaare 7 nun selbständig
aufgrund ihrer Flexibilität den Windkräften folgend nach der Strömung ausrichten.
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Der Fachmann wird nun auch bestrebt sein, die Schallquellstärken eines orginalen Hauptflügels 2
(ohne an der Ober- und/oder Unterkante eingangs der konkaven Profilwölbung 3 an den
ausgefahrenen Vorflügel 1 angeordneten) Bürsten (seriell angeordneten Bürstenhaaren 7 oder
Bürstenhaarbüscheln) und eines mit Bürsten modifizierten Vorflügels 1 genannter Konfiguration
experimentell (wenigstens im Test) zu ermitteln, um seinen Erwartungen entsprechende Sicherheit zu
verleihen. Dabei wird er bestrebt sein, mittels eines akustischen Hohlspiegels die Quellstärken und
die Quellverteilung auf einem Schnitt eines Tragflügels in Landekonfiguration [also bei
ausgefahrenem Vorflügel 1 und (der Vollständigkeit halber) bei ausgefahrener Landeklappe]
messtechnisch zu erfassen. Man wird bei diesem Messverfahren einen Lärmpegelverlauf über den
Traversierweg (Verfahrweg) erhalten, um den der Hohlspiegel verfahren wird. Die vorgenommenen
Testreihen, durchgeführt an einem Modell im Maßstab 1 : 6, die nach den Fig. 5 bis 8 den
positiven Ausgang von erwarteter Lärmminderung durch vorgenommene Versuchsreihen bestätigen,
basieren auf einer geometrischen Anordnung mit den beiden wesentlichen Quellen, dem Vorflügel bei
X = -320 mm und die Landeklappenseitenkante bei X = 60 mm; wobei die Angabe "X" die Koordinate
des Traversierweges bedeutet. In den Fig. 5 bis 8 werden die Quellstärken des Hauptflügels 2 im
Orginalzustand ohne behandelten Vorflügel 1 mit einer ausgezogen Kurvenform und die Quellstärken
des Hauptflügels 2 mit behandeltem Vorflügel 1 mit einer gestrichelten Kurvenform dargestellt. Die
Fig. 5 bis 8 vermitteln nun diesem Fachmann für die Frequenzen 2,5 KHz, 3,15 KHz, 4 KHz und 5
KHz die beabsichtigte lärmmindernde Wirkung dieser modifizierten Flügelkonfiguration mit einem
Reduktionspotential der Quellstärke von bis zu 15 dB.
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Das erwartete Testergebnis bestätigt einerseits den Gedanken, dass die sich ausrichtenden Bürsten,
die an der Ober- und/oder Unterkante eingangs der konkaven Profilwölbung 3 an den
ausgefahrenen Vorflügel 1 angeordnet sind, bzw. die sich ausrichtende Schicht von Bürstenhaaren
durch Abschirmung das Wirbelgebiet der konkav gewölbten Innenseite (des Vorflügels 1)
hydrodynamisch von der Spaltströmung zwischen dem ausgefahrenen Vorflügel 1 und dem
Hauptflügel 2 entkoppeln wird. Andererseits verhindert die Durchlässigkeit der Bürsten bzw.
Bürstenhaare eine komplette Abdichtung, so dass noch ein Druckausgleich zwischen beiden Gebieten
gewährleistet wird und somit keine Resonanzen und tonalen Effekte angefacht werden können.
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Für den eingefahrenen Zustand des Vorflügels 1 an den Hauptflügel 2 im Reiseflug wird - wie vorher
angedeutet - die ein- oder (denkbar auch) mehrreihig nebeneinander in Vorflügel-Spannweite mit
seriell befestigten Bürstenhaaren 7 oder Bürstenhaarbüscheln [Bürstenhaarreihe(n)] ausgestattete
Trennfläche 6, die an dem in Vorflügel-Spannweite sich erstreckenden und ober- oder
unterkantenseitig des Vorflügels 1 und ein- oder ausgangs dessen konkaven Profilwölbung 3
beweglich veränderbaren Trägerelement befestigt ist, mittels einer einfachen Anlenkung des
Trägerelementes dem ausgefahrenen Vorflügel 1 nach innen geklappt und durch die Kraft der
Stellmotoren, die auch den Vorflügel 1 verfahren, in den Raum zwischen Vorflügel 1 und Hauptflügel
2 gedrückt, so dass sich das Trägerelement mit samt der Trennfläche 6 sich dem Innenbereich der
konkaven Profilwölbung 3 des vollständig eingefahrenen (bzw. an den Hauptflügel 2 angelenkten)
Vorflügels 1 sehr nahe liegen und anschmiegen wird. Gleichermaßen könnte vor dem beabsichtigten
Einfahren des Vorflügels 1 in dieser Situation das Trägerelement samt der aus Bürsten(reihen)
zusammengesetzten Trennfläche auch nach außerhalb dem Vorflügel 1 luftspaltentfernend (also
nach unterhalb der Unterkante 4 oder nach oberhalb der Oberkante 5 des Vorflügels 1) geklappt
werden, so dass sich die Bürstenhaare 7 im Endstadium an der Unter- oder Oberseite (an die
Flügeloberfläche) des Hauptflügels 2 anlegen.
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Der Fachmann wird resümieren, dass eine dermaßen am Vorflügel 1 beweglich veränderbar
befestigte Trennfläche (Bürstenkante mit seriell befestigten Bürstenhaaren 7) gegenüber einer starren
(dem Vorflügel 1 auslenkbaren) Trennfläche (gemäß den einleitenden Ausführungen) den Vorteil
aufweisen wird, dass sich die Bürstenhaare 7 den sich für verschiedene Fluganstellwinkel jeweils
ergebenden, unterschiedlichen Trennstromlinienkonturen unter der Wirkung des dynamischen
Strömungsdruckes von selbst anpassen. Weiterhin kann bei beweglicher Anlenkung der sogenannten
Bürstenkante an der unteren Vorflügelhinterkante der Vorflügel 1 in die Reisekonfiguration problemlos
eingefahren werden, da sich dann die Bürstenhaare 7 der konkaven Vorflügelrückseite anschmiegen
können. Im Hinblick auf die technische Umsetzbarkeit wird die vorgestellte Anordnung (nach den
Fig. 1 und 2) zur Minderung des aerodynamischen Lärms an einem Vorflügel 1 eines
Verkehrsflugzeuges damit wesentlich attraktiver als die Anwendung starrer Trennflächen sein.
Während diese Bürstenanordnung die Entstehung einer turbulenten, freien und damit instabilen
Strömungsscherschicht weitgehend verhindert und somit die ursächliche Lärmquelle im Sinne einer
Minderung beeinflusst, können derartige Bürstenkanten zur Lärmminderung auch an der oberen
Abströmkante des Vorflügels 1 angebracht werden. Eine solche Anordnung (nach den Fig. 3 und
4) zur Minderung des aerodynamischen Lärms an einem Vorflügel 1 eines Verkehrsflugzeuges
bewirkt eine Verminderung der Abstrahlung von Kantenlärm, der bekanntlich infolge des Abströmens
einer turbulenten Strömung über eine Flächenendkante entsteht. Eine Lärmminderung ergibt sich
dadurch, dass die Diskontinuität des Ausgleichs der turbulenten Oberflächen-Druckschwankungen an
der starren Kante infolge des endlichen Durchströmungswiderstandes der Bürstenkante ersetzt wird
durch einen allmählichen Ausgleich der turbulenten Wechseldrücke in Strömungsrichtung.
Bürstenkanten an der unteren und/oder der oberen Vorflügelhinterkante können - wie
vorgeschlagen - entweder jeweils allein oder auch in Kombination zur Lärmminderung herangezogen
werden.
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Die Lärmminderungswirkung der Einzelmaßnahmen wird sich bei kombiniertem Einsatz addieren, da
eine Bürste(nreihe) an der unteren Abströmkante die Quellgrößen vermindert, während die
Bürste(nreihe) an der oberen Abströmkante den Abstrahlmechanismus im Sinne einer
Lärmminderung maßgeblich beeinflusst.
Bezugszeichen
1 Vorflügel
2 Hauptflügel
3 Profilwölbung
4 Unterkante (untere Abströmkante des Vorflügels)
5 Oberkante (obere Abströmkante des Vorflügels)
6 Trennfläche
7 Bürstenhaare
8 Vorflügel-Außenbereich
9 Spaltbereich
10 Oberseite (oberer Außenbereich der Flügeloberfläche des Hauptflügels 2)
11 Unterseite (unterer Außenbereich der Flügeloberfläche des Hauptflügels 2)
12 gefangener Luftwirbel