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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Klappenanordnung für einen Flügel, wie z.B. einen Flugzeugflügel.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine
Klappenanordnung, die für ein Flugzeug geeignet ist, an das
mannigfaltige Anforderungen gestellt werden, wie z.B.
kurze Start- und Landestrecken.
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Es ist bekannt, kommerzielle Flugzeuge mit einzelnen,
doppelten oder dreifachen geschlitzten Klappen zu
versehen, die sich entlang gekrümmter Schienen bewegen.
Obwohl diese Anordnung beinahe optimale Klappenstellungen
zum Starten und Landen und kleine Verkleidungen bietet,
die einen geringen Luftwiderstand aufweisen, sind die
Halterungen der Klappenführungen schwer und weisen im Betrieb
beträchtliche inhärente Probleme auf, die hauptsächlich
von der Berührung mit den stark belasteten Rollen
herrühren, die Teil der Klappenanordnung sind.
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Es ist erwünscht, ein Klappensystem schaffen zu
können, das die aerodynamischen Eigenschaften der
schienengeführten Klappen hat, insbesondere für Flugzeuge, die
mit einem Anforderungsmix geflogen werden, wie z.B.
Kurz- und Langstrecken, mittlere Startgewichte und kurze
Landebahnlängen. Es ist daher ohne weiteres verständlich, daß
ein Bedarf für ein Klappensystem besteht, das die
wünschenswerten Eigenschafen der schienengeführten Klappen
besitzt, während es einige ihrer Nachteile vermeidet.
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Es wurde festgestellt, daß die für ein Flugzeug
geeignete Ausführungsform der Klappenanordnung durch die
folgenden drei Grundanforderungen an das Flugzeug
festgelegt
sind: -
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1. Die Länge der Landebahn und die maximale
Landegeschwindigkeit des Flugzeuges. Diese bestimmen die
Gesichtspunkte der Klappengröße für Flugzeuge kurzer
und mittlerer Reichweite, die eine hohe
Flügelbelastung bei Operationen von kurzen Startbahnen aus
haben, einschließlich der Flugzeuge, mit einer kurzen
Start- und Landestrecke. Selbstverständlich ist die
Klappe beim Landen voll ausgefahren, damit sie einen
größtmöglichen Auftriebskoeffizienten erzeugt.
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2. Die maximale Länge der Startbahn oder -strecke. Dies
beeinflußt zusammen mit der Anforderung einer sehr
kurzen Startstrecke die Klappenanordnung,
insbesondere bei Flugzeugen mit einem großen Verhältnis
zwischen Schub und Gewicht.
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3. Der Steigwinkel im zweiten Segment mit einem
abgeschalteten Triebwerk. Zur Gewährleistung der
Sicherheit verlangen die Zulassungsbehörden einen Nachweis
darüber, daß ein Flugzeug auch beim Ausfall eines
Triebwerks steigen kann. Mit "zweitem Segment" ist
der Abschnitt des Startvorgangs zwischen 35 und 400
Fuß Höhe über der Startfläche gemeint, in welchem ein
bestimmter minimaler Steigwinkel mindestens erreicht
werden soll. Diese Anforderung bestimmt im
wesentlichen die Konfiguration der Klappen für zwei-und
dreimotorige Flugzeuge, die eine hohe Flügelbelastung
haben. Um mit einem abgeschalteten Triebwerk den
minimalen Steigwinkel zu erreichen, muß das Verhältnis
von Auftrieb zu Luftwiderstand des Flugzeuges
optimiert werden. Große Verhältnisse zwischen Auftrieb
und Luftwiderstand können mit großer Fowler-Bewegung
bei kleinen Klappenanstellwinkeln erreicht werden.
Weil die Klappenstellung zum Starten und zum Steigen
im zweiten Segment normalerweise dieselbe ist, ist
die Startstellung sowohl von der Startbahnlänge als
auch von dem Steigungswinkel im zweiten Segment
bestimmt.
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Unter der Voraussetzung, daß die Zwischenstellungen
der Klappen nicht kritisch sind, sind die Auswahlkriterien
für den Mechanismus folgende; Einfachheit; hohe
Zuverlässigkeit und geringe Kosten, geringe Belastung, d.h.
geringes Gewicht; und Kompaktheit mit einem dementsprechend
geringen Luftwiderstand. Wenn es jedoch unumgängliche
Anforderungen an die Startbahnlänge und an den Steigwinkel
im zweiten Segment mit einem abgeschalteten Triebwerk
gibt, sind die Zwischenstellungen der Klappen kritisch.
Folglich müssen Flugzeuge, die diesen Anforderungen
genügen müssen, ein Klappensystem haben, das eine sehr große
Fowler-Bewegung bei kleinen Klappenanstellwinkeln bietet
und bei dem der größte Teil der Klappenverschwenkung am
Ende der Ausfahrbewegung der Klappen in ihre nach unten
ausgefahrene Stellung auftritt.
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Es wurde daher darüber nachgedacht, einen einfachen
Klappenmechanismus zu schaffen, der nicht schienengeführt
ist, eine hinreichende Fowler-Bewegung ermöglicht und nur
eine kleine Verkleidung für die Klappenhalterung benötigt,
die einen geringen Luftwiderstand im Reiseflug hat.
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Ein früher vorgeschlagener Klappenmechanismus hat
eine sogenannte zylindrische Geometrie, bei der das Ausmaß
der Klappenausfahrbewegung gleichmäßig ist. Das bedeutet,
daß die Lenkergeometrie für jeden im Abstand der Spanten
angeordneten Mechanismus zum Ausfahren der Klappen
dieselbe Größe hat. Diese zylindrische Klappenbewegung bietet
jedoch nicht die gewünschte aerodynamische Belastung längs
der Spanten und längs der Profilsehne von Flügeln mit
konischem Profil.
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Ein weiterer früher vorgeschlagener
Klappenmechanismus ist in der US-Patentschrift 4 353 517 offenbart. Diese
Anordnung weist eine vordere Klappe, eine hintere Klappe
und eine Haltestruktur auf, die sich von dem unteren
hinteren Abschnitt des Flugzeugflügels nach unten und nach
hinten erstreckt. Diese Haltestruktur befindet sich direkt
unterhalb der Klappen, wenn sich diese Klappen in ihrer
eingefahrenen Stellung befinden. Ein erster gemeinsamer
Lenker ist an der Haltestruktur und an jeder der beiden
Klappen angelenkt. Ein zweiter Lenker verbindet die
Haltestruktur mit der vorderen Klappe, und ein dritter Lenker
verbindet einen Haltearm der vorderen Klappe mit der
hinteren Klappe. Diese Lenker bilden eine
Parallelogrammlenkeranordnung, die die beiden Klappen zwischen ihrer
eingefahrenen Stellung und ihrer nach unten und nach
hinten ausgefahrenen Stellung hin- und herbewegt. Der
Oberbegriff von Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung
basiert auf der Druckschrift US-A-4 353 517.
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Ein weiterer Klappenmechanismus ist in der
US-Patentschrift Nr. 4 248 395 offenbart. Diese Anordnung weist
eine mit einem Holm an einem Flugzeugflügel befestigte
Trägerstange auf. Eine vordere Klappe ist mit Lenkern an
der Trägerstange befestigt, um sich zwischen einer
eingefahrenen und einer nach unten ausgefahrenen Stellung zu
bewegen. Eine hintere Klappe ist von der vorderen Klappe
gehaltert, und durch Verschwenkung eines Aktuators sind
diese beiden Klappen zwischen ihrer eingefahrenen und nach
unten ausgefahrenen Stellung hin und her bewegbar.
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Die französische Patentschrift Nr. 994 382 offenbart
eine Klappenanordnung, die eine Nasenklappe aufweist, die
an einem mit einem Flugzeugflügel verbundenen Kragarm d
befestigt ist. Die Klappe a ist durch zwei
Verbindungsstangen e und f mit dem Kragarm d verbunden, die mit ihren
oberen Enden an in Längsrichtung beabstandeten Stellen 1
und 2 an dem Kragarm d und mit ihren unteren Enden an in
Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen 3 und 4 an
der Klappe a angelenkt sind.
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Die US-A-4 248 395 (D2) offenbart eine
Klappenanordnung
mit einem Lenker 6, der mit einem Lagerzapfen 8 auf
einem Träger 1 befestigt ist, so daß die Bewegung des
Lenkers 6 formschlüssig gesteuert ist.
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Ein Drehzapfen 10, der den Lenker 6 mit einem
Klappenbereich F1 verbindet, bildet ein Kugelgelenk, und die
Drehzapfen 11 und 12, die das Ende des Lenkers 7 mit dem
Träger 1 und dem Klappenbereich F1 verbinden, sind
Kugelgelenke. Diese Kugelgelenkzapfen ermöglichen es dem
Klappenbereich F1, gegenüber dem Lenker 6 und dem Lenker 7
gegenüber dem Träger 1 und gegenüber dem Klappenbereich F1
zu verschwenken.
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Die oben genannten Klappenanordnungen sind nur unter
Schwierigkeiten für die benötigten Schwenkbewegungen der
Klappen gegenüber dem Flügel einzurichten, die auftreten,
während sich die Klappe aus ihrer eingefahrenen Stellung
in die nach hinten und unten ausgefahrene Stellung bewegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten
zu beseitigen und gemäß der vorliegenden Erfindung wird
eine Klappenanordnung für einen Flügel geschaffen, wobei
die Anordnung aufweist; eine an dem Flügel befestigte und
aus der Unterseite des Flügels nach hinten vorstehende
Tragstruktur, eine Klappe, einen aus der Klappe
vorragenden Kragarm, eine Lenkeranordnung, die den Kragarm mit der
Tragstruktur derart verbindet, daß die Klappe zwischen
einer hohen, vorderen und eingefahrenen Stellung und einer
nach hinten und unten ausgefahrenen, tiefen Stellung an
der Tragstruktur hin- und herbewegbar gelagert ist, wobei
die Lenkeranordnung so dimensioniert und angeordnet ist,
daß der größte Teil der Klappenrotation in dem hinteren
Abschnitt des Bewegungshubes der Klappe erfolgt, und
Mittel zur Betätigung der Lenkeranordnung, um die Klappe
zwischen der eingefahrenen und der nach unten ausgefahrenen
Stellung hin- und herzubewegen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lenkeranordnung zwei Lenker aufweist, die beide
jeweils mit ihrem einen Ende an der Tragstruktur und mit
ihrem anderen Ende an dem Kragarm derart schwenkbar
gelagert sind, daß sich die Lagerung des anderen Endes
unterhalb der Lagerung des einen Endes befindet und unterhalb
bleibt, daß einer der Lenker hinsichtlich der Lagerung des
einen seiner Enden nur um seine Schwenkachse einen
rotatorischen Freiheitsgrad aufweist und daß die Lagerung des
anderen Endes dieses Lenkers und beide Lagerungen des
anderen Lenkers bezüglich aller Ebenen rotatorische
Freiheitsgrade aufweisen.
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Das Betätigungsmittel kann zwischen dem Flügel oder
einer zugeordneten Struktur und dem Kragarm angeordnet
sein.
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Vorzugsweise kann der Klappenmechanismus eine Anzahl
von in Querrichtung voneinander beabstandeten
Tragstrukturen, Lenkeranordnungen und ein oder mehrere
Betätigungsmittel aufweisen, die so dimensioniert und gestaltet sind,
daß sie die Bewegung der Klappe bewirken. Wenn sich der
Grundriß des Flügels verjüngt, kann die Lenkeranordnung so
gestaltet sein, daß in dem Bereich jeder Lenkeranordnung
die Bewegungsstrecke der Klappe zu der Länge der
Flügelprofilsehne proportional ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand
der begleitenden, veranschaulichenden und schematischen
Zeichnung beschrieben:
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Fig. 1 zeigt eine erste Klappenanordnung in ihrer
eingefahrenen Stellung,
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Fig. 2 zeigt die erste Klappenanordnung in ihrer
nach unten ausgefahrenen Stellung,
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Fig. 3 zeigt ein Schaubild mehrerer Parameter der
Klappenanordnung,
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Fig. 4 zeigt eine zweite Klappenanordnung,
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Fig. 5, 6 und 7 stellen weitere erfindungsgemäße
Klappenanordnungen dar und
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Fig. 8 stellt einen Mechanismus dar, der eine
Schwenkbewegung der Klappe ermöglicht.
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Der Übersichtlichkeit halber sind einander
entsprechende Teile in den verschiedenen Klappenanordnungen der
Erfindung mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 weist eine
Klappenanordnung eine an der Hinterkante eines Flugzeugflügels 4
angeordnete Klappe 2 auf, die sich zwischen einer in Fig.
1 dargestellten eingefahrenen Stellung und einer in Fig. 2
dargestellten nach unten ausgefahrenen Stellung 6 hin- und
herbewegt.
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Ein länglicher Befestigungsarm 8 ist mit Bolzen 10 an
der Unterseite des Flügels 4 befestigt und erstreckt sich
von der Unterseite des Flügels aus nach hinten. Ein
flossen- oder plattenförmiger Kragarm 12 erstreckt sich,
teilweise an den Befestigungsarm 8 angrenzend, von der
Klappe 2 nach unten.
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Eine Lenkeranordnung umfaßt zwei Lenker 14 und 16,
die jeweils mit ihren oberen Enden 18 und 20 an in
Längsrichtung voneinander beabstandeten Bereichen des hinteren
Abschnittes des Befestigungsarmes 8 angelenkt sind. Die
Lenker 14 und 16 sind an ihren unteren Enden 22 und 24 an
in Längsrichtung voneinander beabstandeten Teilen des
unteren Teiles des Kragarmes 12 angelenkt.
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Ein Betätigungsmechanismus 26 zur Bewegung der Klappe
2 zwischen ihrer eingefahrenen und ihrer ausgefahrenen
Stellung ist an einem ortsfesten Teil des Flugzeugflügels
4 befestigt und mit einem an der Klappe befestigten
vorderen
Befestigungsbügel 42 verbunden. Der
Betätigungsmechanismus 26 ist als linearer Mechanismus ausgeführt.
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Wenn sich im Reiseflug die Klappe 2 in ihrer
eingefahrenen Stellung befindet, erkennt man in Fig. 1, daß die
Klappe innerhalb einer Ausnehmung an der Hinterkante des
Flügels 4 liegt, die durch eine obere Abdeckplanke 28 und
eine untere Planke 30 begrenzt ist. Diese obere
Abdeckplanke kann entweder ortsfest sein oder sie kann
alternativ hierzu aus ihrer dargestellten Stellung nach oben
bewegbar sein, um als Spoiler zu wirken, um den Auftrieb
des Flugzeuges zu verhindern oder zu reduzieren.
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Um die Klappe 2 aus ihrer in Fig. 1 dargestellten
eingefahrenen Stellung in ihre in Fig. 2 dargestellte
ausgefahrene Stellung zu bewegen, wird der
Betätigungsmechanismus 26 betätigt, um den Kragarm 12 aus seiner
eingefahrenen Stellung nach hinten in seine nach unten
ausgefahrene Stellung zu bewegen. Diese von dem
Betätigungsmechanismus 26 erzeugte, nach hinten gerichtete Bewegung des
Kragarmes 12 verschwenkt die Lenker 14 und 16 gegen den
Uhrzeigersinn, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
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Die Abstände und Abmessungen dieser Lenker 14 und 16 sind
derart, daß bei der Bewegung der Klappe aus ihrer
eingefahrenen in ihre ausgefahrene Stellung erstens der Kragarm
12 und folglich die Klappe 2 zunächst nach unten und nach
hinten im wesentlichen parallel zu dem Flügel 4 bewegt
werden, um es der Klappe 2 zu ermöglichen, von der
Abdeckplanke 28 freizukommen, und zweitens der größte Teil der
Verschwenkung der Klappe 2 anschließend an die genannte
anfängliche, nach hinten gerichteten Bewegung der Klappe 2
erfolgt.
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Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist, daß der
Haltemechanismus der Klappe so dimensioniert ist, daß
zwischen dem oberen Umriß der Klappe 2 und der Unterseite
der unteren Abdeckplanke 30 ein Kanal gebildet wird, wenn
die Klappe 2 aus ihrer eingefahrenen in ihre ausgefahrene
Stellung bewegt wird. Dieser Luftkanal hat eine in der
Hauptströmungsrichtung der Luft abnehmende
Querschnittsfläche und endet in einer Düse oder einem Schlitz an der
Hinterkante der Beplankung und trägt dazu bei, zu
verhindern, daß sich die Hauptströmung der Luft von der
Oberseite der Klappe 2 ablöst. Die Breite dieses schlitzförmigen
Spaltes ist für eine effiziente aerodynamische Wirkung der
Klappe 2 entscheidend, und die Lenkergeometrie ist so
bemessen und angeordnet, daß über den größten Teil der
Bewegung der Klappe 2 ein vorbestimmter Spalt entsteht,
wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
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Der Befestigungsarm 8, der Kragarm 12 und die Lenker
14 und 16 können innerhalb einer Verkleidung 32
untergebracht sein. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2
wird das Hauptteil der Verkleidung 32 durch die Wirkung
eines Lenkers 34, der an seinem oberen Ende 38 an dem
Kragarm 12 und an seinem unteren Ende 40 an der
Verkleidung 32 angelenkt ist, um einen Punkt 36 im Uhrzeigersinn
verschwenkt.
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In Fig. 4 weist eine zweite Klappenanordnung eine
zweiteilige Verkleidung auf, die einen vorderen ortsfesten
Abschnitt 42 und einen bewegbaren Abschnitt 44 umfaßt, der
von dem vorderen Abschnitt 42 trennbar ist und sich mit
der Klappe 2 während deren Bewegung aus der eingefahrenen
in die ausgefahrene Stellung als Ganzes bewegt.
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Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen Klappenmechanismen, bei
denen die Klappe 2 durch einen Betätigungsmechanismus
bewegt wird, der einen schwenkbaren Aktuator 45 und einen
an dem einem Ende an dem Aktuator 45 und an dem anderen
Ende an dem Kragarm 12 schwenkbar befestigten Lenker 46
umfaßt. Diesen Figuren ist zu entnehmen, daß durch die
Bewegung des schwenkbaren Aktuators 45 im
Gegenuhrzeigersinn die Klappe 2 aus ihrer eingefahrenen in ihre nach
unten ausgefahrene Stellung bewegt wird. Die Lenker 14 und
16 in diesen Mechanismen arbeiten genauso wie die Lenker
14 und 16 in dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Mechanismus.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Klappenanordnung aus
einer vorderen Klappe 2 und einer hinteren Klappe 3 in
ihren eingefahrenen bzw. nach unten ausgefahrenen
Stellungen.
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Von der hinteren Klappe 3 erstreckt sich ein Kragarm
52 nach unten, wobei dieser Kragarm 52 durch Lenker 53 und
54, die auf dieselbe Weise wie die Lenker 14 und 16
arbeiten, mit einer rückwärtigen Verlängerung des Kragarmes 12
verbunden ist. Ein Winkelhebel 47 ist bei 48 an dem
Kragarm 12 angelenkt, und ein Arm 49 ist an dem Lenker 16
befestigt. Eine Verbindungsstange 50 ist an dem einen Ende
an dem Winkelhebel 47 und an dem anderen Ende an dem Arm
49 befestigt.
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Während sich die Klappen 2 und 3 aus der
eingefahrenen Stellung herausbewegen, dreht sich der an dem Lenker
16 befestigte Arm 49 gegenüber dem Kragarm 12 im
Gegenuhrzeigersinn um die Lagerstelle 24. Diese Drehung
bewirkt, daß die Verbindungsstange 50 dem Winkelhebel 47
eine Drehung um die Lagerstelle 48 im Uhrzeigersinn
erteilt, womit das Verbindungsglied 51 bewegt wird, das den
Kragarm 52 und damit die hintere Klappe 3 nach hinten
bewegt und gegenüber dem Kragarm 12 und der vorderen
Klappe 2 auf die in Fig. 6 dargestellte nach unten
ausgefahrene Stellung zu verschwenkt.
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Fig. 7 zeigt einen Klappenmechanismus mit einer
einzigen Klappe 2, die einen Kragarm 12 und eine Verkleidung
32 aufweist. Der Befestigungsarm 8 und die Lenker 14 und
16 sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die
Befestigung der Klappe 2 und das Verfahren, gemäß dem die
Verkleidung 32 in ihre strichpunktiert dargestellte untere
Stellung bewegt wird, erfolgt so, wie es oben in dieser
Beschreibung erläutert ist.
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Der Übersichtlichkeit halber sind die oben erwähnten
Klappenanordnungen mit Bezug auf einen einzigen
Befestigungsarm 8, Betätigungsmechanismus 26 und
Lenkermechanismen 14 und 16 beschrieben. Es können aber auch zwei oder
mehr in Querrichtung voneinander beabstandete Arme und
Mechanismen, die alle im Luftstrom im wesentlichen
ausgerichtet sind, an der Flügel struktur befestigt sein, um
eine Klappe 2 zu haltern. Wenn die Flügelprofilsehne eine
konstante Länge aufweist, ist eine zylindrische
Klappenbewegung annehmbar und die entsprechenden Lenker 14 und 16
der Mechanismen können an jeder Befesigungsstelle dieselbe
Länge haben. Weil jedoch die meisten Flugzeugflügelprofile
konisch zulaufen, ist es im Interesse der aerodynamischen
Wirkung notwendig, die Klappen entlang eines im
wesentlichen konischen Umrisses anzuordnen, so daß die Bewegung
der Klappen an jeder Stelle im wesentlichen proportional
zur Länge der Flügelprofilsehne an der jeweiligen Stelle
ist.
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Demzufolge sind die Elemente der Klappenmechanismen
an den in Querrichtung voneinander beabstandeten Stellen
so bemessen und angeordnet, daß sie die erforderliche
translatorische und rotatorische Bewegung der im
wesentlichen steifen Klappen bewirken.
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Obwohl die oben beschriebene Lenkeranordnung sich im
wesentlichen in einer zu dem Flügel rechtwinkligen Ebene
bewegt, um die erforderliche Klappenbewegung zu bewirken,
sind Vorkehrungen getroffen, um jede notwendige
Schwenkbewegung der Klappe gegenüber dem Flügel während der
Klappenbewegung zu ermöglichen. Ein Aufbau, um diese
Drehbewegung zu ermöglichen, wird nun mit Bezug auf Fig. 8
beschrieben.
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In Fig. 8 ist ein Lenker 14 an seinem oberen Ende an
einer Welle 41 befestigt, die in dem Befestigungsarm 8 in
einem Lager gelagert 42 ist. Dieses Lager 42 ist so
angeordnet, daß der Zapfen 41 drehbeweglich und axial
unverschieblich
ist. Das untere Ende des Lenkers 14 ist an dem
Kragarm 12 mit einem in allen Ebenen drehbeweglichen
Kugelgelenk 22 angelenkt. Der andere Lenker 16 trägt sowohl
am oberen als auch am unteren Ende Kugelgelenke 20 und 24,
die alle in allen Ebenen um ihr Zentrum drehbeweglich
sind. Folglich passen sich die Lager der Lenker 14 und 16
an jede erforderliche Schwenkbewegung der Klappe 2 während
deren Bewegung gegenüber dem Flugzeugflügel an.