DE4008956A1 - Einlaufsystem fuer ueber- oder hyperschallflugzeuge - Google Patents

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.