DE3906109C2 - Drehflügelflugzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Drehflügelflugzeug mit an einem Rotorkopf gelagerten Rotorblättern mit Reaktionsantrieb.

Es sind Drehflügelflugzeuge oder Hubschrauber bekannt, bei denen der Rotor von einer Kraftma­ schine angetrieben wird, beispielsweise einem Flugmotor oder einer Gasturbine. Derartige Hub­ schrauber benötigen einen Drehmomentausgleich um die Hochachse, der entweder durch die paarwei­ se Anordnung von gleichen Rotoren mit entgegen­ gesetzter Drehrichtung (z. b. GB-PS 521 218, DE- PS 953 934) oder durch einen Heckrotor erreicht werden kann. Der konstruktive Aufwand und der Leistungsverlust durch Getriebe und dgl. sind be­ trächtlich.

Dagegen benötigen Hubschrauber mit Reaktions­ antrieb keinen Drehmomentausgleich, weil sich am Rumpf des Flugzeugs kein Antriebsmoment ab­ stützt. Allerdings sind auch bei Hubschraubern dieser Bauart die erforderlichen Maßnahmen für den Antrieb erheblich, da die Rotoren an ihren Blattspitzen Triebwerke benötigen oder im Rumpf des Flugzeugs Gasturbinen untergebracht sind, welche an den Blattspitzen angeordnete Schubdü­ sen mit Heißgas versorgen.

Darüberhinaus sind noch Reaktionshubschrauber bekannt, die im Rotorkopf ein Gebläse besitzen, das von einem darunter im Rumpfinneren angeordneten Motor angetrieben wird (DE-OS 20 29 733) oder deren Gebläse von im Gebläse angeordneten Brennkammern mit Energie versorgt werden (DE- OS 14 81 697). Auch sind Drehflügler bekannt, bei denen ein im Rumpf angeordneter Verbrennungs­ motor oder eine Gasturbine ein danebenliegendes Gebläse antreibt, das über Luftleitungen mit dem Rotor verbunden ist, wie sie beispielsweise aus der US-Patentschrift 4 407 466 und GB-Patentschrift 556 866 bekannt sind.

Alle diese Drehflügler sind jedoch relativ kompli­ ziert in ihrem Aufbau und daher entsprechend an­ fällig für während des Fluges auftretende Defekte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drehflügelflugzeug mit Reaktionsantrieb so auszu­ gestalten, daß der Wirkungsgrad des Antriebes entscheidend verbessert wird, das einen einfachen Aufbau und damit ein niedriges Eigengewicht auf­ weist und somit ein Drehflügelflugzeug zur Verfü­ gung zu stellen, das mit kleiner Motorleistung gro­ ße Lasten heben kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei ei­ nem Drehflügelflugzeug der angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß die an dem nicht drehbaren Rotorkopf gelagerten Rotorblätter hohl ausgebildet sind und an ihrer Abströmkante wenigstens eine Austrittsöffnung für die über den Rotorkopf zuge­ führte Druckluft haben.

Die Druckluft kann dabei von einem Verdichter erzeugt werden, der im Rumpf des Drehflügelflug­ zeugs untergebracht ist und die Druckluft über den hohlen Rotorkopf in die Rotorblätter drückt. Die Austrittsöffnungen an der Abströmkante der Rotor­ blätter können als Bohrungen oder Schlitze ausge­ bildet sein, welche über einen Teil der Blattlänge oder über die gesamte Blattlänge verteilt angeord­ net sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Rotorkopf als Luftansaugstutzen ausgebildet, in dem ein Ansaugorgan gelagert ist, dessen Druckseite mit den hohlen Rotorblättern verbunden ist.

Mit der Erfindung steht ein Hubschrauber mit ei­ nem neuartigen Rotorsystem zur Verfügung, bei dem Luft von oben - oder von unten - angesaugt und in die hohlen Rotorblätter gedrückt wird, wo sie an den Austrittsschlitzen den gewünschten Rückstoßantrieb für den Rotor bewirkt und zusätz­ lich eine Verlängerung des Blattprofils zur Folge hat, so daß die ausströmende Luft gleichzeitig den Drehantrieb bewirkt und den Auftrieb vergrößert. Die Zentrifugalbeschleunigung der Druckluft in den hohlen Rotorblättern erhöht den Rückstoßeffekt. In Weiterbildung der Erfindung ist das Ansaugor­ gan ein Impeller (Mantelschraube eines Verdich­ ters), der um die Achse des Rotorkopfes drehbar angetrieben wird und dem in Ansaugrichtung fest­ stehende Leitschaufeln nachgeordnet sind. Statt des Impellers kann auch ein Propeller oder ein Propfan vorgesehen werden. Die Leitschaufeln haben dabei die Aufgabe, die Luftrotation auf ein Minimum zu verringern.

Für den Drehantrieb des Ansaugorgans ist ein Mo­ tor vorgesehen, der als Verbrennungsmotor ausge­ bildet und im Rotorkopf selbst befestigt sein kann. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau, wobei der feststehende Rotorkopf keinen Drehmomentausgleich benötigt, was keine Maß­ nahmen für einen Heckrotor o. dgl. notwendig macht. Das einzige rotierende Organ im Rotor ist das Ansaugorgan, das keinen Drehmomentaus­ gleich benötigt. Hierzu genügt ein einfaches Seiten­ ruder, das am Heck des Drehflügelflugzeugs schräg oder kombiniert angelenkt sein kann und vom Ro­ tor von oben bis unten angeblasen wird, damit im Hooverzustand die gewünschte Drehung um die Hochachse ausgeführt werden kann.

Anstelle des Seitenruders können auch Steuerdüsen an beiden Seiten des Hecks ausgebildet sein, die über Verbindungsleitungen mit der Druckseite des Rotorkopfes verbunden sind.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Motor für den Antrieb des Ansaugorgans im Verbindungsweg zwischen dessen Druckseite und den hohlen Rotor­ blättern sitzt. Auf diese Weise wirkt die angesaugte Luft als Kühlung und dient gleichzeitig zur Aufla­ dung des Motors, der damit keinen Kompressor benötigt. Die Auspuffgase des Motors erzeugen ihrerseits einen zusätzlichen Druck in den Rotor­ blättern, der damit das Drehmoment erhöht; außer­ dem erwärmen sie die Rotorblätter und beugen dadurch einer Vereisung vor. Da die Auspuffgase nicht unmittelbar nach außen abgegeben werden, sondern in die Rotorblätter strömen, wirken diese schalldämmend, wodurch der Schallpegel des Hub­ schraubers sehr gering ist. Weiterhin vermindernd auf den Schallpegel wirkt sich die am Rotorkopf oben ausgebildete Ansaugöffnung aus, da sich der Schall hier trichterförmig nach oben verliert. An dieser Stelle ist noch darauf hinzuweisen, daß der durch das Ansaugorgan erzeugte Unterdruck eine zusätzliche Hubkraft auf das Flugzeug ausübt. In Weiterbildung der Erfindung ist der Rotorkopf hinter der Druckseite des Ansaugorgans als radial nach außen offener Ringraum ausgebildet, an des­ sen zylindrisch ausgebildeter, offener Mantelfläche ein radial nach innen offener, um die Achse des Rotorkopfes drehbarer Verbindungsring gelagert ist, der im Bereich von radialen Austrittsöffnungen die Rotorblätter trägt.

Da bei dieser Anordnung der Verbindungsring frei drehbar am Rotorkopf gelagert ist, sind keine Ein­ richtungen wie Freilauf oder Kupplung erforderlich, um den Rotor in Autorotation zu versetzen, wenn der Antrieb ausfällt. Die Rotorblätter selbst sind am Verbindungsring über Schlaggelenke und/oder Schwenkgelenke angebracht. Der Einstellwinkel für die Rotorblätter kann sehr klein gehalten werden, beispielsweise 4°, wodurch der konstruktive Vorteil erreicht wird, daß eine Umstellung auf Tragschrau­ berbetrieb entfällt.

Die Versteifung der Rotorblätter um die Schwenk­ gelenke läßt sich in sehr einfacher Weise durchfüh­ ren, da entsprechende Einrichtungen am festen Rotorkopf angebracht werden können, beispiels­ weise eine Taumelscheibe oder eine Nockensteue­ rung.

Um die Rotorebene zur Erzeugung einer Zugkraft für die Vorwärtsbewegung zu schwenken, ist es möglich, den Rotorkopf über ein Gelenklager ver­ stellbar am Drehflügelflugzeug zu befestigen. Bei einer derartigen Maßnahme entfallen die Einrich­ tungen zur Blattverstellung um die Schwenkgelen­ ke.

Zusätzlich kann der Rotorkopf am Drehflügelflug­ zeug in dessen Längsrichtung verstellbar befestigt sein, damit eine Trimmung des Ladeschwerpunktes durchgeführt werden kann.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind in jedem Rotorblatt zu den Austrittsschlitzen füh­ rend Ablenkrippen befestigt. Deren Länge nimmt vorzugsweise zur Spitze des Rotorblattes hin zu. Damit wird der durch das Rotorblatt strömende Luftstrom an jeder Ablenkrippe zu einem Teil zu dem jeweiligen Austrittsschlitz abgelenkt, während ein weiterer Teil zu den weiter hinten vorgesehenen Austrittsschlitzen gelangt.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausfüh­ rungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung darge­ stellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Drehflügelflugzeugs gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Teil des Rotors,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Rotorblatt,

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht des Rotors,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch den Rotor,

Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung der Rotorlage­ rung am Flugzeug und

Fig. 7 die schematische Darstellung einer Heckva­ riante,

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines Drehflügelflug­ zeuges 10 mit einem Rumpf 12, an dessen Ober­ seite ein Rotor 14 angebracht ist. Am Heck 16 ist ein Seitenruder 18 befestigt.

Wie vor allem Fig. 5 zeigt, besteht der Rotor 14 aus einem Rotorkopf 20, an dem vier Rotorblätter 22 gelagert sind. Der Rotorkopf 20 ist als ein nach oben offener Luftansaugstutzen 24 ausgebildet, in dem ein um die Achse des Rotorkopfes 20 drehbar angetriebener Impeller 26 gelagert ist, der Luft von oben ansaugt. Auf der Druckseite des Impellers 26 sind feststehende Leitschaufeln 28 angeordnet, die den Drall der angesaugten Luft ein Mindestmaß reduzieren. In Strömungsrichtung mit den Leit­ schaufeln 28 ist der Rotorkopf 20 zu einem radial nach außen offenen Ringraum 30 ausgebildet, an dessen zylindrisch ausgebildeter, offener Mantel­ fläche 32 über Wälzlager 34 ein Verbindungsring 36 um die Achse des Rotorkopfes 20 drehbar gela­ gert ist. Von dem Verbindungsring 36 gehen ent­ sprechend der Zahl der Rotorblätter 22 vier Stutzen 38 aus, die im Bereich ihrer radialen Austrittsöff­ nungen 40 das zugehörige Rotorblatt 22 tragen. Gemäß der Erfindung ist jedes Rotorblatt 22 hohl ausgebildet. Wie Fig. 3 zeigt, hat das Rotorblatt 22 an seiner Abströmkante 42 über die Blattlänge verteilte Austrittschlitze 44. In Fig. 2 ist zu erken­ nen, daß zu den Austrittsschlitzen 44 zugehörige Ablenkrippen 46 fuhren, die im Rotorblatt 22 aus­ gebildet sind und deren Länge zur Spitze 48 des Rotorblattes 22 hin zunimmt. Auf diese Weise wird die angesaugte Luft, die in das hohle Rotorblatt 22 strömt, im Bereich der ersten Ablenkrippe 46 zu einem Teil zum zugehörigen Austrittsschlitz 44 geführt, während ein dem Überstand der folgenden Ablenkrippe 46 entsprechender Teil zum nächsten Austrittsschlitz 44 gelenkt wird usw. Der an der Spitze 48 des Rotorblattes 22 ankommende Rest­ luftstrom tritt hier über den letzten Austrittsschlitz 44 nach außen.

Die an der Abströmkante mit hoher kinetischer Energie ausströmende Luft versetzt die Rotorblätter 22 in Drehbewegung und wirkt gleichzeitig als Verlängerung des Blattprofiles, wodurch dessen Auftrieb nochmals vergrößert wird.

An der geschilderten Drehung des Rotors 14 sind lediglich die Rotorblätter 22 sowie der Verbin­ dungsring 36 beteiligt, während der Rotorkopf 20 selbst stillsteht. In diesem dreht sich nur den Im­ peller 26.

Die Befestigung der Rotorblätter 22 an den Stutzen 38 des Verbindungsringes 36 erfolgt über nicht dargestellte Schlaggelenke und/oder Schwenkge­ lenke, so daß in bekannter Weise die Rotorblätter 22 um eine horizontale Achse kippen können, wäh­ rend die Schlaggelenke eine periodische Verstel­ lung der Rotorblätter 22 für die Veränderung des Anstellwinkels gestatten, beispielsweise über Steu­ ernocken oder eine Taumelscheibe.

Für den Drehantrieb des Impellers 26 ist ein Ver­ brennungsmotor 50 vorgesehen, der im Ausfüh­ rungsbeispiel als Sternmotor ausgebildet ist. Dieser ist in dem Ringraum 30 des Rotors 14 unterhalb der Leitschaufeln 28 fest angebracht. Seine nicht ge­ zeigte, senkrechte Antriebswelle ist mit dem Im­ peller 26 verbunden.

Die Anordnung des Motors 50 in dem Ringraum 30 hat den doppelten Vorteil, daß die vorbeistreichen­ de, vom Impeller 26 angesaugte Luft sowohl den Motor 50 kühlt als auch für dessen Aufladung sorgt, so daß dieser weder eine aufwendige Küh­ lung noch einen Kompressor benötigt. Die Aus­ puffgase des Motors 50 strömen ihrerseits in die hohlen Rotorblätter 22, wo sie einen zusätzlichen Druck erzeugen und gleichzeitig einer Vereisung der Rotorblätter 22 vorbeugen.

Die Fig. 5 und 6 deuten an, daß der gesamte, von einer Montageplatte 52 getragene Rotorkopf 20 in Richtung der Längsachse des Rumpfes 12 verstellt werden kann (Doppelpfeil A). Auf diese Weise kann der Pilot die Stellung des Rotors 14 an die Schwerpunktlage des Hubschraubers 10 anpassen. In Fig. 6 die gegenüber der Fig. 5 eine Variante darstellt, ist ferner zu erkennen, daß der Rotor 14 nicht starr mit der am Rumpf 12 gelagerten Monta­ geplatte 52 verbunden ist, sondern um zwei recht­ winklig zueinander verlaufende, horizontale Ach­ sen schwenkbar ist. Hierzu ist ein Gelenklager 54 vorgesehen, dessen Aussenschale 56 auf der Mon­ tageplatte 52 und dessen Innenschale 58 an der Unterseite des Rotorkopfes 20 befestigt ist. Von der Innenschale 58 stehen zwei Zapfen 60 ab, die in zwei zueinander rechtwinkligen Vertikalebenen liegen und in je eine Nut 62 eingreifen, welche in die Innenseite der Außenschale 56 eingearbeitet ist und in der zugehörigen Vertikalebene liegt. Mit dieser Ausbildung kann der Rotorkopf 20 innerhalb der beiden Vertikalebenen verschwenkt werden, ohne daß er sich um seine Hochachse dreht.

Über das Gelenklager 54 kann der Pilot den Rotor 14 und damit die Rotorblattebene schwenken, bei­ spielsweise nach vorn, so daß die Auftriebskraft eine Horizontalkomponente erhält, die den Vortrieb des Hubschraubers verursacht. Bei dieser Lösung sind periodische Verstellungen der Rotorblätter 22 um ihre Schwenkgelenke nicht erforderlich.

Das Seitenruder 18 des Drehflügelflugzeugs 10 ist gemäß Fig. 1 über eine schräge Gelenkachse 64 am Heck 16 angelenkt. Fig. 1 zeigt, daß das Seitenru­ der 18 außerdem kombiniert angelenkt sein kann, wozu es eine zusätzlich, vertikale Schwenkachse 66 aufweist.

Wenn das um seine schräge Gelenkachse 64 ausge­ schwenkte Seitenruder 18 vom Rotor 14 von oben nach unten angeblasen wird, führt der Rumpf 12 im Hooverzustand eine Drehung um die Hochachse durch.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Variante, mit der dieselbe Wirkung erzielt werden kann. Hierbei führen innerhalb des Rumpfes 12 vom Ringraum 30 des Rotorkopfes 20 zwei Verbindungsleitungen 68 zum Heck 16, wo sie in je eine schräg nach außen gerichtete Steuerdüse 70 münden. Durch Druckbe­ aufschlagung der entsprechenden Steuerdüse 70 kann eine Drehung des Rumpfes 12 um die Hoch­ achse eingeleitet werden.

Mit der Erfindung steht ein Drehflügelflugzeug zur Verfügung, das ein sehr günstiges Verhältnis des Leergewichtes zur Abflugmasse aufweist, dieses Verhältnis liegt bei etwa 40%. Das Gerät kann einfach geflogen werden und ist preisgünstig zu produzieren. Es hat eine sehr große Antriebslei­ stung. Aufgrund der wenigen bewegten Teile ist die Wartung einfach und kostengünstig. Wegen seines einfachen Aufbaus hat es ein geringes Eigenge­ wicht. Damit kann ein verhältnismäßig großes Blattgewicht verwirklicht werden, wodurch einer­ seits die dynamische Stabilität günstig ist und ande­ rerseits aufgrund einer guten Dämpfung die Insta­ bilität beim Schwebeflug sehr vermindert wird. Außerdem ergibt sich durch die Speicherung einer großen Drehenergie der Vorteil, daß bei Ausfall des Motors durch Hochfahren des Blattanstellwinkels wirksame Abfangmanöver durchgeführt werden können. Der Blatteinstellwinkel kann auf etwa 4° gehalten werden, wodurch der konstruktive Vorteil erreicht wird, daß eine Umstellung Tragschrauber­ betrieb entbehrlich ist.

Die nicht rotierende Ausbildung des Rotorkopfes 20 eröffnet die Möglichkeit, an seiner Oberseite eine Plattform anzubringen, die bei militärischem Einsatz einen Schutz darstellt und als Träger für eine Bewaffnung dienen kann.

Claims (11)

1. Drehflügelflugzeug mit Reaktionsantrieb, mit an einem Rotorkopf gelagerten hohlen Rotor­ blättern und einem Triebwerk, das ein Ansaug­ gebläse antreibt, das verdichtete Luft für den Reaktionsantrieb erzeugt, wobei das Ansaug­ gebläse im Rotorkopf angeordnet ist, dadurch gekennnzeichnet,
daß der Rotorkopf nicht drehbar ist,
daß am Rotorkopf ein Triebwerk in nicht drehbarer Weise angebracht ist,
daß die angesaugte Luft zur Kühlung über das Triebwerk geführt wird, bevor es in die hohlen Rotorblätter geleitet wird,
daß die Verbrennungsluft für das Triebwerk strom­ abwärts des Ansauggebläses aus dem verdichteten Luftstrom entnommen wird und
daß das Abgas des Triebwerkes ebenfalls in die hohlen Rotorblätter geleitet wird.

2. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) als Luftansaugstutzen (24) ausgebildet ist, in dem ein Ansaugorgan (26) gelagert ist, dessen Druckseite mit den hohlen Rotorblättern (22) verbunden ist.

3. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugorgan ein Im­ peller (26) ist, der um die Achse des Rotorkop­ fes (20) drehbar antrieben ist und dem in An­ saugrichtung feststehende Leitschaufeln (28) nachgeordnet sind.

4. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (50) ein Ver­ brennungsmotor ist.

5. Drehflügelflugzeug nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) hinter der Druckseite des Ansaugorgans (26) als radial nach außen offener Ringraum (30) ausgebildet ist, an des­ sen zylindrisch ausgebildeter, offener Mantel­ fäche (32) ein radial nach innen offener, um die Achse des Rotorkopfes (20) drehbarer Verbin­ dungsring (36) gelagert ist, der im Bereich von radialen Austrittsöffnungen (40) die Rotor­ blätter (22) trägt.

6. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (22) am Verbindungsring (36) über Schlaggelenke und/oder Schwenkgelenke angebracht sind.

7. Drehflügelflugzeug nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) über ein Gelenklager (54) verstellbar am Drehflügelflugzeug (10) befestigt ist.

8. Drehflügelflugzeug nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkopf (20) am Rumpf (12) des Drehflügelflugzeugs (10) in dessen Längs­ richtung verstellbar befestigt ist.

9. Drehflügelflugzeug nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rotorblatt (22) zu den Austrittsöff­ nungen (44) führende Ablenkrippen (46) befe­ stigt sind.

10. Drehflügelflugzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Ablenkrip­ pen (46) zur Spitze des Rotorblattes (22) hin zunimmt.

11. Drehflügelflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Heck (16) an beiden Seiten je eine Steuerdüse (70) hat, die über Verbindungsleitungen (68) mit der Druckseite des Rotorkopfes (20) ver­ bunden sind.