DE3000758C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitflugkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Gleitflugkörper ist bekannt (US-PS 41 04 822). Bei diesem bekannten Gleitflugkörper mußte der Auftrieb relativ niedrig gehalten werden, um einem Kentern aufgrund der Drehbewegung und anschließendem Absturz vorzubeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, diesen bekannten Gleitflugkörper derart abzuwandeln, daß der aerodynamische Auftrieb im Schwerpunkt balanciert ist, um einen geraden Flug zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Es war zwar bei eisernen Wurfscheiben oder Wurfringen schon lange bekannt, den Außenumfang eines ringförmigen Wurfkörpers niedriger anzuordnen als den Innenumfang des Ringes, wenn die projizierte Bezugsebene horizontal liegt und die Oberseite des Körpers nach oben zeigt (US-PS 19 91 689). Solche Wurfringe können jedoch aufgrund ihres Gewichtes nicht als Gleitflugkörper angesehen werden, und deshalb ist das Profil des ringförmigen Körpers eines solchen Wurfringes auch kein Tragflächenprofil, sondern nach anderen Gesichtspunkten konstruiert, nämlich Zentrierung des Gewichtes in der Mitte und gutes Eindringen der Außenkante des Wurfringes in den Boden beim Auftreffen.

Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 1A einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 2 einen Schnitt durch die bevorzugte Ausführungsform mit Darstellung des Luftstromweges während des Fluges;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil eines alternativen Tragflächenkörpers mit Schutzkissen;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Alternative eines Tragflächenkörpers mit Schutzkissen;

Fig. 5 eine isometrische Ansicht einer alternativen Ringkonfiguration, bei der nur Teile des Ringes eine angewinkelte Tragflächenform haben; und

Fig. 6 eine isometrische Ansicht einer anderen alternativen Ringkonfiguration, bei der der gewünschte Winkel des Tragflächenprofils in zwei Teilen des Ringes dadurch erreicht wird, daß der Ring sanft in eine Sattelform gebogen ist.

Der Gleitflugkörper besteht aus einem dünnen, ringförmigen Körper 1 mit Tragflächenprofil, der symmetrisch zu einer Umdrehungsachse 2 ist und mit einer projizierten Bezugsebene 6. Diese Bezugsebene 6 ist selbstverständlich senkrecht zur Umdrehungsachse 2. Das Tragflächenprofil hat eine Oberseite 9 und eine Unterseite 10. Die voreilenden und nacheilenden Kanten des Tragflächenprofils sind durch die äußere (3) bzw. die innere Umfangskante 4 definiert. Verlängerte Sehnenlinien 5 passieren durch diese Kanten 3, 4 und beschreiben den Tragflächenwinkel α, der relativ zur Bezugsebene 6 gemessen wird. Erfindungsgemäß ist dieser Tragflächenwinkel α immer negativ, d. h. die äußere (3) liegt niedriger als die innere Umfangskante 4, wenn die Bezugsebene 6 horizontal liegt und der Körper 1 für einwandfreien Flug orientiert ist, d. h. wenn die Oberseite 9 nach oben weist.

Wenn die verlängerten Sehnenlinien 5 radial nach innen bis zu ihrem Schnittpunkt 8 auf der Achse 2 verlängert werden, formen sie die konische Oberseite eines imaginären geraden Kreiskegels. Eine Umdrehung der Sehnenlänge der verlängerten Sehnenlinie 5 um die Achse 2 definiert die angewinkelte Oberfläche eines Kegelstumpfes. In Fig. 1 und 1A ist der Tragflächenwinkel α der Klarheit halber übertrieben dargestellt. Es ist in Fig. 1A zu erkennen, daß die verlängerte Sehnenlinie 5, die durch die äußere und innere Umfangskante 3 bzw. 4 passiert, über der Unterseite 10 liegt, die bei der dargestellten Ausführungsform gerade ist.

Es wird angenommen, daß die einzigartige Funktion des Tragflächenwinkels α darin besteht, den Auftrieb zwischen den vorderen und hinteren Flächen des Ringes zu balancieren, um eine Überlagerung des Auftriebszentrums und des Schwerpunktes zu erreichen und damit einen geraden Flug.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Gleitflugkörper, wobei der Luftstrom, der durch Stromlinien 20 angedeutet ist, zu beachten ist (im typischen Flug mit gleichbleibender Höhe ist die ganze Ringebene unter einem Anstellwinkel von etwa 2° zum Flugweg oder Luftstrom orientiert). Es ist zu beachten, daß der Luftstrom zunächst um den in Flugrichtung (vgl. den Pfeil in Fig. 2) jeweils vorderen Teil 21 des Tragflächenprofils strömt und von diesem vorderen Tragflächenprofil 21 nach unten abgelenkt wird, ehe der jeweils rückwärtige Teil 22 des ringförmigen Tragflächenprofils erreicht wird. Diese Abwärtsablenkung des Luftstroms 20 wird von den Aerodynamikern als Flügelabstrom bezeichnet und spielt bei der gegenseitigen Beeinflussung von Tragfläche und Heck bei konventionellen Flugzeugen eine Rolle. Der Flügelabstrom ist direkt proportional zum Auftriebskoeffizienten des vorderen Tragflächenprofils. Wenn auch der Winkel dieses Flügelabstroms auch von der exakten Position hinter dem vorderen Tragflächenprofil abhängt, so benutzen doch Flugzeugkonstrukteure allgemein die folgende Gleichung, wenn der Abstrom berechnet wird:

wobei

R = Abstromwinkel (rad) C _L = Auftriebsbeiwert A = Seitenverhältnis des Profils=Spanne/Sehne

Der Auftriebsbeiwert kann von einem Flugtest wie folgt berechnet werden:

wobei

W = Gewicht des Flugkörpers V = Geschwindigkeit S _e = effektive Auftriebsfläche der Tragfläche ρ = spezifische Masse der Luft

Im Flug ist die effektive Auftriebsfläche (S _e ) der ringförmigen Tragfläche der Teil des Ringes, der normal zum Flugweg projiziert wird. (Die Ringseiten parallel zum Flugweg tragen sehr wenig Auftrieb bei.) Diese effektive Auftriebsfläche kann näherungsweise als mittlerer Ringdurchmesser mal Summe der vorderen und hinteren Sehnenlängen berechnet werden:

oder

S _e ≅ D · 2C

wobei

D = mittlerer Durchmesser C = Sehnenlänge

Flugtests mit einem typischen Ring zeigten eine Geschwindigkeit von 11,6 m pro Sekunde und ergaben einen berechneten C _L von 0,5. Dieser gleiche Ring hatte ein Seitenverhältnis (A) von 6. Die Lösung der Gleichung 1 ergibt einen Flügelabstromwinkel von 0,05 rad. Der Luftstrom über dem rückwärtigen Teil 22 des Profils hat also einen um 0,05 rad niederen Winkel als der Luftstrom über dem vorderen Teil 21.

Ersichtlich würde ein flacher Ring (Winkel α=Null) weniger Auftrieb im rückwärtigen Teil 22 des Tragflügelprofils aufgrund von Abstromeffekten entwickeln. Das würde ein Aufstellmoment ergeben, das die Kreiselpräzession im Falle einer Rotation im Uhrzeigersinn in ein Kurven nach links (Rollen) umwandeln würde.

Wenn der Ring jedoch als eine Konusebene geformt ist, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, kann der Abstromeffekt voll kompensiert werden. Wenn beispielsweise der Tragflächenwinkel α bei 0,025 rad liegt, ist die Differenz im Anstellwinkel der vorderen und der hinteren Tragflügelprofil-Flächen doppelt so groß wie der Winkel α, oder 0,05 rad, was genau gleich dem Abstromwinkel ist. Vordere und hintere Tragflügelprofil-Flächen treffen also unter dem gleichen Anstellwinkel auf den Luftstrom und haben gleichen (und balancierten) Auftrieb, was für einen geraden Flug sorgt.

Es ist möglich, die Gleichungen (1) und (2) in eine allgemeine Entwurfsgleichung zur Bestimmung des optimalen Tragflügelprofil-Winkels zu vereinfachen und zusammenzufassen:

wobei

α = Tragflächenwinkel K = eine Konstante V = vorgesehene Fluggeschwindigkeit D = mittlerer Ringdurchmesser=(Außendurchmesser+Innendurchmesser)/2

wenn gemessen werden

W = in Gramm V = in Meter pro Sekunde und D = in Millimeter

dann gilt

K ≅ 2368

Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein Fluggeschwindigkeitsbereich von 10,1 bis 14,3 m pro Sekunde üblich ist.

In diesem Geschwindigkeitsbereich kann der Bereich des Tragflächenwinkels α wie folgt zusammengefaßt werden:

wobei K = 18±6.

Wenn beispielsweise W=96,4 g und D=254 mm, ergibt sich a _a =0,026±0,009 rad für den obigen Fluggeschwindigkeitsbereich.

Fig. 5 und 6 zeigen zwei alternative Konfigurationen, bei denen der Tragflächenwinkel α nicht gleichförmig um den ganzen Ring ist, sondern nur in gewissen Teilen des Ringes auftritt. Es ist zu beachten, daß wenigstens ein Teil des Ringes einen negativen Tragflächenwinkel α relativ zur projizierten Bezugsebene 6 hat. In jedem der Beispiele sind zwei solche Teile vorhanden, die in den Fig. 5 und 6 mit 50 bzw. 60 bezeichnet sind. Es ist zu beachten, daß in diesen Teilen 50 und 60 der Außenumfang des Ringes niedriger ist als der Innenumfang des Ringes, wenn die projizierte Bezugsebene 6 horizontal ist und der Körper für einwandfreien Flug orientiert ist, d. h. mit der Oberseite nach oben. Fig. 5 illustriert eine Konfiguration, die an zwei Stellen 51 scharf gebogen ist, während Fig. 6 einen allmählich gebogenen Bereich 61 zeigt, der die Ebene des Ringes in eine Sattelform bringt.

Durch die Rotation des Ringes ergibt sich ein Mittelwerteffekt, und die gewinkelten Teile balancieren immer noch Abstromeffekte. Diese Balance wird jedoch durch einen Bruchteil der Gesamtfläche ausgeführt, und damit wird ein größerer Winkel erforderlich. Der erforderliche Winkel kann wie folgt berechnet werden:

wobei

a _p = Winkel in den abgewinkelten Teilen α = Tragflächenwinkel bestimmt nach Gleichung (3) oder (4) S _t = gesamte Tragflügelfläche S _p = Fläche des abgewinkelten Teils der Tragfläche

In den Beispielen nach Fig. 5 und 6 sind zwei abgewinkelte Teile der Tragfläche vorgesehen. Ersichtlich sind jedoch die gleichen Prinzipien auf irgendeine Anzahl von abgewinkelten Teilen anwendbar.

Die Sattelform gemäß Fig. 6 kann auch leicht im Gebiet der konischen Form nach Fig. 1 angewandt werden, um geringfügige Justierungen des effektiven Tragflächenwinkels α zu erreichen. Beispielsweise bei einem langsamen Fangspiel erhöht die geringere Fluggeschwindigkeit den Abstromwinkel, wie er in Gleichungen (1) und (2) beschrieben ist. Gewünschtenfalls kann der effektive Tragflächenwinkel α leicht dadurch erhöht werden, daß der Ring leicht gebogen wird, wie in Fig. 6 dargestellt. Ein zweites, entgegengesetztes Beispiel wäre der Fall eines Weitwurf-Wettbewerbes, wobei kräftige Würfe für höhere Fluggeschwindigkeiten sorgen und damit für eine Herabsetzung des Abstromwinkels. In diesem Falle könnte der Ring leicht nach oben gebogen werden (entgegengesetzt Fig. 6), um den effektiven Tragflächenwinkel α für optimalen Hochgeschwindigkeitsflug herabzusetzen.

Die Beispiele in Fig. 1 bis 4 zeigen alle Spitzbogen-Tragflächenprofile, die eine kreisbogenförmige Begrenzung der Oberseite 9 und eine gerade Unterseite 10 haben. Es wurden die aerodynamischen Eigenschaften einer Anzahl von Tragflächenprofilen bei geringer Geschwindigkeit untersucht und festgestellt, daß dieses Profil minimalen Luftwiderstand und damit maximale Fluglänge mit sich bringt. Unter speziellen Umständen könnten jedoch auch andere Tragflächenprofile verwendet werden (in Verbindung mit dem Tragflächenwinkel α), um auch weiterhin balancierten Flug zu erreichen. Beispielsweise kann eine größere Wölbung für langsamere und kürzere Flüge bevorzugt werden, während umgekehrt wenig oder keine Wölbung (beispielsweise ein bikonvexes Profil) für Flüge mit sehr hoher Geschwindigkeit und über große Entfernungen bevorzugt werden könnte.

Wenn das Tragflächenprofil nicht vorne und hinten symmetrisch ist, kann der optimale Tragflächenwinkel α leicht modifiziert werden. Es wurde beispielsweise ein Experiment mit einem Ring durchgeführt, der ein Tragflächenprofil hatte, dessen größte Dicke nahe am Innenumfang lag, statt in der Mitte, wie in Fig. 1 bis 4 dargestellt. Es wurde festgestellt, daß dieser Ring einen etwas kleineren Tragflächenwinkel α erforderte als Ringe mit Spitzbogen-Tragflächenprofil. Es wird angenommen, daß bei einem bestimmten Anstellwinkel ein größerer Auftrieb entwickelt wird, wenn der dickere Teil des Profils die voreilende Kante 3 ist, als wenn dieser die nacheilende Kante 4 ist. Dadurch wird bereits teilweise der Abstromeffekt kompensiert und damit der erforderliche Tragflächenwinkel α für geraden Flug verkleinert. Da diese spezielle Tragfläche ihr dünnstes Teil am Außenumfang darbot, wurde festgestellt, daß sie leichter beschädigt wird als das Spitzbogenprofil, sie wird deshalb nicht bevorzugt.

In allen Fällen sollte jedoch die Tragfläche sehr dünn sein, wenn ein langer, ununterbrochener Flug erwünscht ist. Bei diesen relativ niedrigen Reynold'schen Zahlen ist der Luftwiderstand grundsätzlich proportional der Dicke.

Flansche am Innenumfang, wie sie beim Stand der Technik verwendet werden, bringen Luftwiderstand mit sich. Am Innenumfang eines erfindungsgemäßen Ringes werden deshalb keine Flansche verwendet, der vertikale Abstand zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Teil am Innenumfang des Gleitflugringes nach der Erfindung ist kleiner als die maximale Dicke der Tragfläche.

Fig. 3 und 4 zeigen mit Kissen versehene Tragflächen zur größeren Sicherheit und zum besseren Komfort beim Fangen. Gemäß Fig. 3 bestehen die Kanten 30 des Tragflächenprofils aus einem weichen Material, wie Gummi oder einem thermoplastischen Elastomer. Die Komponenten können getrennt geformt und zusammengebondet werden, oder das Elastomer kann direkt auf den Strukturring 31 geformt werden. Im Fall der Fig. 4 sind die Kanten 40 über den Strukturring 41 geformt. Stifte in der Form können dazu verwendet werden, den Strukturring 41 während des Aufformens des Elastomers zentriert zu halten. Statt dessen kann der Strukturring 41 mit einer Anzahl kleiner, erhabener Vorsprünge auf der Ober- und Unterseite versehen werden, die mit der Oberfläche der Elastomerform in Berührung stehen, um die Position des Strukturringes während des Elastomerformprozesses beizubehalten.

Es ist auch möglich, die gesamte Tragfläche aus einem flexiblen Material zu formen, ohne den zusätzlichen Strukturring. In diesem Falle muß jedoch das Material erheblich fester sein, als es bei den Versionen nach Fig. 3 und 4 erforderlich ist.

In einigen Fällen ist es erwünscht, die Oberfläche der Tragfläche (insbesondere auf der Oberseite) mit Textur 11 zu versehen, wie in Fig. 1 dargestellt. Diese Textur 11 verbessert den Griff beim Werfen und Fangen. Weiter wird angenommen, daß die Textur 11 den Auftrieb durch zentrifugal induzierten Luftstrom verbessern kann, der durch das schnelle Rotieren während des Fluges verursacht wird.

Das Flugverhalten eines erfindungsgemäßen Gleitflugkörpers ist wahrhaft erstaunlich. Beispielsweise wurde ein Ring nach Fig. 1 mit den folgenden Abmessungen konstruiert:

Außendurchmesser298,5 mm Tragflächenprofil-Sehnenlänge44,5 mm Tragflächenprofil-Dicke3,4 mm Gewicht96,4 g Tragflächenwinkel0,026 rad

Der Ring fliegt in einer exzeptionell flachen Flugbahn und in einem geraden Flugweg. Der erstaunliche Teil des Fluges ist die Art und Weise, in der der Körper weiter fliegt, lange nachdem jeder erwartet hat, daß er zur Erde fällt. Viele Leute, einschließlich eines 12 Jahre alten Jungen, waren in der Lage, den Körper weiter zu werfen als 91,4 m.

Claims (10)

1. Gleitflugkörper bestehend aus einem ringförmigen Körper (1) mit stromlinienförmigem Trägerflächenprofil, mit einer nach außen gewölbten Oberseite (9) und einer Unterseite (10), einer Umdrehungsachse (2), einer projizierten Bezugsebene (6) normal zur Umdrehungsachse (2), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Tragflächenprofils einen negativen Tragflächenwinkel relativ zu der Bezugsebene (6) hat, wobei der ringförmige Körper (1) ein Gewicht kleiner als 1 g pro cm² projizierte Fläche hat.

2. Gleitflugkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Körpers (1) eine Oberfläche mit Textur (11) hat.

3. Gleitflugkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem nachgiebigen Material besteht.

4. Gleitflugkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Material zentral mit einem steiferen Material versteift ist.

5. Gleitflugkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Material ein thermoplastisches Elastomer ist und das steifere Material ein stoßfester thermoplastischer Kunststoff ist.

6. Gleitflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragflächenwinkel α durch folgende Gleichung bestimmt ist: worin bedeutenα= Tragflächenwinkel in radK= 18±6W= Gewicht des Gleitflugkörpers in GrammD= mittlerer Ringdurchmesser in Millimeter

7. Gleitflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragflächenwinkel α bestimmt ist durch die folgende Gleichung: worin bedeutenα= Tragflächenwinkel in radW= Gewicht des Gleitflugkörpers in GrammV= beabsichtigte Fluggeschwindigkeit in Meter pro SekundeD= mittlerer Ringdurchmesser in Millimeter

8. Gleitflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragflächenwinkel α zwischen 0,017 und 0,035 rad liegt.

9. Gleitflugkörper nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragflächenwinkel α nach folgender Gleichung berechnet ist: worin bedeutena _p = Tragflächenwinkel in rad in den Teilen der Tragfläche, die abgewinkelt sindα= Tragflächenwinkel in radS _t = gesamte Fläche des TragflächenprofilsS _p = Fläche der abgewinkelten Teile der Tragfläche

10. Gleitflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Abmessungen: Gewicht56,7-113,4 g mittlerer Durchmesser203-305 mm Sehnenlänge25,4-76,2 mm Dicke1,27-5,08 mm Tragflächenwinkel0,017 . . . 0,035 rad