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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochauftriebsvorrichtung, einen Flügel mit einem festen Flügelkörper und einer solchen Hochauftriebsvorrichtung sowie auf ein Flugzeug.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Viele große Flugzeuge, wie Verkehrs-, Transport- oder Militärflugzeuge, verfügen über Hochauftriebsvorrichtungen, die durch Erhöhung des Auftriebskoeffizienten der Flügel die Landung und den Start ermöglichen oder erleichtern. Zu den Hochauftriebsvorrichtungen können Hinterkantenvorrichtungen und Vorderkantenvorrichtungen gehören, die aus einer vollständig eingefahrenen Position in eine oder mehrere ausgefahrene Positionen bewegt werden können.
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Um die Effizienz eines Flugzeugs zu verbessern, sollte der Luftwiderstand so weit wie möglich reduziert werden. Es existieren Laminarströmungskonzepte, bei denen die Abschirmung einer Vorderkante eines Hauptflügels als vorteilhaft angesehen wird, um die Kontamination der Vorderkante mit Insekten und Staub zu reduzieren. Es existieren jedoch Vorrichtungen an der Vorderkante, die zumindest in einem Teil ihrer Bewegung eine turbulente Strömung erzeugen. Zum Beispiel sind Krüger-Vorflügel so konstruiert, dass sie sich von einer eingefahrenen Position unter dem Flügel in eine ausgefahrene Position vor dem Flügel bewegen, wobei der Vorflügel eine deutliche translatorische und rotatorische Bewegung entgegen der allgemeinen Strömungsrichtung ausführt. Die Zwischenstellungen können das Strömungsverhalten merklich beeinflussen. Während eine Krüger-Klappe deutliche Vorteile hinsichtlich der hohen Auftriebseigenschaften in einer ausgefahrenen Position hat, könnte der Übergang zwischen einer eingefahrenen und der ausgefahrenen Position verbessert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Folglich ist es Aufgabe der Erfindung, eine alternative Hochauftriebsvorrichtung für ein Flugzeug vorzuschlagen, die vorzugsweise an der Unterseite des Flügels untergebracht ist, aber ein deutlich verbessertes aerodynamisches Verhalten bei einer Ausfahrbewegung aufweist.
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Die Aufgabe wird durch eine Hochauftriebsvorrichtung für ein Flugzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar.
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Es wird eine Hochauftriebsvorrichtung vorgeschlagen, aufweisend mindestens einen Strömungskörper mit einer Vorderkante und einer Hinterkante und mindestens ein Antriebssystem mit einem Schwenkhebel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einem ersten Drehantrieb mit einer ersten Drehachse und einem zweiten Drehantrieb mit einer zweiten Drehachse, wobei das erste Ende des Schwenkhebels mit dem ersten Drehantrieb gekoppelt ist, wobei das zweite Ende des Schwenkhebels mit dem zweiten Drehantrieb gekoppelt ist, wobei der Strömungskörper mit dem zweiten Drehantrieb gekoppelt ist, um durch das Antriebssystem gehalten zu werden, wobei der erste Drehantrieb fest an einer festen Vorderkante eines Flügels eines Flugzeugs anbringbar ist, und wobei die Drehantriebe und der Schwenkhebel dazu ausgebildet sind, das zweite Ende des Schwenkhebels um die erste Drehachse zu schwenken und eine Orientierung des Strömungskörpers um die zweite Drehachse relativ zum zweiten Ende unabhängig voneinander einzustellen.
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Der mindestens eine Strömungskörper kann ein einzelner Strömungskörper, eine Vielzahl oder Kaskaden von Strömungskörpern sein. Im Folgenden schließt der Begriff „Strömungskörper“ eine Vielzahl von Strömungskörpern nicht aus.
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Der Strömungskörper kann eine längliche Form mit einem Querschnittsprofil haben, das an die gegebenen Anforderungen der jeweiligen Hochauftriebsvorrichtung angepasst ist. Er kann zum Beispiel eine stromlinienförmige Form aufweisen. Mindestens eine Haut erstreckt sich zwischen der Vorderkante und der Hinterkante. Es kann z.B. eine einzige Haut sein, die einen gekrümmten Vorderkantenbereich und eine scharfe Hinterkante aufweist. Es können jedoch auch mehrere Häute verwendet werden, die aneinander befestigt sind und ein geschlossenes oder offenes Querschnittsprofil aufweisen. Vorzugsweise besitzt der Strömungskörper ein geschlossenes Querschnittsprofil.
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Der Strömungskörper wird durch das mindestens eine Antriebssystem relativ zu einer festen Vorderkante eines Flugzeugflügels bewegt. Vorzugsweise werden zwei dieser Antriebssysteme verwendet, die mit zwei Befestigungspunkten gekoppelt sein können, die in Spannweitenrichtung des Strömungskörpers voneinander beabstandet sind.
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Das mindestens eine Antriebssystem weist drei Hauptkomponenten auf, die für die gewünschte Bewegung des Strömungskörpers sorgen. Der erste Drehantrieb ist fest an einer festen Vorderkante eines Flügels anbringbar, um eine Drehung einer ersten Welle um einen strukturell festen Punkt des ersten Drehantriebs bzw. des Flügels zu bewirken. Der Schwenkhebel ist direkt oder indirekt an der ersten Welle befestigt, sodass durch Betätigung des ersten Drehantriebs der Schwenkhebel so bewegt wird, dass er über eine kreisförmige Fläche streicht. Dabei bewegt sich das zweite Ende des Schwenkhebels auf einer kreisförmigen oder gekrümmten Bahn, die durch eine erste Drehachse definiert ist. Die Bahn kann gekrümmt sein, wenn der Schwenkhebel oder eine andere Komponente zwischen dem Strömungskörper und einer Struktur, an der der erste Drehantrieb angebracht ist, ebenfalls eine zusätzliche translatorische Bewegung ausführt.
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Der zweite Drehantrieb wiederum ist mit dem zweiten Ende des ersten Drehantriebs gekoppelt, sodass sich der zweite Drehantrieb bei Betätigung des ersten Drehantriebs auf der Kreis- oder Kurvenbahn bewegt. Somit wird die Position des zweiten Drehantriebs und damit einer zweiten Drehachse durch den ersten Drehantrieb bestimmt. Es ist denkbar, dass bei Verwendung mehrerer Strömungskörper diesen mehrere einzelne zweite Drehachsen zugeordnet werden.
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Durch Kopplung des Strömungskörpers mit dem zweiten Drehantrieb, z.B. mit einer Welle des zweiten Drehantriebs, kann die Orientierung des Strömungskörpers relativ zum zweiten Ende des Schwenkhebels um die zweite Drehachse eingestellt werden. Folglich bietet das mindestens eine Antriebssystem zwei Freiheitsgrade für die Bewegung des Strömungskörpers. Somit ist es möglich, die Orientierung des Strömungskörpers und seine Position um das erste Ende des Schwenkhebels unabhängig voneinander einzustellen. Dadurch ist es möglich, die Vorderkante des Strömungskörpers immer vor der Hinterkante zu platzieren, unabhängig von einer translatorischen Position des zweiten Endes des Schwenkhebels.
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Durch Betätigen des ersten Drehantriebs kann der Strömungskörper in eine Position unterhalb des Flügels, etwa in eine Ablagevertiefung an der Flügelunterseite, und in eine Position vor dem Flügel, etwa in eine ausgefahrene Position, gebracht werden. Gleichzeitig kann durch Betätigen des zweiten Drehantriebs in einem bestimmten Verhältnis zum ersten Drehantrieb die Vorderkante immer vor der Hinterkante gehalten werden. Dadurch wird das aerodynamische Verhalten der Hochauftriebsvorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Hochauftriebsvorrichtungen deutlich verbessert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strömungskörper ein Vorflügel. Der Vorflügel ist eine Steuerfläche, die dazu dient, die Oberfläche des Flügels sowie seine Krümmung zu vergrößern. Indem die Vorderkante des Vorflügels vor der Hinterkante gehalten wird, kann der Zusatzauftrieb optimiert und der Hauptflügel von Verunreinigungen freigehalten werden. Darüber hinaus erlaubt der zweite Drehantrieb eine gezielte Beeinflussung des lokalen Strömungsverhaltens in Abhängigkeit von einer Fluggeschwindigkeit, einem Anstellwinkel des Flugzeugs oder anderen Parametern, die zur Optimierung der aerodynamischen Leistung in Auftrieb, Luftwiderstand und Flugzeughandhabung angepasst werden können.
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Daher kann die Hochauftriebsvorrichtung auch als Schutzschild dienen, um zumindest eine Oberseite eines festen Flügels im Wesentlichen frei von Kontaminationen zu halten. Bei der erfindungsgemäßen Hochauftriebsvorrichtung handelt es sich somit um eine multifunktionale Hochauftriebsvorrichtung mit Abschirmfunktion.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Drehachse im Wesentlichen parallel oder mit der Vorderkante oder der Hinterkante oder einer Linie, die durch konstante Profilsehnenpunkte im Strömungskörper erzeugt wird, ausgerichtet. Durch Schwenken des Strömungskörpers um die zweite Drehachse kann der Pfeilungswinkel an der Vorderkante des Strömungskörpers und am Pfeilungswinkel des Festflügels beispielhaft konstant bleiben. Die durch konstante Profilsehnenpunkte erzeugte Linie kann als Übergangslinie zwischen der Vorderkante und der Hinterkante verstanden werden und kann von der beabsichtigten Position der zweiten Drehachse abhängen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das mindestens eine Antriebssystem einen translatorischen Antrieb auf, wobei der Strömungskörper über den translatorischen Antrieb mit dem zweiten Drehantrieb gekoppelt ist, und wobei der translatorische Antrieb zur unabhängigen Bewegung des Strömungskörpers in Profilsehnenrichtung relativ zur zweiten Drehachse ausgelegt ist. Der translatorische Antrieb kann somit zu einem zusätzlichen Freiheitsgrad führen. Dabei kann die Orientierung des Strömungskörpers konstant bleiben und der erste Drehantrieb und der zweite Drehantrieb können in ihrer momentanen Position arretiert werden. Durch die Bewegung des Strömungskörpers durch den translatorischen Antrieb kann die Fläche des Flügels weitgehend unabhängig von der Wölbung eingestellt werden. Durch die Bewegung des Strömungskörpers durch den translatorischen Antrieb kann sich die Drehachse zwischen einem Bereich nahe der Vorderkante und der Hinterkante des Strömungskörpers bewegen.
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Der translatorische Antrieb kann vorteilhafterweise aus einem Schlitten und einem Linearantrieb bestehen. Eine solche Konstruktion führt zu einem sehr robusten translatorischen Antrieb, der in der Lage ist, auch große aerodynamische Kräfte aufzunehmen, bei gleichzeitiger Beibehaltung eines sehr geringen Gewichts.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest der zweite Drehantrieb elektrisch. Die Einbindung eines elektrischen zweiten Drehantriebs ist besonders vorteilhaft, da nur ein einziges elektrisches Kabel zum zweiten Drehantrieb geführt werden muss. Ein komplizierter Mechanismus zur Übertragung der mechanischen Kraft in den Strömungskörper ist nicht erforderlich. Gleichzeitig kann mit einem elektrischen zweiten Drehantrieb die Elektrifizierung eines Flugzeugs erhöht werden.
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Dabei kann der erste Drehantrieb ein hydraulischer oder elektrischer Aktuator sein. Da der erste Drehantrieb innerhalb des festen Flügels angeordnet ist, kann er nicht nur als elektrischer, sondern auch als hydraulischer Aktuator realisiert sein. Die Verwendung eines hydraulischen Stellantriebs führt zu sehr großen verfügbaren Drehmomenten, einer schnellen Ausfahrbewegung und einem sehr hohen Lei stungsgewi cht.
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Zur Verbesserung des Betriebs der erfindungsgemäßen Hochauftriebsvorrichtung kann diese ferner eine Steuereinheit in Signalkommunikation mit dem Antriebssystem umfassen, wobei die Steuereinheit zum Betrieb des Antriebssystems derart ausgelegt ist, dass sich während einer Schwenkbewegung des Schwenkhebels um die erste Drehachse die Orientierung des Strömungskörpers um die zweite Drehachse in Abhängigkeit vom momentanen Winkel des Schwenkhebels ändert, um einen Winkelbereich der Rotation des Strömungskörpers relativ zur ersten Drehachse zu begrenzen. Die Steuereinheit ist somit in der Lage, die Bewegung des Strömungskörpers so zu steuern, dass ein vorteilhaftes, beispielsweise ein optimales aerodynamisches Verhalten erreicht wird. Dazu kann etwa ein Datensatz oder eine Nachschlage-Tabelle in einer Speichereinheit der Steuereinheit gespeichert werden, in der mehrere Winkel um die erste Drehachse und um die zweite Drehachse korreliert sind. Falls ein translatorischer Antrieb verwendet wird, kann der Datensatz oder die Nachschlagetabelle auch translatorische Positionen enthalten. Selbstverständlich kann der Datensatz oder die Nachschlage-Tabelle mehrdimensional sein, so dass alle gespeicherten Werte zusätzlich von der Fluggeschwindigkeit, den Anstellwinkeln oder anderen Parametern abhängen können.
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Vorteilhaft ist, dass der Winkelbereich, d.h. der Winkelbereich der Rotation des Strömungskörpers relativ zur ersten Drehachse, einen Winkel von höchstens 70° umfasst. Damit unterscheidet sich der Winkelbereich deutlich von herkömmlichen Krüger-Vorflügeln.
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Es wird bevorzugt, wenn das mindestens eine Antriebssystem selbstblockierend oder selbsthemmend ist. Dies ermöglicht es, eine Position des Strömungskörpers beizubehalten, ohne das mindestens eine Antriebssystem einschalten zu müssen. Dies kann beispielhaft durch einen bestimmten Verriegelungsmechanismus oder die Verwendung eines an sich selbsthemmenden Getriebes, z.B. durch Einbeziehen eines Spindelgetriebes, realisiert werden.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Flügel für ein Flugzeug, der eine feste Vorderkante und mindestens eine Vorderkantenvorrichtung gemäß der obigen Beschreibung aufweist, wobei die mindestens eine Vorderkantenvorrichtung zwischen einer eingefahrenen Position an einer Unterseite der festen Vorderkante und mindestens einer ausgefahrenen Position vor der festen Vorderkante bewegbar ist. Folglich kann der Flügel an seiner Unterseite eine Aufbewahrungsaussparung aufweisen, die dazu bestimmt ist, den Strömungskörper mit der Vorderkante nach vorne weisend aufzunehmen. Die Vorderkantenvorrichtung kann so dimensioniert sein, dass sie den Strömungskörper in die Aufbewahrungsaussparung und mindestens eine Position vor der Flügelvorderkante bewegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Antriebssystem so ausgelegt, dass die Vorderkante des Strömungskörpers stromaufwärts der Hinterkante in jeder Schwenkposition des Schwenkhebels gehalten wird.
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Wie bereits weiter vorangehend erläutert, weist die Hochauftriebsvorrichtung mindestens zwei mit dem Strömungskörper gekoppelte Antriebssysteme auf.
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Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf ein Flugzeug mit mindestens einem Flügel gemäß der obigen Beschreibung.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebigen Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder ihren Rückbezügen zu anderen Ansprüchen. Darüber hinaus werden identische oder ähnliche Gegenstände durch die gleichen Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet.
- 1 zeigt eine Vorderkantenvorrichtung in einer schematischen Darstellung mit einer Vielzahl möglicher Platzierungspositionen des Strömungskörpers.
- 2 und 3 zeigen eine detailliertere Darstellung u.a. mit verschiedenen translatorischen Positionen.
- 4 zeigt die an einem Flügel angeordnete Vorderkantenvorrichtung in schematischer Darstellung.
- 5 zeigt ein Flugzeug mit Tragflächen und an den Tragflächen angeordneten Vorderkantenvorrichtungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen Flügel 1 mit einer Hochauftriebsvorrichtung 2 mit einem Strömungskörper 4 in einer sehr schematischen Darstellung. An einer Unterseite 6 des Flügels 1 ist eine Ablagevertiefung 8 vorgesehen, in die der Strömungskörper 4 eingefahren werden kann. In dieser Position befindet sich eine Vorderkante 10 des Strömungskörpers 4 vor, d.h. stromaufwärts von, einer Hinterkante 12. Erfindungsgemäß wird der Strömungskörper 4 aus der eingefahrenen Stellung in eine Vielzahl von ausgefahrenen Stellungen bewegt, wobei die Vorderkante 10 immer stromaufwärts der Hinterkante 12 liegt. Dadurch wird das aerodynamische Verhalten des Strömungskörpers 4 im Vergleich zu herkömmlichen Krüger-Vorflügeln deutlich verbessert.
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Exemplarisch wird eine Reihe von verschiedenen Positionen I bis VI des Strömungskörpers 4 gezeigt. Position I bezieht sich auf eine Stauposition während des Reisefluges. Die Positionen II bis V beziehen sich auf Zwischenpositionen während einer Ausfahrbewegung. Hier ist zu sehen, dass eine Profilsehnenachse des Strömungskörpers 4 ihren Winkel relativ zu einer Hauptflügel-Profilsehnenachse kontinuierlich ändert. Die Position VI bezieht sich auf eine voll ausgefahrene Position. Hier besitzt der Strömungskörper 4 einen steilsten Winkel seiner Profilsehnenachse.
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2 zeigt, wie die Hochauftriebsvorrichtung 2 gestaltet werden kann, um dieses Verhalten zu erreichen. Hier weist ein Antriebssystem 14 eine ersten Drehantrieb 16, der in einem festen Flügel 18 des Flügels 1 angeordnet ist. Der erste Drehantrieb 16 ist fest angeordnet, um eine erste Welle 20 um eine erste Drehachse 22 zu drehen.
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Ein Schwenkhebel 24 ist an der ersten Welle 20 mit einem ersten Ende 26 des Schwenkhebels 24 befestigt. Durch Betätigung des ersten Drehantriebs 16 dreht sich der Schwenkhebel 24 daher um die erste Drehachse 22.
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Der Schwenkhebel 28 umfasst ein zweites Ende 28 entgegengesetzt zu dem ersten Ende 26. Beim Drehen des ersten Endes 26 bewegt sich daher das zweite Ende 28 auf einer kreisförmigen oder gekrümmten Bahn 30. Gekoppelt mit dem zweiten Ende 28 ist ein zweiter Drehantrieb 32 vorgesehen. Der zweite Drehantrieb 32 weist eine zweite Welle 34 auf, die mit dem Strömungskörper 4 gekoppelt ist und eine zweite Drehachse 35 definiert. Beim Betrieb des zweiten Drehantriebs 32 kann somit die Orientierung des Strömungskörpers 4 eingestellt werden.
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Weiterhin ist im Antriebssystem 14 ein translatorischer Antrieb 36 vorgesehen, der zwischen dem zweiten Drehantrieb 32 und dem Strömungskörper 4 angeordnet ist.
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Er ist dazu angepasst, den Strömungskörper 4 entlang einer Translationsachse zu bewegen, so dass er sich in Profilsehnenrichtung bewegen kann. Folglich bietet das Antriebssystem drei Freiheitsgrade durch den ersten Drehantrieb 16, den zweiten Drehantrieb 32 und den Translationsantrieb 36. Somit ist es möglich, die Vorderkante 10 immer vor der Hinterkante 12 zu halten, indem der erste Drehantrieb 16 und der zweite Drehantrieb 32 in geeigneter Weise betätigt werden.
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In 3 ist das Antriebssystem 14 ohne die unterschiedliche Translation der Positionen des Strömungskörpers 4 zur Fokussierung auf die Strukturmerkmale dargestellt. Der zweite Drehantrieb 32 kann in Form eines elektrischen Antriebs realisiert werden, der über mindestens ein Kabel 37 angeschlossen ist, das sich entlang des Schwenkhebels 24 erstrecken kann.
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Wie in 4 dargestellt, kann der Flügel 1 aus einer Hochauftriebsvorrichtung 2 mit zwei Antriebssystemen 14 bestehen, die am Strömungskörper 4 befestigt sind. Schematisch ist eine Steuereinheit 38 dargestellt, die in Signalkommunikation mit den ersten Drehantrieben 16, den zweiten Drehantrieben 32 und den translatorischen Antrieben 34 steht. Die Steuereinheit 38 ist vorzugsweise für den Betrieb eines Antriebssystems 14 so ausgelegt, dass sich bei einer Schwenkbewegung des Schwenkhebels 24 um die erste Drehachse 22 die Orientierung des Strömungskörpers 4 um die zweite Drehachse in Abhängigkeit vom momentanen Winkel des Schwenkhebels 24 ändert, um einen Winkelbereich einer Drehung des Strömungskörpers 4 relativ zur ersten Drehachse 22 zu begrenzen.
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zeigt ein Flugzeug 40 mit Flügeln 1, das nach der obigen Beschreibung konstruiert sein kann.
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Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt und „ein“ oder „eine“ eine Mehrzahl nicht ausschließt. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass Merkmale oder Schritte, die unter Bezugnahme auf eines der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen zu interpretieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flügel
- 2
- Hochauftriebsvorrichtung
- 4
- Strömungskörper
- 6
- Unterseite
- 8
- Ablagevertiefung
- 10
- Vorderkante
- 12
- Hinterkante
- 14
- Antriebssystem
- 16
- erster Drehantrieb
- 18
- feste Vorderkante
- 20
- erste Welle
- 22
- erste Drehachse
- 24
- Schwenkhebel
- 26
- erstes Ende
- 28
- zweites Ende
- 30
- kreisförmige oder gekrümmte Bahn
- 32
- zweiter Drehantrieb
- 34
- zweite Welle
- 35
- zweite Drehachse
- 36
- translatorischer Antrieb
- 38
- Steuereinheit
- 40
- Flugzeug
- I ... VI
- Positionen des Strömungskörpers 4
