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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einem System zum Beeinflussen des Giermoments und ein Verfahren zum Beeinflussen des Giermoments eines Flugzeugs.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Fluglage, d.h. die räumliche Ausrichtung eines Flugzeugs während des Flugs ist üblicherweise abhängig von mehreren Parametern wie der Fluggeschwindigkeit, der Flughöhe, der Anordnung von Leitwerken und der Stellung von Steuerflächen. Die Dimensionierung von Leitwerken und Steuerflächen erfolgt unter Berücksichtigung der gewünschten Flugleistungen, die weiterhin teilweise von Richtlinien, etwa der JAR und der FAR, abhängig sind. Beispielsweise unterliegt die Dimensionierung eines Seitenleitwerks eines Flugzeugs mit mehreren exzentrisch angeordneten Triebwerken dem Erfordernis, einen Triebwerksausfall und eine dadurch bedingte Schubasymmetrie ausgleichen zu können. Aufgrund der niedrigen Fluggeschwindigkeiten beim Start des Flugzeugs ist die für den Giermomentenausgleich notwendige Fläche des Seitenruders relativ groß, obwohl es für alle andere Flugphasen mit größeren Fluggeschwindigkeiten kleiner dimensioniert werden könnte. Folglich ist auch das Seitenleitwerk relativ groß und erzeugt während des gesamten Flugs einen entsprechend großen Strömungswiderstand.
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EP 10 26 565 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung eines Gierwinkels eines Flugzeugs.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es wäre wünschenswert, den Luftwiderstand eines Flugzeugs zur Verbesserung seiner Effizienz zu verringern. Gleichzeitig ist erforderlich, die Fluglagesteuerung des Flugzeugs stets in vollständigem Maße gewährleisten zu können. Es ist als eine Aufgabe anzusehen, ein Flugzeug vorzuschlagen, das dazu befähigt ist, eine Fluglage auch in einem Falle asymmetrischen Schubs aufgrund eines Triebwerksausfalls regeln zu können, obwohl das Seitenleitwerk und das Seitenruder eine reduzierte Größe aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Flugzeug mit einem System zum Beeinflussen des Giermoments vorgeschlagen, das System aufweisend ein Schuberzeugungsmittel, einen Energiespeicher, der mit dem Schuberzeugungsmittel zum Übertragen von Energie an das Schuberzeugungsmittel koppelbar ist und eine Auslöseeinrichtung. Die Auslöseeinrichtung ist dazu eingerichtet, auf Anforderung den Energiespeicher mit dem Schuberzeugungsmittel zumindest für einen vorbestimmten Zeitraum T zu koppeln. Das Schuberzeugungsmittel ist dazu eingerichtet, unter Aufnahme von Energie von dem Energiespeicher eine unabhängige Schubkraft mit einem Schubrichtungsvektor bereitzustellen, der einen Abstand zu einer Gierachse des Flugzeugs aufweist, um eine Schubasymmetrie des Flugzeugs zumindest zu reduzieren.
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Ein Kerngedanke des erfindungsgemäßen Flugzeugs liegt darin, bei einem durch einen Triebwerksausfall asymmetrisch bereitgestellten Restschub eines Flugzeugs durch ein Schuberzeugungsmittel zumindest temporär eine zusätzliche Schubkraft zu erzeugen, die aufgrund einer geeigneten Lage und Ausrichtung des zugehörigen Schubvektors und dessen Abstand zu der Gierachse des Flugzeugs zu einem Giermoment führen kann, das einer Schubasymmetrie entgegenwirkt. Die zusätzliche Schubkraft muss nicht in der gleichen Richtung wie der Restschub wirken, solange der Drehsinn um die Gierachse zu der Asymmetrie gegenläufig ist. Folglich ist eine vollständige Kompensierung der Asymmetrie ausschließlich durch das Seitenleitwerk und das Seitenruder zumindest für einen Zeitraum T nicht erforderlich, so dass die Dimensionierung daran anpassbar ist.
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Durch das Bereitstellen der zusätzlichen Schubkraft zum Kompensieren der Asymmetrie kann insbesondere beim Start des Flugzeugs trotz Ausfall eines Triebwerks eine kontinuierliche Beschleunigung erreicht werden, die zu einer höheren Geschwindigkeit des Flugzeugs, folglich einem größeren Staudruck an dem Seitenleitwerk und damit zu einer verbesserten Wirksamkeit des Seitenleitwerks und des Seitenruders führt. Befindet sich das Flugzeug etwa in einem Startvorgang, bei dem ein Triebwerk ausfällt, könnte bei temporärem Ausgleichen der Asymmetrie dennoch eine kontinuierliche Beschleunigung durchgeführt werden, die bei Erreichen einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit (vmin control) eine Rückkehr des Flugzeugs für eine Landung ermöglicht.
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Das Schuberzeugungsmittel kann beliebige Arten von Schuberzeugungsmitteln umfassen, die durch Aufnahme von Energie eine Schubkraft bereitstellen können. Bevorzugt ist, ein bereits vorhandenes Schuberzeugungsmittel des Flugzeugs zu verwenden, um den temporären Ausgleich des Giermoments zu schaffen.
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Der Energiespeicher kann weiterhin auf beliebige Art ausgeführt sein, solange eine ausreichende und für einen temporären Betrieb des Schuberzeugungsmittels genügende Energiemenge speicher- und auf Abruf wieder bereitstellbar ist. Die Art der gespeicherten Energie ist abhängig von der Art des Schuberzeugungsmittels oder die Art der Kopplung des Schuberzeugungsmittels und des Energiespeichers und kann dabei insbesondere kinetische, potentielle, chemische oder elektrische Energie beinhalten.
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Die Auslöseeinrichtung kann auf Anforderung durch einen Piloten oder basierend auf der Detektion eines vorbestimmten Betriebsfaktors eine Kopplung zwischen dem Schuberzeugungsmittel und dem Energiespeicher hervorrufen. Der Betriebsfaktor kann etwa das Drehzahlverhältnis der Triebwerke zueinander umfassen. Durch die Kopplung wird das Schuberzeugungsmittel in Betrieb genommen und erzeugt temporär einen zusätzlichen Schub, der zu einem Ausgleich oder einer Minderung der Asymmetrie führt.
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Folglich ist möglich, das Seitenleitwerk mit geringeren Dimensionen auszuführen, was zu einer deutlichen Senkung des aerodynamischen Widerstands des Flugzeugs führt. Die dadurch erzielte Senkung des Treibstoffverbrauchs sowie das geringere Eigengewicht des Seitenleitwerks führen zu einer äquivalenten Gewichtseinsparung, die das Eigengewicht der für das System notwendigen Komponenten deutlich überschreitet. Die Effizienz des Flugzeugs wird dadurch deutlich erhöht, ohne Einbußen bei der Sicherheit zu verursachen.
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Es ist bevorzugt, eine Luftfördereinrichtung eines Triebwerks des Flugzeugs als Schuberzeugungsmittel einzusetzen. Eine Luftfördereinrichtung ist von der Bauart des Triebwerks abhängig und könnte einen Propeller und einen oder mehrere Fans umfassen. Besonders bevorzugt ist das Triebwerk dazu eingerichtet, die Luftfördereinrichtung von den übrigen Komponenten des Triebwerks zu entkoppeln.
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Bei Rotation der Luftfördereinrichtung ist eine Mitschleppen von Triebwerkswellen, Turbinenstufen oder ähnlichen Komponenten nicht erforderlich, so dass die Energie aus dem Energiespeicher bevorzugt nur für den Antrieb der Luftfördereinrichtung verwendet wird, was die Effizienz des Systems erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Energiespeicher eine Schwungradeinrichtung mit einem drehbar gelagerten Schwungrad auf. Die Schwungradeinrichtung kann über eine lösbare Kupplung mit einem Fan eines Turboluftstrahltriebwerks, einer anderen Luftfördereinrichtung oder einem gänzlich anderen Schuberzeugungsmittel verbunden sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Flugzeug mehrere Turboluftstrahltriebwerke auf, die jeweils mit einer Schwungradeinrichtung ausgestattet sind, so dass jeder Triebwerksausfall berücksichtigt werden kann. Der Fan des Turboluftstrahltriebwerks kann durch Kopplung mit der Schwungradeinrichtung rotiert werden, um nach Art eines Impellers eine Schubkraft bereitzustellen. Die Schwungradeinrichtung weist hierfür ein Schwungrad auf, das durch Rotation kinetische Energie aufnehmen und, bei geeigneter Lagerung, durch Beibehaltung der Rotation speichern kann. Die Abgabe der kinetischen Energie erfolgt durch mechanische Verbindung des Schwungrades mit dem Schuberzeugungsmittel. Zur Minimierung des notwendigen Außendurchmessers des verwendeten Schwungrades ist es vorteilhaft, ein besonders hohes Drehzahlniveau zu realisieren. Aufgrund des großen Durchmessers des Fans eines Turboluftstrahltriebwerks und der damit verbundenen Massenträgheit ist weiterhin die Verwendung eines Untersetzungsgetriebes zum Antreiben des Schuberzeugungsmittels bevorzugt.
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Bevorzugt weist das System eine mechanische Kopplungseinheit zum Koppeln der Schwungradeinheit und des Schuberzeugungsmittels auf. Es bieten sich alle bekannten Formen für mechanische Kopplungseinheiten an, die eine lösbare Verbindung zwischen zwei rotierenden oder rotatorisch antreibbaren Komponenten herstellen können. Ein Aktuator zum Herstellen und Lösen der Verbindung kann in die Kopplungseinheit bzw. Kupplung integriert sein, um eine einfache Ansteuerung von außen zu gewährleisten. Durch die Verbindbarkeit des Schuberzeugungsmittels und der Schwungradeinheit kann vor dem Start des Flugzeugs durch einen regulären Betrieb des Schuberzeugungsmittels eine Übertragung von kinetischer Energie an die Schwungradeinheit zum Aufladen erreicht werden.
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Die mechanische Kopplungseinheit kann dazu eingerichtet sein, kontinuierlich einen Schlupf zwischen dem Schuberzeugungsmittel und der Schwungradeinheit zuzulassen. Zum Aufladen einer Schwungradeinrichtung ist die Rotation eines in der Schwungradeinrichtung enthaltenen Schwungrads erforderlich. Ist die Schwungradeinrichtung an einem Triebwerk angeordnet, wäre es wünschenswert, ausreichend Schlupf zuzulassen, um eine mit einem Triebwerk verbundene Welle nicht übermäßig zu beanspruchen, der Trägheit der Schwungradeinrichtung Rechnung zu tragen und die Belastung des antreibenden Triebwerks zu reduzieren. Beispielsweise wäre hierfür die Integration eines Wandlergetriebes vorteilhaft.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann das System einen mit der Schwungradeinheit verbindbaren Elektromotor zum Übertragen von kinetischer Energie an die Schwungradeinheit aufweisen. Der Elektromotor könnte als bürstenloser Gleichstrommotor oder als Wechselstrom aufnehmender Asynchronmotor ausgeführt sein, die betriebsbedingt stets einen Schlupf zulassen.
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Der Energiespeicher kann weiterhin als ein Speicher für elektrische Energie realisiert sein, wobei das Schuberzeugungsmittel einen Elektromotor aufweist, der durch Aufnahme von elektrischer Energie eine Schubkraft erzeugt bzw. eine Rotation einer Luftfördereinrichtung durchführt. Ein Speicher für elektrische Energie kann eine Einrichtung umfassen, die eine begrenzte Menge an elektrischer Energie speichern und in einem möglichst begrenzten Zeitraum wieder vollständig und verlustarm abgeben kann, insbesondere bei einer hohen elektrischen Leistung. Geeignete Energiespeicher könnten insbesondere Kondensatoren bzw. Superkondensatoren umfassen, aber auch in Form gewöhnlicher wiederaufladbarer Akkumulatoren realisiert sein.
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Das Schuberzeugungsmittel kann als eine Luftfördereinrichtung realisiert sein, die in einem von der Gierachse des Flugzeugs entlang dessen Längsache beabstandeten Position des Flugzeugs angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, eine Schubkraft bereitzustellen, dessen Schubvektor zumindest teilweise parallel zu einer Querachse des Flugzeugs verläuft. Der Ausdruck „teilweise parallel“ ist derart zu verstehen, dass eine substantielle Komponente des Schubvektors parallel zu der Querachse verläuft. Das Schuberzeugungsmittel stellt somit bedarfsweise eine Querkraft bereit, die aufgrund des Abstands zu der Gierachse zu einem Ausgleich des Giermoments führt. Abhängig von der Asymmetrie wird die Schubrichtung des Schuberzeugungsmittels eingestellt. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass der wirksame Hebelarm des Schuberzeugungsmittels als Abstand des Schubvektors zu der Gierachse deutlich größer sein kann, als bei der Verwendung von Luftfördereinrichtungen der Triebwerke. Damit kann die für die Funktion des Systems notwendige Energiemenge kleiner sein, was zu einem geringeren Gewicht führt. Desweiteren ist nur ein Schuberzeugungsmittel notwendig, da die Richtung des Schubvektors wählbar ist.
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Das Schuberzeugungsmittel kann in einem Heck des Flugzeugs in Form eines Impellers bzw. umfangsseitig gekapselten Mantelpropellers angeordnet sein, etwa unmittelbar neben, an, unter, vor, hinter oder in einem Seitenleitwerk. Durch einen möglichen großen Hebelarm zu der Gierachse kann mit einer relativ geringen Kraft ein relativ großes, ausgleichendes Giermoment erzeugt werden.
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Zum Betreiben des Schuberzeugungsmittels bietet es sich an, einen Elektromotor, etwa einen elektrischen Nabenmotor, einzusetzen, dessen Drehrichtung bedarfsweise durch eine elektrische Steuerung einstellbar ist. Denkbar wäre auch die Einstellung der Blattwinkel des Impellers zur Drehrichtungsumkehr oder die Verwendung eines drehrichtungsändernden Getriebes. Der Energiespeicher wäre in diesem Falle demnach ein elektrischer Energiespeicher.
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Alternativ wäre denkbar, den Energiespeicher bei Verwendung eines Impellers auch als eine Schwungradeinheit zu realisieren, die über eine Wellenverbindung mit dem Schuberzeugungsmittel verbindbar ist. Die Schwungradeinheit erfordert dabei ein Umlenkgetriebe, das neben einem eventuell notwendigen Untersetzungsgetriebe weiterhin die Drehrichtung umschaltbar machen könnte. Die Änderung der Blattwinkels wäre allerdings ebenfalls eine Alternative. Die Schwungradeinheit kann sich außerhalb des Umfangs des Schuberzeugungsmittels befinden und eine Rotation um eine Achse durchführen, die bevorzugt in der x-z-Ebene des Flugzeugs liegt. Da das Schuberzeugungsmittel eine Rotation bevorzugt senkrecht zu der x-z-Ebene durchführt, ist ein entsprechendes Umlenkgetriebe notwendig, das etwa direkt an einer Nabe des Schuberzeugungsmittels angeordnet ist. Zwischen der Schwungradeinheit und dem Umlenkgetriebe kann sich eine Welle erstrecken, welche über eine bevorzugt lösbare Kupplung mit der Schwungradeinheit verbunden ist. Die Auslöseeinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, bedarfsweise eine Umschaltung der Drehrichtung durchzuführen oder diese zu initiieren. Zum Aufladen der Schwungradeinheit zum Speichern kinetischer Energie kann ein darin integrierter Elektromotor geeignet sein, durch Aufnahme elektrischer Energie aus einem Bordsystem des Flugzeugs vor einer Startphase eine Rotation des Schwungrads in der Schwungradeinheit durchzuführen. Alternativ oder zusätzlich ist möglich, über eine lösbare mechanische Kupplung und eine sich daran anschließende Welle eine Verbindung zu einem Hilfstriebwerk herzustellen, das sich oftmals in einem Heckbereich des Flugzeugs befindet und üblicherweise vor dem Start des Flugzeugs betrieben wird.
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Die Auslöseeinrichtung kann dazu eingerichtet sein, einen asymmetrischen Schubzustand zu erfassen und bei Überschreiten eines vorbestimmten Asymmetriegrades eine Rotation des Schuberzeugungsmittels unter Aufnahme von Energie aus dem Energiespeicher zu initiieren. Die Erfassung kann etwa durch Empfangen eines entsprechenden Signals eines Bordrechner des Flugzeugs erfolgen, der Kenntnis über einen Ausfall eines Triebwerks hat. Das Erfassen kann weiterhin die Auswertung von Drehzahlsignalen der Triebwerke umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auslöseeinrichtung ein Signal von einem Piloten empfangen, der einen temporären Ausgleich des Giermoments bei Triebwerksausfall anfordert.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beeinflussen des Giermoments eines Flugzeugs mit den Merkmalen des weiteren unabhängigen Anspruchs und der nachfolgenden Beschreibung.
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Das Verfahren weist die Schritte des Erfassens eines asymmetrischen Flugzustands, des Übertragens von Energie von einem Energiespeicher an ein Schuberzeugungsmittel und des kontinuierlichen Erzeugens von Schub durch das Schuberzeugungsmittel mit einem Schubrichtungsvektor auf, der einen Abstand zu der Gierachse des Flugzeugs aufweist, zumindest für einen vorbestimmten Zeitraum T unter Aufnahme von Energie aus dem Energiespeicher. Die temporäre Erzeugung von Schub kann bei einem Triebwerksausfall bei niedriger Geschwindigkeit zumindest teilweise den Giermomentenhaushalt ausgleichen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Schub durch das Schuberzeugungsmittel nur dann erzeugt, wenn die Geschwindigkeit des Flugzeugs unterhalb einer vorbestimmten Mindestgeschwindigkeit liegt. Diese kann etwa der in Richtlinien vorgegebenen Geschwindigkeit vmin control entsprechen, welche beispielsweise der 1,2-fachen Stall-Geschwindigkeit entspricht. Die Erfassung der Geschwindigkeit kann durch Erfassung eines zentral in einem Luftdatensystem vorgehaltenen Wertes der Fluggeschwindigkeit erfolgen, alternativ oder zusätzlich auch durch einen separaten, dem System zugehörigen Sensor.
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Vorteilhaft weist das erfindungsgemäße Verfahren auch das Aufladen des Energiespeichers vor dem Flug des Flugzeugs auf. Damit ist der Energiespeicher für den unwahrscheinlichen Einsatzzweck vorbereitet.
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Besonders bevorzugt weist das Verfahren das erneute Aufladen des Energiespeichers nach Entladung des Energiespeichers bzw. nach Beendigung der Erzeugung einer Schubkraft durch das Schuberzeugungsmittel auf. Damit wird der Einsatzfall berücksichtigt, dass bei zusätzlicher Schuberzeugung das Flugzeug eine Geschwindigkeit aufweist, die eine Landung ermöglicht. Zur Landung ist eine Senkung der Geschwindigkeit notwendig, was dann wiederum die Asymmetrie durch ein Seitenleitwerk mit reduzierten Abmessungen nicht vollständig kompensieren lässt. Hierzu wäre es erneut notwendig, eine zusätzliche Schubkraft zu erzeugen, die den Giermomenten-Haushalt ausgleicht. Dazu muss der Energiespeicher wieder aufgeladen sein.
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Das Aufladen des Energiespeichers kann das Verbinden einer Schwungradeinrichtung mit einer Antriebseinheit über eine Kupplung umfassen, vorzugsweise für eine Dauer, bis die Schwungradeinrichtung eine Auslegungsdrehzahl erreicht. Die Antriebseinheit kann, wie vorangehend dargelegt, ein Triebwerk oder ein Elektromotor sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1a bis 1c zeigen ein Flugzeug mit einem System zum Beeinflussen des Giermoments, bei dem Schuberzeugungsmittel in Haupttriebwerke integriert sind.
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2a bis 2d zeigen ein Flugzeug mit einem System zum Beeinflussen des Giermoments, bei dem ein Schuberzeugungsmittel separat von den Haupttriebwerken ausgeführt ist.
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3 zeigt ein Verfahren zum Beeinflussen des Giermoments eines Flugzeugs in einer schematischen, blockbasierten Darstellung.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1a zeigt ein Flugzeug 2 mit einem System 4 zum Beeinflussen des Giermoments um eine Gierachse 1 in einer ersten, einfachen Ausführung. Das Flugzeug 2 weist exemplarisch zwei Turboluftstrahltriebwerke 6 auf, die jeweils mit einem Fan 8 zum Erzeugen eines Mantelstroms ausgestattet sind. Die Triebwerke 6 sind außermittig und zu einer Längsachse des Flugzeugs 2 symmetrisch an der Unterseite des Tragflügels 10 angeordnet und liefern eine Schubkraft in x-Richtung parallel zu der Längsachse, wenn beide Triebwerke 6 in Betrieb sind. Das System 4 weist ferner für jeden Fan 8 einen Energiespeicher 12 auf, der über eine Kopplungseinheit 14 mit dem jeweiligen Fan 8 verbindbar ist, sowie eine Auslöseeinrichtung 16, die mit den beiden Kopplungseinheiten 14 verbunden ist. Die Energiespeicher 12 sind dazu eingerichtet, eine begrenzte Energiemenge zu speichern und über die Kopplungseinheit 14 an den jeweiligen Fan 8 abzugeben, um ihn als Schuberzeugungsmittel anzutreiben. Der Begriff „Fan“ und „Schuberzeugungsmittel“ sind für dieses Ausführungsbeispiel daher als Synonyme zu betrachten. Folglich kann bei Verbindung des Energiespeichers 12 über die Kopplungseinheit 14 eine Schubkraft bereitgestellt werden, deren Dauer von der Größe des Energiespeichers 12 abhängt.
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Durch die Kopplung des Energiespeichers 12 über die Kopplungseinheit 14 wird folglich eine Rotation des jeweiligen Fans 8 durchgeführt, wobei die Kopplung über die Auslöseeinrichtung 16 steuerbar ist, welche ein Auslösesignal von einer Steuereinheit 18 erhalten kann. Die Steuereinheit 18 kann dabei sowohl ein Bordrechner als auch eine Bedieneinheit sein, die von einer Person bedient wird. Das System 4 ist dazu in der Lage, bei Ausfall eines der Triebwerke 6 und einem daraus resultierenden, asymmetrischen schubinduzierten Giermoment um die Gierachse 1 kurzzeitig eine Schubunterstützung zu liefern, die ein zusätzliches Giermoment in anderer Drehrichtung erzeugt, das dem asymmetrisch wirkenden Giermoment bei einem Triebwerksausfall entgegenwirkt. Der Giermomentenhaushalt des Flugzeugs 2 kann damit zumindest teilweise ausgeglichen werden, ohne dass ein Seitenleitwerk 20 des Flugzeugs 2 übermäßig groß dimensioniert oder ein Seitenruder 22 vollständig ausgelenkt sein muss.
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Da das System 4 in der gezeigten Variante mit den Fans 8 der Triebwerke gekoppelt ist, wird neben der Erzeugung eines der Asymmetrie entgegenwirkenden Giermoments der Schubverlust durch einen Triebwerksausfall reduziert. Insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, bei denen das Seitenleitwerk 20 nur einem niedrigen Staudruck ausgesetzt ist und daher eine geringe Wirksamkeit aufweist, ist diese Schubunterstützung sinnvoll. Besonders bei einem Triebwerksausfall während des Starts des Flugzeugs 2 sollte dieses dennoch relativ zügig auf eine Mindestgeschwindigkeit vmin control beschleunigen können, die eine sichere Rückkehr zum Flughafen erlaubt.
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In 1a ist der der Ausfall des rechten Triebwerks 6 dargestellt, bei dem das linke Triebwerk 6 eine volle Schubkraft (gekennzeichnet durch einen größeren Schubpfeil) liefert, während das System 4 durch Anforderung von einer Steuereinheit 18 aus die Auslöseeinrichtung 16 veranlasst, eine Kopplung des Energiespeichers 12 über die Kopplungseinheit 14 mit dem Fan 8 durchzuführen. Folglich wird durch Rotation des Fans 8 kurzzeitig eine zusätzliche Schubkraft als „Boost“ bereitgestellt. Um eine effiziente, gewichtssparende und dennoch hochwirksame Gestaltung des Systems 4 zu schaffen, kann der Energiespeicher 12 derart dimensioniert werden, dass zwar nicht die volle, ursprünglich erreichte Schubkraft des ausgefallenen Triebwerks generiert wird, dennoch ein Ausgleichen des Giermomentenhaushalts bei ausgeschwenktem Seitenruder 22 eines kleiner als gewöhnlich dimensionierten Seitenleitwerks 20 ausreicht und innerhalb einer vorgegebenen Startbahnlänge die vorgeschriebene Grenzgeschwindigkeit erreicht wird.
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Der Energiespeicher 12 kann auf verschiedene Arten realisiert sein. 1b stellt exemplarisch einen Energiespeicher 12’ in Form einer Schwungradeinrichtung mit einem Schwungrad 24 und einem Untersetzungsgetriebe 26 dar, die bei Bedarf über eine Kupplung 14‘ als Kopplungseinheit mit dem Schuberzeugungsmittel 8 verbindbar ist. Die Kupplung 14‘ ist eine mechanische Kupplung, die rotatorische Leistung zwischen der Schwungradeinrichtung 12‘ und dem Schuberzeugungsmittel überträgt. Nach Starten der Triebwerke 6 kann durch Rotation des Fans 8 über die Kupplung 14’ die Schwungradeinrichtung 12’ angetrieben werden, so dass das Schwungrad 24 eine vorbestimmte Drehzahl erreicht, die für eine gespeicherte kinetische Energie steht. Sobald die Drehzahl erreicht ist, kann die Kupplung 14’ gelöst werden und das System 4 ist einsatzbereit. Alternativ kann auch ein Elektromotor 13 eingesetzt werden, der mit dem Schwungrad 24 bevorzugt über eine lösbare Kupplung, einen Freilauf oder ähnliche Einrichtungen verbindbar ist, so dass eine Kopplung mit einem Triebwerk 6 nicht unbedingt notwendig ist.
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Die Kupplung 14’ kann ein Wandlergetriebe umfassen, so dass insbesondere zum Antreiben eines größeren Fans 8 durch ein Schwungrad 24 eine kontinuierliche Anpassung des abgegebenen Drehmoments unter stetiger Erhöhung oder Beibehaltung der Drehzahl erfolgt. Der dabei erreichte Schlupf erlaubt, die Haltbarkeit der Verbindungswellen zwischen dem Schwungrad 24 und dem Fan 8 zu verbessern. Es wäre weiterhin auch denkbar, eine einfache mechanische Kupplung mit zwei diskreten Schaltzuständen, zum Beispiel in Form einer Lamellen- oder Scheibenkupplung zu verwenden, die einen gewissen Schlupf für eine kurze zeitliche Dauer erlaubt, die gewünschte Drehzahl während des Einsatzes des Systems 4 jedoch relativ schnell erreicht und für die vorbestimmte Zeitdauer aufrechterhalten werden kann. Das Speichern kinetischer Energie durch eine Schwungradeinheit 12‘ bietet sich an, da kinetische Energie zur Speicherung nicht in andere Energieformen umgewandelt werden muss, sondern direkt weiterverwendbar ist, was eine hohe Effizienz gewährleistet.
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Bei der Verwendung einer Schwungradeinheit 12‘ zum Antreiben eines Fans 8 wären mehrere Betriebsoptionen denkbar. Zum Einen könnte, wie vorangehend erwähnt, die Schwungradeinheit 12‘ derart dimensioniert sein, dass durch den Betrieb des Fans 8 die volle Schubkraft des ausgefallenen Triebwerks 6 bereitgestellt wird. Für ein zweistrahliges Mittelstreckenflugzeug könnte eine Energie von 250 MJ notwendig sein, um bei einem Start des Flugzeugs mit ausgefallenem Triebwerk 6 zum Erreichen einer Mindestgeschwindigkeit den notwendigen zusätzlichen Schub zu liefern. Das Gewicht der zwei installierten Schwungradeinheiten 12‘ könnte in einem Bereich um 500kg liegen, um die das Gewicht des Flugzeugs 2 folglich steigt. Durch den höheren Schub wird die Mindestgeschwindigkeit jedoch schneller erreicht. Dies reduziert auch die in den Schwungradeinheiten 12‘ zu speichernde Energiemenge. Das Seitenleitwerk kann durch die geringeren Anforderungen kleiner dimensioniert werden, was nicht nur dessen Gewicht reduziert und damit das zusätzliche Gewicht der Schwungradeinheiten 12‘ teilweise wieder ausgleicht, sondern auch zu einem geringeren aerodynamischen Strömungswiderstand führt. Dieser bewirkt einen gewichtsäquivalenten Vorteil, der den gesamten Zuwachs an Gewicht des Flugzeugs 2 mehr als ausgleicht.
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Zum Anderen kann auch eine geringere Schubkraft durch den Fan 8 erzeugt werden, beispielsweise 50% des ursprünglichen Schubs des ausgefallenen Triebwerks 6. Damit sinkt die zu speichernde Energiemenge und damit das zusätzliche Gewicht der Schwungradeinheiten 12’ auf ungefähr die Hälfte. Durch Änderung der Dimensionierung des Seitenleitwerks 20 kann das zusätzliche Gewicht weiter reduziert werden. Auch hier ist durch die Reduktion der Größe des Seitenleitwerks 20 ein gewichtsäquivalenter Vorteil zu erwarten, der das zusätzliche Gewicht deutlich übersteigt. Auch hier wird die Mindestgeschwindigkeit schneller erreicht und somit die nötige Energiemenge verringert.
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Eine mechanisch einfachere Lösung zeigt 1c, bei der eine Motor-Generator-Einheit 14’’ als Kopplungseinheit 14 verwendet wird, die in modernen Triebwerken 6 zur Erzeugung elektrischer Leistung zur Versorgung elektrischer Verbraucher oder zum Starten von Triebwerken 6 durch Aufnahme elektrischer Leistung bereits vorhanden sein kann. Während des Betriebs des Triebwerks 6 wird demzufolge elektrische Energie bereitgestellt, die in einem elektrischen Energiespeicher 12’’ gespeichert wird. Auf Anforderung kann bei Ausfall des betreffenden Triebwerks 6 die Motor-Generator-Einheit 14’’ durch Aufnahme der Energie aus dem Energiespeicher 12’’ zum Rotieren des Fans 8 eingesetzt werden. Bei geeigneter Wahl der Motor-Generator-Einheit 14’’ kann ein ausgewogenes Verhältnis von Drehzahl und Drehmoment realisiert werden, durch den ein materialschonender Antrieb erreicht wird. Der Energiespeicher 12’’ kann sowohl in Form eines Akkumulators bzw. einer aufladbaren Batterie oder eines Kondensators mit einer sehr hohen Kapazität, einem sogenannten Superkondensator, ausgeführt sein.
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Generell ist bei den Ausführungsbeispielen aus den 1a, 1b und 1c zu beachten, dass der Fan 8 üblicherweise über eine feste Wellenverbindung mit anderen Einrichtungen des Triebwerks 6 und insbesondere Turbinenstufen und Verdichterstufen verbunden ist. Zur Reduktion der in den Energiespeichern 12 zu speichernden Energie, zum Schutz des Triebwerks und zur Berücksichtigung etwaiger Klemmfälle innerhalb des Triebwerks kann eine Vorrichtung vorgesehen werden, die eine gezielte Rotation ausschließlich des Fans 8 eines Triebwerks 6 ermöglicht. Ist die Kopplungseinheit 14 etwa direkt mit dem Fan 8 und nicht mit einer Triebwerkswelle verbunden, kann der Fan 8 durch eine geeignete Kupplung und insbesondere einen Freilauf von den restlichen Einheiten getrennt werden. Eine Verbindung zwischen einer Kopplungseinheit 14 und einem Fan 8 könnte umfangsseitig über einen Zahnkranz und ein darin eingreifendes Ritzel oder durch einen Reibschluss erfolgen. Alternativ dazu wäre denkbar, den Energiespeicher 12 derart zu dimensionieren, dass die gespeicherte Energie ausreicht, um die Rotation des gesamten Triebwerks 6 für die vorbestimmte Zeitdauer zu erlauben.
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Die Auslöseeinrichtung 16 ist dazu eingerichtet, aus einem entsprechenden Signal, das aus einer Schalterstellung oder einem Signal aus einem Bordrechner oder einer Steuereinheit herrührt, die Kopplungseinheit 14 mit dem Fan 8 zu koppeln. Ist der Energiespeicher 12 als mechanischer Energiespeicher ausgeführt, kann die Auslöseeinrichtung 16 ein Steuerungssignal ausgeben, das eine mechanische, elektrisch betreibbare Kopplungseinheit ansteuert oder alternativ dazu einen elektrischen oder hydraulischen Aktuator aufweisen kann, der die Kopplungseinheit 14‘ aktiviert. Ist die Speichereinheit 12 eine elektrische Speichereinheit, kann die Auslöseeinrichtung 16 eine Leistungselektronik sein, die beim Empfangen eines entsprechenden Signals eine Inbetriebnahme eines Motors oder einer Motor-Generator-Einheit als Kopplungseinheit 14‘‘ durchführt.
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2a zeigt ein Flugzeug 28, welches ebenfalls mit zwei Triebwerken 6 ausgestattet ist. Der Übersichtlichkeit halber werden die Auslöseeinrichtung 16 und die Bedieneinheit 18 nicht explizit dargestellt. Diese können wie in 1a ausgeführt und mit der Kopplungseinheit 14 verbunden sein.
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Exemplarisch ist auch hier das rechte der beiden Triebwerke 6 ausgefallen, so dass das Flugzeug 28 nur einen asymmetrischen Schub ausschließlich von dem linken Triebwerk 6 erfährt. Zum Ausgleichen der Asymmetrie dient neben dem Seitenleitwerk 20 und dem Seitenruder 22 ein Schuberzeugungsmittel 30, das sich in diesem Ausführungsbeispiel in einem Heckbereich des Flugzeugs 28 und exemplarisch in einem Heckkonus befindet. Das Schuberzeugungsmittel 30 ist dazu eingerichtet, einen Schub im Wesentlichen parallel zu der y-Achse des Flugzeugs 28 bereitzustellen. Aufgrund des relativ großen Abstandes von der Gierachse 1 kann auch mit einer relativ geringen Schubkraft ein besonders hohes Giermoment erzeugt werden, das dem asymmetrischen Giermoment entgegenwirkt.
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Nach 2b ist das Schuberzeugungsmittel 30 beispielhaft ein Impeller 30‘, der über ein Umlenkgetriebe 34 in einer Impellernabe 32 antreibbar ist, welches über eine Welle 35 mit einer Kopplungseinheit 14‘ verbunden ist. Diese ist in Form einer mechanischen Kupplung ausführbar, die eine Rotation eines in Form einer Schwungradeinheit 12‘ ausgeführten Energiespeichers an den Impeller 30‘ überträgt. Zur Gewährleistung der korrekten Schubrichtung kann der Impeller 30‘ dazu eingerichtet sein, Blattwinkelrichtungen zu ändern, alternativ dazu kann die Kopplungseinheit 14‘ auch dazu eingerichtet sein, die Drehrichtung durch ein integriertes Umschaltgetriebe zu wechseln.
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Gemäß 2c ist das Schuberzeugungsmittel 30 ebenfalls als Impeller 30’‘ ausgeführt, der einen Elektromotor 14‘‘ als Kopplungseinheit aufweist, die beispielsweise in einer Impellernabe 32 angeordnet und elektrisch betreibbar ist. Die damit verbindbare Auslöseeinrichtung kann wie für 1c ebenfalls eine Leistungselektronik sein. Ein Energiespeicher 12‘‘ könnte demnach ebenso wie in 1c als elektrischer Energiespeicher ausgeführt sein. Abhängig von der Richtung der Asymmetrie des Giermoments kann der Elektromotor 14’’ durch Umpolung oder der Impeller 30‘‘ durch Ändern des Blattwinkels eine Richtungsumkehr schaffen.
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In einer gänzlich anderen Alternative gemäß 2d ist das Schuberzeugungsmittel 30 ein Hilfstriebwerk 30‘‘‘ realisiert, das über eine Kopplungseinheit 14‘‘‘ zur Treibstoffzufuhr mit einem Energiespeicher 12‘‘‘ in Form eines Treibstoffreservoirs verbunden ist. Die Kopplungseinheit 14‘‘‘ kann gleichzeitig dazu eingerichtet sein, durch eine nicht im Detail gezeigte Klappensteuerung einen Abgasstrahl des Hilfstriebwerks 30‘‘‘ zum Erzeugen von Schub entsprechend in die gewünschte Richtung umzulenken.
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3 zeigt den wesentlichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen, blockbasierten Darstellung. Kern des Verfahrens liegt in dem Übertragen 36 von Energie von einem Energiespeicher über eine Kopplungseinheit auf Anforderung einer Auslöseeinrichtung an eine Schuberzeugungsmittel. Folglich wird kontinuierlich Schub durch das Schuberzeugungsmittel erzeugt 38. Das Übertragen von Energie ist nicht als diskreter, einmaliger Schritt zu bezeichnen, sondern ebenso als kontinuierlicher Vorgang wie das Erzeugen von Schub. Dem voraus geht ein Aufladen 40 des Energiespeichers, um für einen Zeitraum T einen Betrieb des Schuberzeugungsmittel unabhängig von anderen Einrichtungen des Flugzeugs zu erlauben. Da nach Durchführung des Verfahrens eine Landung zur Inspektion des ausgefallenen Triebwerks zweckmäßig ist, sollte nach Entladung des Energiespeichers ein erneutes Aufladen 42 erfolgen, so dass bei Verringerung der Geschwindigkeit beim Landeanflug die schwächere Wirksamkeit des Seitenleitwerks erneut durch das Schuberzeugungsmittel zumindest teilweise kompensiert werden kann.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein“ oder „einer“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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