DE4008956A1 - Einlaufsystem fuer ueber- oder hyperschallflugzeuge - Google Patents
Einlaufsystem fuer ueber- oder hyperschallflugzeugeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Einlaufsystem für Über- oder Hyper
schallflugzeuge gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
Einlaufsysteme für Überschallflugzeuge sind in diversen Ausführungsfor
men bekannt, wie beispielsweise aus den US-PS 37 17 163 und 44 18 879.
Bei allen diesen bekannten Ausführungsformen handelt es sich um Tur
bojet- und Ramjet-Einläufe, denen die Luft für den Triebwerksbetrieb
über eine Rampenplatte oder über einen Rampenkasten zugeführt wird.
Diese Ausführungsformen sind jedoch für Einlaufsysteme mit einem Turbo
jet-Einlauf und einen dazu parallel angeordneten Raumjet-Einlauf nicht
geeignet. Hiermit ist nämlich weder eine Steuerung einer differenzierten
Luftzuführung zu dem jeweiligen Einlauf bei einer gleichzeitigen Steue
rung der gesamten Luftzufuhr zum gemeinsamen Lufteinlaßbereich noch eine
Grenzschichtabführung möglich.
Außerdem sind die vom bisherigen Stand der Technik angebotenen Einlauf
systeme für den Einsatz im Hyperschallbereich von 4,5 Mach bis 6,8 Mach
schon aufgrund der auftretenden hohen Druckbelastungen und Temperaturen
nicht verwendbar. Die höchsten Einlauf-Rampenbelastungen treten im Be
reich des Halsquerschnittes auf und der Druck nach dem Halsquerschnitt
wächst von ungefähr 4 bar bis zu 5,5 bar. Das bedeutet, daß das Einlauf
system strukturell erhöhten Anforderungen entsprechen muß.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einlaufsystem
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem aerodynamisch, räumlich
und gewichtsmäßig optimiert die Einläufe auf einfache Weise in die Be
triebsart Turbojet-Betrieb und/oder Ramjet-Betrieb geschaltet werden
können, gleichzeitig der Gesamteinlaufdruck sowie die Abführung der
Grenzschichtluft steuerbar ist und das Einlaufsystem biege- und tor
sionssteif sowie temperaturfest ausführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1
aufgeführten Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin begründet, daß die
Einlauframpe mittels deren beweglichen Einzelsegmenten stets eine strö
mungsgünstige Einlaufkontur bis zum Halsquerschnitt, d. h. bis zum Be
reich der engsten Stelle des Einlaufs bilden kann und dabei flugge
schwindigkeitsabhängig dort präzise dessen Öffnungsweite regelbar ist.
Hiermit wird das sogenannte, für den Triebwerksbetrieb schädliche Pumpen
und Brummen verhindert.
Die kastenförmige Bauweise der Einlauframpe stellt gegen die bei hohen
Überschall- und Hyperschallgeschwindigkeiten auftretenden sehr hohen Be
lastungen eine extrem biege- und torsionssteife Struktur dar, die form
stabil die geforderte Konturgenauigkeit einhält.
Gleichzeitig ist es durch die Kastenbauweise der Einlauframpe möglich,
durch diese die an der Fluggerätezelle vor dem Einlauf sich bildende
energiereiche Grenzschichtluft über den Ramjet-Einlauf in das Ramjet-
Triebwerk in mehrfach vorteilhafter Weise abzuführen, wobei die abzufüh
rende Grenzschichtluftmenge mittels einer an der Einlauframpe schwenkbar
angeordneten Einlaufplatte steuerbar ist.
Des weiteren ist bei dem Einlaufsystem das zwischen dem Turbojet-Einlauf
und dem Ramjet-Einlauf schwenkbar angeordnete Umschaltelement als Um
schaltröhre von großen Vorteil, da dessen Verschwenkung in der Regel
synchron mit der Einlauframpe, aber auch für sich selbst, für die Luft
zuführung zu dem entsprechenden Lufteinlauf oder gleichzeitig zu beiden,
regelbar ist. Die Innenkontur des Umschaltelementes ist zur Verhinderung
von Strömungsverlusten genau an die jeweilige Innenkontur des Turbojet
bzw. Ramjet-Einlaufs formschlüssig angepaßt.
Gegenüber den hohen Temperatur- und Druckbelastungen, die bis zu 1800°
und 5,5 bar bei Ramjet-Betrieb betragen, ist die Geometrie des Umschalt
elementes dahingehend optimiert, daß aufgrund der geometrischen Ausfüh
rung von diesem nur der Differenzdruck zwischen dem Tubojet- und dem
Ramjet-Einlauf aufgenommen werden muß und dabei dessen thermisch expo
nierte Oberfläche relativ klein gehalten werden konnte. Die Drehpunkt
plazierung am Umschaltelement stellt bezüglich der sich z. B. aus dem
Strömungsimpuls ergebenden Schaltkräfte ebenfalls ein Optimum dar, wo
durch der Umschaltvorgang sehr schnell erfolgen kann und damit strö
mungstechnisch ein hoher Sicherheitsfaktor gegeben ist.
Außerdem sind die Einlaufplatte, die Einlauframpe und das Umschaltele
ment insgesamt oder für sich einzeln mittels einer Steuer- bzw. Regel
einheit steuer- bzw. regelbar.
Das gesamte Einlaufsystem ist ferner geometrisch derart einfach gestal
tet, daß es z. B. aus allen hochtemperaturfesten metallischen und pulver
metellurgischen Werkstoffen sowie aus Faser-, Kohle- und Keramikwerk
stoffen gefertigt werden kann.
In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert
und in den Figuren der Zeichnung dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Explosionszeichnung der Komponenten des Einlaufsystems,
Fig. 2a eine perspektivische Ansicht eines Hohlkasten-Elementes mit Fe
derblech-Element der Einlauframpe,
Fig. 2b eine perspektivische Ansicht eines Hohlkasten-Elementes mit Fe
derblechrahmen,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Umschaltelementes,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Einlaufsystems in Seitenan
sicht, wobei die Stellung der Einlauframpe und des Umschaltele
mentes bei verschiedenen Machzahlen dargestellt ist.
In Fig. 1 ist aus einer Explosionsdarstellung das gesamte Einlaufsystem
1 ersichtlich, wobei mit 10 die Einlauframpe, mit 30 der mit der Ein
lauflippe 31 versehene Turbojet-Einlauf, mit 20 der sich hierzu parallel
erstreckende Ramjet-Einlauf und mit 100 das Umschaltelement bezeichnet
ist. Letzeres ist in der hier als Zwischenwand zwischen weiteren Einläu
fen gezeigte Flugzeugstruktur 41 schwenkbar gelagert.
Das Umschaltelement 100 ist derart geometrisch gestaltet, daß hiermit
durch dessen vertikales Verschwenken die Einlaufluft entweder in den un
teren Turbojet-Einlauf 30 oder in den oberen Ramjet-Einlauf 20 oder in
beide gleichzeitig geleitet werden kann, wie später noch näher erläutert
wird.
Im übrigen dient die Oben-Untenanordnung der Einläufe hier nur als Bei
spiel, da die Einläufe tatsächlich auch nebeneinander, in verschiedenen
Ebenen zueinander und durchaus nicht parallel zueinander verlaufen müs
sen, wobei dann auch das Umschaltelement 100 und die Einlauframpe 10 in
die entsprechende Richtung verschwenkbar sein muß.
Die in diesem Beispiel vertikal verschwenkbare Einlauframpe 10 besteht
aus einem oder mehreren gegenseitig beweglich gelagerten Hohlkasten-Ele
menten, von denen in diesem Ausführungsbeispiel drei mit der Bezeichnung
11a, 11b und 11n aufgeführt sind. Dem vorderen Hohlkasten-Element 11a
ist eine Einlaufplatte 12 zugeordnet, die zur Steuerung der Abführmenge
der Grenzschichtluft - wie später noch beschrieben wird - mittels hy
draulischer oder sonstiger Verstellemente 13 verschwenkbar ist.
Aus der Fig. 2a geht die kastenförmige Bauweise - die u. U. auch eine
runde Form aufweisen kann - für ein typisches Hohlkasten-Element 11a bis
11n der Einlauframpe 10 hervor, das im Innenraum mit nur einem geringen
Strömungswiderstand behaftete Versteifungsstreben 51 oder Zugelemente
aufweist. Das Hohlkasten-Element 11a bis 11n ist außerdem an der Ober
kante mit einem Federblech-Element 14 versehen, das in das Nachbar-Hohl
kasten-Element 11a bis 11n eingreift, um die beim gegenseitigen Ver
schwenken der Hohlkasten-Elemente entstehenden Spalte abzudecken. Ferner
ist für eine gegenseitige Verbindung das Hohlkasten-Element 11a bis 11n
an der unteren Flächenkante 52 z. B. mit einer Nut 53 ausgestattet und
für den Nuteingriff das Hohlkasten-Element 11a bis 11n nach der Fig. 2b
mit einer Feder 54 versehen. Anstatt einer Nut- und Federverbindung kann
an den Hohlkasten-Elementen 11a bis 11n auch ein Gelenklager 55 vorgese
hen sein.
Das Hohlkasten-Element nach der Fig. 2b unterscheidet sich von dem nach
der Fig. 2a nur dadurch, daß hier ein Federblechrahmen 15 gezeigt wird,
der zur Spaltabdeckung von einem Hohlkasten-Element in das andere greift
und dabei neben der oberen Abdeckung in vorteilhafter Weise auch die
Seitenspalte abdeckt.
In der Fig. 3 sind zum besseren Verständnis verschiedene Ansichten des
verschwenkbaren Umschalt-Elementes 100 (Umschaltröhre) dargestellt, wo
bei dessen unteres Segment 101 genau an die Innenkontur des Turbojet-
Einlaufs 30 angepaßt ist und dabei dessen aufliegende Oberschale bildet.
Mit 102 ist das entsprechende obere Segment beziffert, das rohrförmig
genau dem Ramjet-Einlauf 20 entspricht. Am Umschaltelement 100 ist au
ßerdem ein Zentralgelenk 40 angeordnet, mittels dem das Umschaltelement
100 in der Flugzeugstruktur 41 schwenkbar gelagert ist. Zusätzlich weist
das Umschaltelement 100 an seiner Vorderseite verstellbare bzw. bewegli
che Dichtlippen 103 auf, die die beim Umschalten entstehenden Spalte zu
den Einläufen 20, 30 und zum Hohlkasten-Element 11a der Einlauframpe 10
selbsttätig abdecken. Das Hohlkasten-Element 11n ist konturmäßig im ver
schwenktem Zustand genau an die Form der Einlauflippe 31 anpaßbar.
Die Fig. 4 zeigt die einzelnen Stellungen der Einlauframpe 10, der Ein
laufplatte 12 und des Umschaltelementes 100 bei verschiedenen Machzahlen
vom Unterschall bis M 6,8.
Für den Unterschallbetrieb nach a) ist die Einlauframpe 10 und das Um
schaltelement 100 mittels der hydraulischen Verstellelemente 13 oder
sonstiger Betätigungsmittel nach oben geschwenkt, wodurch der Halsquer
schnitt 2 des Turbojet-Einlaufs 30 im Bereich der Einlauflippe 31 für
den Betrieb des Turbojet-Triebwerkes 33 weit geöffnet ist. Durch die
obere Stellung des Umschaltelementes 100 ist der Ramjet-Einlauf 20 ge
genüber dem Halsquerschnitt 2 dabei verschlossen. Jedoch ist der Zugang
zum Ramjet-Einlauf 20 über die kastenförmige Einlauframpe 10 für die Ab
führung der vor dieser an der Außenkontur 32 des nicht dargestellten
Fluggerätes gebildeten Grenzschichtluft frei. Hierzu wird die am oder
nahe am Hohlkasten-Element 11a angeordnete Einlaufplatte mittels des
Verstellelementes 13 nach oben gegen die Fluggerätekontur 32 gezogen.
Die Abbildung b) zeigt die Einlauframpe 10 für den M 1,5-Bereich bereits
geringfügig nach unten verschwenkt, um den Halsquerschnitt zu verengen,
wobei sich das Umschaltelement 100 für den Turbojet-Betrieb sowie die
Einlaufplatte 12 für die Grenzschichtluftabführung durch den Ramjet-Ein
lauf 20 nach wie vor in der oberen Stellung befinden.
Außerdem sind hier die mit der Einlauframpe 10 in Kontakt befindlichen
Dichtlippen 103 erkennbar, von denen dann in der Abbildung d) die untere
einen Spalt in der unteren Position, d. h. nahe der Einlauflippe 31 ab
deckt.
Die beiden Abbildungen nach c) und d) zeigen mit dem Turbojet-Betrieb
einerseits und mit dem Ramjet-Betrieb andererseits, die beiden möglichen
Betriebsarten für den M 3,5-Bereich mit stark verengtem Halsquerschnitt
2.
Beim Turbojet-Betrieb nach c) wird die Einlauframpe 10 für die zusätzli
che Halsquerschnittsverengung (gegenüber b)) noch weiter nach unten ge
schwenkt, wobei das Umschaltelement 100 zwar mitgeschwenkt wird, jedoch
noch vollständig nach der Einlauframpe 10 ausgerichtet bleibt und damit
ist noch weiterhin eine Grenzschichtluftabführung möglich.
Nach der Abbildung d) erfolgt der reine Ramjet-Betrieb, d. h. es wird
hierzu das Umschaltelement 100 bei gleichbleibender Einlauframpenstel
lung vollständig nach unten verschwenkt und der Turbojet-Einlauf 30 da
durch verschlossen, wodurch die Einlaufluftströmung nun ausschließlich
dem Ramjet-Einlauf 20 zugeleitet wird. Mittels der nach unten ver
schwenkten Einlaufplatte 12 ist hiermit für die Grenzschichtluft der Zu
gang zur Einlauframpe 10 sperrbar. Dies setzt sich in der Abbildung nach
e) mit weiter stark verengtem Halsquerschnitt 2 des Einlaufs für den
Ramjet-Betrieb bei der Hyperschallgeschwindigkeit von z. B. M 6,8 fort.
Bei der Rampenposition nach c) und d) ist es auch denkbar, daß in nicht
gezeigter Weise mit einem z. B. halb nach unten geschwenktem Umschaltele
ment 100, das dann nur noch in halber Höhe mit der Einlauframpe 10
fluchtet, ein gleichzeitiger Betrieb des Turbojet-Triebwerkes 33 und des
Ramjet-Triebwerkes 22 über deren Einläufe 30, 20 möglich ist, wobei da
mit immer noch ein Teil oder die gesamte Grenzschichtluft über den Ram
jet-Einlauf 20 abgeführt werden könnte.
Die Einlauframpe 10, die Einlaufplatte 12 und das Umschaltelement 100
sind mittels den hydraulischen oder sonstigen Verstellelementen 13, wie
Zylinder oder Spindeln, über eine oder mehrere Steuer- bzw. Regeleinhei
ten 50 gemeinsam, relativ zueinander oder einzeln für sich steuer- bzw.
regelbar. Die gemeinsame Steuerung oder Regelung aller verschwenkbaren
Komponenten 10, 12, 100 ist insbesondere für den Bereich bis zur unteren
Überschallgeschwindigkeit denkbar, während ab dem höheren Überschallbe
reich eine Einzelsteuerung bzw. -regelung vorteilhafter sein dürfte.
Das gesamte Einlaufsystem, einschließlich der verschwenkbaren Komponen
ten kann aus hochtemperaturfesten metallischen und pulvermetallurgischen
Werkstoffen sowie aus Faser-, Kohlestoff- und Keramikverbundwerkstoffen
gefertigt werden.
Claims (8)
1. Einlaufsystem für Über- oder Hyperschallflugzeuge für die Luftzu
führung zu Turbojet- und Ramjet-Triebwerken, wobei das Einlaufsystem mit
einer kastenförmig ausgebildeten, verschwenkbaren Einlauframpe versehen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Einlaufquerschnitt (2) ver
ändernde Einlauframpe (10) aus mehreren gegeneinander beweglich gelager
ten und verschwenkbaren Hohlkasten-Elementen (11a, 11b, . . .11n) und ei
ner schwenkbaren Einlaufplatte (12) besteht und daß das Einlaufsystem
(1) ein mit der Einlauframpe (10) korrespondierendes und verschwenkbar
angeordnetes Umschaltelement (100) aufweist, mittels dem die Luftzufüh
rung zu parallel zueinander angeordneten Turbojet- und Ramjet-Einläufen
(30, 20) regelbar ist.
2. Einlaufsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
mit Versteifungsstreben (51) versehbaren Hohlkasten-Elemente (11a bis
11n) an deren unteren Flächenendkanten (52) auf der offenen einen Seite
als Nut (53) und auf der anderen offenen Seite als Feder (54) ausgebil
det sind, die jeweils in eine entgegengesetzt ausgebildete Ausführungs
form des Nachbar-Hohlkasten-Elementes eingreifen, oder daß jeweils zwei
benachbarte Hohlkasten-Elemente (11a bis 11n) bzw. das Hohlkasten-Ele
ment (11a) mit der Einlaufplatte (12), durch ein Gelenklager (55) mit
einander beweglich verbunden sind.
3. Einlaufsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hohlkasten-Elemente (11a bis 11n) mit einem zumindest an deren Oberkan
ten befestigten Federblech-Element (14) oder mit einem Federblechrahmen
(15) versehen sind, das bzw. der in den Hohlraum des benachbarten Hohl
kasten-Elementes oder in den Ramjet-Einlauf (20) einführbar ist.
4. Einlaufsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Umschaltelement (100) mittels eines Zentralgelenks (40) zwischen dem
Turbojet-Einlauf (30) und dem Ramjet-Einlauf (20) in der Fluggeräte
struktur (41) schwenkbar gelagert ist.
5. Einlaufsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü
che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Umschaltelement
(100) aus einem unteren, dem Turbojet-Einlauf (30) formschlüssig ange
paßten Segment (101) und einem dem Ramjet-Einlauf (20) entsprechenden
Kanal-Segment (102), sowie aus der Einlauframpe (10) zugewandten und
verstellbar angeordneten Dichtlippen (103) zusammensetzt.
6. Einlaufsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß das Umschaltelement (100) synchron mit der Einlauframpe (10)
und deren Einlaufplatte (12) durch eine für alle Verstellelemente (13)
gemeinsame Steuer- bzw. Regeleinheit (50) in die verschiedenen Machzahl
positionen gefahren wird.
7. Einlaufsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß die Verschwenkung des Umschaltelementes (100), der Einlaufram
pe (10) und der Einlaufplatte (12) relativ zueinander oder einzeln für
sich mittels einer oder mehreren Steuer- bzw. Regeleinheiten (50) be
werkstelligbar ist.
8. Einlaufsystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Einlauframpe (10) und das Umschaltelement (100) nebst al
len Einzelelementen aus hochtemperaturfesten metallischen und pulverme
tallurgischen Werkstoffen sowie aus Faser-, Kohlenstoff- und Keramikver
bundwerkstoffen fertigbar sind.
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Family
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