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Fluggerät mit flexibler Flügelfläche zwischen zwei Trägern Die Erfindung
betrifft ein Fluggerät, vorzugsweise für die Raumfahrt, mit flexibler Flügelfläche
zwischen zwei Trägern.
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Die grundsätzliche Aufgabe eines Luft- bzw.Raumfahrtgerätes ist der
Transport von Lasten oder Treibstoff, die üblicherweise in dem durch einen Rumpf
zur Verfügung gestellten Ladevolumen untergebracht werden. Bei einem Raumfahrtgerät
sind die an dieses Ladevolumen zu stellenden Anforderungen auf Grund der hohen Anteile
-der Treibstoffe am Gesamtgewicht des Gerätes besonders dominierend. Der Wunsch,
diese Flugkörper wiederzugewinnen, ergibt die Aufgabe, durch zusätzliche Flügel
den Körpern beherrschbare Gleitflugeigenschaften zu geben. Die hierfür bekannten
Lösungswege sind folgende: Es wurde bereits vorgeschlagen, durch auswerfbare und
ausspreizbare Membranflügelkonstruktionen die bekannten Eigenschaften eines Fallschirmes
dahingehend zu verbessern, daß flache und steuerbare Gleitflugbahnen für das Rückkehrmanöver
verwirklicht werden. Die auf dieses Prinzip abgestellten Vorschläge sind dadurch
gekennzeichnet, daß der Flugkörper als Last unterhalb dieser Hilfsfläche angehängt
ist. Ein weiterer Vorschlag besteht darin, an den Rumpf des Flugkörpers ausspreizbareHolme
als Rahmenkonstruktion für einen zwischen Rümpf und Holmen auszuspannenden Faltflügel
vorzusehen. Der klassische und in der Luftfahrttechnik generell beschriebene Weg,
einen Rumpfkörper flugfähig zu machen, ist die Anordnung starrer Tragflächen, die
selbst biegesteif ausgeführt werden müssen. Die biegesteife'Konstruktion ist immer
mit nennenswertem Gewichtsaufwand verbunden, insbesondere- gilt das für die Einleitung
der Querkräfte und Biegemomente in den Rumpfkörper.
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Bei Raumfluggeräten besteht der Rumpfkörper im wesentlichen nur aus
der Behälterschale für die Treibstoffe. Aus bekannten Zusammenhängen der Raketentechnik
sind diese Behälter äußerst dünnwandig und im allgemeinen nur nach Belastungsfällendes
Raketenaufstiegs bemessen. Die Einleitung und Durchführung von Querkräften und Biegekräften
stellt dabei besondere Probleme dar, die ohne nennenswerte Beeinträchtigung der
Raketenmission nicht beherrscht werden können.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wurde darin gesehen, einen
als reinen Nutzungsbehälter ausgebildeten Rumpf mit sehr leichten Flächen zu versehen,
die in ihrer Ausbildung und insbesondere in ihren Anschlußkräften keine nennenswerte
Gewichtserhöhung des Grundkörpers zur Folge haben. Als -weitere Zielsetzung wurde
dabei angestrebt, mit dieser Lösung gleichzeitig eine Variation für die Geo-: metrie
des gesamten Flugzeuges zu verbinden. Die Bedeutung einer solchen Lösung liegt in
den unterschiedlichen Anforderungen eines Raumflugkörpers, bei dem der Aufstieg
im wesentlichen ballistisch,' d. h. ohne nennenswerte Ausnutzung eines aerodynamischen
Auftriebs erfolgt, bei dem aber bei der Rück= kehr unter Ausnutzung einer aerodynamischen
Gleitzahl ein ausreichender Auftrieb und eine flugmechanische Beherrschung möglich
sein muß. Ähnliche Pro= bleme stellen sich heute bei Überschall- und Hyperschallflugzeugen,
für -die auch auf Grund der sehr unterschiedlichen Anforderungen bei Start-, Schnell-,
Langsamflug und Landung eine variable Geometrie erwünscht ist, die bekannterweise
mit schwenkbaren Starrflügeln zwar beherrschbar ist, dies aber auf Kosten eines
beträchtlichen konstruktiven und ge-: wichtlichen Mehraufwandes.
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Die Erfindung löst die erstgenannte Aufgabe durch Ausgestaltung des
Nutzungsrumpfes als Rahmensystem für den flexiblen Flügel; .die Erfindung ist also
gattungsmäßig ein Fluggerät mit flexibler Flügelfläche, die zwischen zwei Trägern
ausgespannt ist, die in Flugrichtung pfeilartig zusammenlaufen, mit der besonderen
Maßgabe, daß die beiden Träger der flexiblen Flügelfläche als Rümpfe ausgebildet
sind.
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Der besondere Fortschritt gegenüber einer separaten Hilfseinrichtung
besteht in der organischen Kombination vom Nutzungsraumkörper mit dem Tragsystem.
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Die zweitgenannte Aufgabe der Schaffung einer variablen Tragflächengeometrie
löst die Erfindung durch das Merkmal, daß Mittel zur Veränderung der' Pfeilung der
Rümpfe angeordnet sind. Weitere Merkmale
der Erfindung und die
durch diese Merkmale erzielten Effekte sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen,
die sich an Hand der Zeichnung mit einer Ausführung der Erfindung befaßt. Als besondere
Vorzüge der Erfindung seien erwähnt, daß die bei dem an sich bekannten, nur ein
Hilfsgerät darstellenden Membranflügel erzielten Vorteile in vollem Umfang erhalten
bleiben, unter anderem das geringe Gewicht der eigentlichen Fläche, die Gewichtsvorteile
durch Vermeidung der Einleitung von Biegemomenten, Vermeidung von Wärmespannungen
innerhalb des Flügels als auch des Flügelrumpfverbands, ferner die schon erwähnte
Anpassungsfähigkeit der Flächengeometrie an wechselnde flugmechanische Anforderungen.
Bei einer Konstruktion gemäß der Erfindung bildet jeder Rumpf eine starre Einheit,
während der Flügel nicht biegungssteif ist, wobei die Membran sich vielmehr nach
den Zugspannungen einrichtet. Auf diese Weise werden in die Rümpfe keine Biegemomente
eingeführt. Die Rümpfe können daher wesentlich leichter gebaut werden, als dies
bei starren im Rumpf verankerten Flügeln der Fall ist. Insbesondere soll die Fläche
des Membranflügels derart gewählt werden, daß die Flügelenden im gespannten Zustand
der Membran an den Anschlußstellen tangential zur Rumpfwand gerichtet sind. Es werden
dann an diesen Stellen lediglich in Richtung der Rumpfhaut verlaufende Zugkräfte
in den Rumpf eingeleitet.
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Die Erfindung ergibt die generell schon erwähnte Möglichkeit, die
Flächenbelastung und das Auftriebs-und Widerstandsverhältnis (die reziproke Gleitzahl)
des Flügels den jeweiligen Flugaufgaben dadurch anzupassen, daß man den Pfeilwinkel
der vorzugsweise kegel- oder kegelstumpfförmigen Rümpfe durch Schwenken um zu den
Rumpflängsachsen vertikalen Achsen verändert. Bei dieser Schwenkung wird sich die
Membran teilweise an die Rumpfwandung anlegen, so daß die Zugkräfte weiterhin tangential
in die Rumpfwandung eingeleitet werden. Wird auf diese Weise die Pfeilung der Doppelrumpfanordnung
verringert, so wird sich die Membran höher nach oben auswölben. Um diesen aerodynamisch
ungünstigen Effekt zu vermeiden, kann man die Rümpfe nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung zugleich mit der Verschwenkung drehen, so daß die Membran an ihren
Befestigungsstellen von beiden Seiten her um die Rümpfe :aufgewickelt wird. Rein
konstruktiv läßt sich die Schwenkung und die Drehung der Rümpfe durch eine Drehung
der Rümpfe um schräg zu den Rumpfachsen verlaufende Achsen erreichen. Bei einer
derartigen Bewegung werden die Rümpfe zwar in bezug auf die schrägen Achsen (bei
einer Verringerung des Pfeilwinkels) nach oben geschwenkt; praktisch kommt es aber
wegen der aerodynamischen Gegenkräfte und gegebenenfalls durch zusätzliche Steuermanöver
nicht zu einer Änderung der Fluglage, so daß .das Fluggerät bei der beschriebenen
Pfeilwinkeländerung seine Richtung im Raum beibehält.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachfolgend
beschrieben werden. In den F i g. 1 und 2 ist ein Fluggerät nach der Erfindung in
zwei Schrägansichten und in der F i g. 3 in der Draufsicht dargestellt.
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Die kegelstumpfförmigen Rümpfe 1 und 2 sind im wesentlichen durch
Brennstoffbehälter ausgefüllt und weisen an ihren rückwärtigenEndenRückstoßd-üsen3,
4 auf. An der Spitze des Fluggerätes befindet sicheine Kabine 5. Zwischen den Rümpfen
1, 2 ist ein flexibler Flügel 6 ausgespannt, der bei Raumfahrzeugen und Hochleistungsflugzeugen
zweckmäßig aus einem Metallgewebe besteht, sonst aber auch aus Textilgewebe (Segeltuch)
sein kann. Die Figuren zeigen das Fluggerät mit maximaler Pfeilung und daher größter
wirksamer Flügelfläche für Start und Landung. In der F i g. 3 ist gestrichelt angedeutet,
wie der Pfeilwinkel und damit die aerodynamisch wirksame Fläche des flexiblen Flügels
für den Schnellflug vermindert werden kann.
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Die Rümpfe 1, 2 können in nicht dargestellter Weise zugleich gedreht
und geschwenkt werden, indem sie um zu ihren Längsachsen schrägliegende Achsen gedreht
werden. Es ist möglich, diese Schwenkachsen durch entsprechende Wahl des Kegelwinkels
aus konstruktiven Gründen in die Nähe der Rumpfaußenwandung, z. B. zwischen die
beiden Kegel,zu verlegen.Einfacher gestaltetsich dieLösung, wenn die Membran nur
einmal pro Flug vor dem Landevorgang (z. B. dem Wiedereintritt eines Raumfahrzeuges
in die Atmosphäre) ausgespannt werden soll, d. h. auf ein Einziehen während des
Fluges, also auf ideale Anpassungsfähigkeit, verzichtet wird. Für diese Lösung brauchten
die beiden Rümpfe lediglich um zu ihren Längsachsen senkrechte Achsen gegenemander
geschwenkt zu werden. Die Tatsache, daß dann der Aufstieg ausschließlich bei größerer
Flächenbelastung erfolgt, -wird man in vielen Fällen in Kauf nehmen können, weil
in dieser Flugphase keine optimale Gleitzahl, dafür aber ein minimaler Widerstand
gefordert wird.
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Das Fluggerät zeigt eine gute Roll- und Seitenstabilität und stellt
auch ohne einen Verstellmechanismus wesentliche technische Vorzüge auf, die nachfolgend
zusammengefaßt seien: 1. Der Flügel wird lediglich auf Zug beansprucht (keine Übertragung
von Biegemomenten); 2. der Flügel leitet keine Biegemomente in den Rumpfkörper ein;
3. die Kräfteeinleitung (Zug) in den Rumpfkörper kann tangential erfolgen, was statisch
einfacher ist und zu leichteren Behälterkonstruktionen führt; 4. .der Flügel ist
verhältnismäßig leicht; 5. der Flügel besteht aus einer einwandigen Membran, so
da13 gegenüber einem profilierten Hohlflügel die Kräfteübertragung und thermischen
Spannungen zwischen Oberhaut und Unterhaut entfallen;-6. die wärmeleitende Flügelmembran
stellt sich auf Mitteltemperatur zwischen Druck- und Saugseite ein. Die auf der
Druckseite beim Wiedereintritt um etwa 500° C höher als auf der Saugseite auftretende
Temperaturbeanspruchung der Membran ist damit niedriger als diejenige einer Druckseitenbeplankung;
7. die scharfe temperaturempfindliche Flügelvorderkante entfällt. Die mit starkem
Pfeilwinkel angeströmten Rümpfe mit großen Radien sind hinsichtlich .der thermischen
Beanspruchung günstig.