DE69110660T2

DE69110660T2 - Gegendrehmomentvorrichtung eines Hubschraubers.

Info

Publication number: DE69110660T2
Application number: DE69110660T
Authority: DE
Inventors: Philip Howard Lemasurier; Steven David Weiner; Charles Adam Yoerkie
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-04-11
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-12-21
Also published as: EP0508027B1; DE69110660D1; JPH05185992A; JP3121417B2; KR920019616A; IL100493A0; AU637032B2; EP0508027A1; CA2058011A1; IL100493A; KR100246262B1; ES2073720T3; US5131604A; AU9004091A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung ist auf Hubschrauber gerichtet und mehr insbesondere auf die Konfiguration und die Eigenschaften einer in ein Leitwerksgebilde eines Hubschraubers integrierten Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung.

Bezugsanmeldungen

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf gleichzeitig anhängige Patentanmeldungen mit dem Titel INTEGRIERTES HUBSCHRAUBER-LEITWERKSGEBILDE, EP-A-0 508 026, und VERKLEIDUNG-FLOSSE-INTEGRATIONSKONSOLE FÜR EINEN HUBSCHRAUBER, EP-A-0 508 025.

Hintergrund der Erfindung

Die Mehrheit der modernen Hubschrauber ist mit einem einzelnen Hauptrotor und einem freiliegenden Heckrotor ausgerüstet (bemerkenswerte Ausnahmen sind die Hubschrauber von Aerospatiale, bei denen ein Fenestron-Heckgebilde benutzt wird, und die Hubschrauber von McDonnell Douglas, bei denen eine NOTAR - Gegendrehvorrichtung benutzt wird). Der freiliegende Heckrotor hat sich als eine relativ wirksame und zuverlässige Einrichtung erwiesen zum Erzeugen von lateralem Schub, um dem am Rumpf hervorgerufenen Drehmoment entgegenzuwirken, das durch den Hauptrotor erzeugt wird, und um eine Gierrichtsteuerung des Hubschraubers bei Schwebeflug-, Übergangs-, Nieder- und Hochgeschwindigkeitsflugbetriebsbedingungen zu bewirken.
Freiliegende Heckrotoren haben jedoch Nachteile sowohl unter aerodynamischen als auch unter nichtaerodynamischen Gesichtspunkten. Erstens und am bedeutendsten, freiliegende Heckrotoren bringen beträchtliche Sicherheitsgefahren während des Betriebes am Boden mit sich, d.h. bei dem Systemhochlauf, Schwebeflug, Rollen auf dem Flugfeld und/oder bei Parkiervorgängen. Der freiliegende Heckrotor stellt eine ernste Gefahr für benachbartes Personal während des Betriebes am Boden dar. Personal ist bereits durch ungewollten Kontakt mit den umlaufenden Heckrotorblättern eines freiliegenden Heckrotors getötet oder verletzt worden. Der in Betrieb befindliche freiliegende Heckrotor stellt auch eine Gefahr für andere Ausrüstung dar, die in Bereichen angeordnet ist, wo der Hubschrauber am Boden betrieben wird. Darüber hinaus können freiliegende Heckrotoren leicht durch Objekte beschädigt werden, die durch den Nachstrom des Hauptrotors aufgewirbelt werden.
Der freiliegende Heckrotor bringt auch Probleme während Hubschrauberflugoperationen wie Starts, Landungen oder Manövrieren in beengten Bereichen mit sich, wo dafür Sorge getragen werden muß, ungewollte Berührungen des freiliegenden Heckrotors mit Geländemerkmalen wie Stromleitungen, Gebäuden, Zäunen, Bäumen und Büschen zu verhindern. Zahlreiche militärische Einsatzzwecke und einige zivile Einsatzzwecke verlangen ein Fliegen in der Nähe der Erdoberfläche (nap of the earth (oder NOE)), manchmal bei Nacht oder bei einem Wetter mit schlechten Sichtbedingungen. Das Fliegen bei solchen Bedingungen erfordert besondere Sorgfalt, um ungewollte Berührungen des freiliegenden Heckrotors mit solchen Geländemerkmalen zu verhindern. Darüber hinaus ist der freiliegende Heckrotor eine beträchtliche Lärmquelle sowohl im zivilen Betrieb, wo er ein Faktor der Lästigkeit ist, als auch im militärischen Betrieb, wo er ein Faktor bei dem Erkennen, Identifizieren, Lokalisieren und/oder verfolgen des Hubschraubers ist.
Darüber hinaus wird der aerodynamische Wirkungsgrad von freiliegenden Heckrotoren durch verschiedene Faktoren verschlechtert, die sich gerade aus der Natur von solchen Rotoren ergeben. Ein freiliegender Heckrotor wird im allgemeinen nicht benutzt, um die gesamte verlangte Gierstabilität bei Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit aufgrund von Strömungswiderstandseffekten und hervorgerufenen Beanspruchungen, die auf die Heckrotorblätter einwirken, zu erzeugen. Statt dessen ist ein aerodynamisch gestalteter, vertikaler Stabilisator in der Konfiguration des Hubschrauberleitwerks vorgesehen, um einen Teil der verlangten Gierstabilität bei Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit zu erzeugen. Der freiliegende Heckrotor liefert jedoch weiterhin einen bemerkenswerten Beitrag zu dem gesamten aerodynamischen Strömungswiderstand bei solchen Flugbetriebsbedingungen.
Zum Erzeugen des Gegendrehschubes (lateralen Auftriebes), der für Schwebeflugoperationen und Giermanöver während Übergangs-, Nieder- und Hochgeschwindigkeitsflugbetriebsbedingungen erforderlich ist, hat der typische freiliegende Heckrotor Heckrotorblätter großen Durchmessers (um die Triebwerksleistung zu reduzieren, die der Heckrotor benötigt, um diesen Schub zu entwickeln). Der Heckrotor muß an dem vertikalen Stabilisator befestigt sein, damit die Heckrotorblätter den notwendigen Abstand vom Boden haben. Eine solche Anordnung führt jedoch zu gegenseitiger aerodynamischer Störung zwischen dem vertikalen Stabilisator und dem freiliegenden Heckrotor (Stabilisatorblockierung), durch die der aerodynamische Wirkungsgrad des freiliegenden Heckrotors reduziert wird. Diese Anordnung kann auch die aerodynamische Funktionsfähigkeit des vertikalen Heckgebildes bei Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit stören. Darüber hinaus erzeugt eine solche Anordnung ein induziertes Rollmoment um die Längsachse des Hubschraubers.
Außerdem ist ein freiliegender Heckrotor im allgemeinen eine mechanisch komplexe und zerbrechliche Vorrichtung, die starken Betriebsspannungen und dynamischen Erscheinungen wie Relativwind-, Hauptrotor- und Rumpfnachströmungen sowie Wirbeln ausgesetzt ist, welche den Betriebswirkungsgrad desselben reduzieren. Dadurch, daß ein freiliegender Heckrotor solchen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist, besteht die Tendenz, daß die Gesamtlebensdauer desselben begrenzt wird, so daß die Kosten, die mit häufigerer Wartung/Überholung verbunden sind, erhöht werden. Darüber hinaus sind freiliegende Heckrotoren erhöhten Blattbelastungseffekten während Flügen mit erhöhten Seitenrutschwinkeln ausgesetzt, was die Tendenz mit sich bringt, die effektive Betriebshüllkurve in bezug auf Seitenrutsche bei Hubschraubern mit freiliegenden Heckrotoren einzuschränken.
Ein Hubschrauber, der mit einer Fenestron- oder Mantelgebläse- Gegendrehvorrichtung in dem Leitwerksgebilde ausgerüstet ist, bietet mehrere aerodynamische und nichtaerodynamische Vorteile gegenüber der herkömmlichen Hubschrauberkonfiguration. Eine in Betrieb befindliche Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung stellt keine besondere Gefahr für benachbartes Personal oder benachbarte Ausrüstung dar. Weiter, das Leitwerksgebilde schirmt das Mantelgebläse vor einer durch externe Objekte hervorgerufenen Beschädigung wirksam ab.
Akustisch bietet elne Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung gegenüber einem freiliegendem Heckrotor mehrere Vorteile. Der Mantel schirmt den Fernfeldbeobachter vor dem Gebläselärm ab, insbesondere in der Flugrichtung. Die Schubverstärkung, die durch den Kanal hervorgerufen wird, reduziert die Belastungsgeräuschkomponente von den Gebläseblättern her - einer Hauptgeräuschquelle unter den lateralen Aspekten des Hubschraubers - beträchtlich. Weiter, die Beschleunigung, die durch den Mantel in der in die Gebläsevorrichtung eintretenden Massenluftströmung hervorgerufen wird, reduziert beträchtlich die Turbulenz der eintretenden Massenluftströmung, bei der es sich um eine beträchtliche Geräuschquelle von den Gebläseblättern her handeln kann. Darüber hinaus vergrößert eine relativ große Zahl von Blättern die harmonischen Frequenzen, welche durch die Gebläsevorrichtung erzeugt werden, in einem derartigen Ausmaß, daß atmosphärische Absorption und Bodendämpfung eine beträchtliche Dämpfung der Grundschwingung und der höheren Harmonischen des Geräusches bewirken können, die aber nicht so hoch ist, als daß sie in dem Bereich der höchsten Hörempfindlichkeit läge. Üblicherweise sind die ersten wenigen Harmonischen eines freiliegenden Heckrotors so niedrig, daß sie eine Ausbreitung über einen langen Bereich gestatten, wogegen die relativ große Zahl der Blätter des Aerospatiale-Fenestrons (im allgemeinen 11 oder 13) die zweite und erste Harmonische sowie höhere Harmonische in dem Frequenzbereich der höchsten Hörempfindlichkeit plaziert.
Eine Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung kann bei Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit aerodynamisch effektiv entlastet werden, wodurch sich eine Verringerung des gesamten aerodynamischen Widerstandes bei diesen Flugbetriebsbedingungen ergibt. Der vertikale Stabilisator stört aerodynamisch den Betrieb einer Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nicht. Der Heckrotor der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung ist keinen externen dynamischen Erscheinungen ausgesetzt, so daß die Gesamtlebensdauer des Mantelgebläse-Heckrotors verbessert wird, mit der davon begleiteten Verringerung der Wartungserfordernisse. Eine Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung reduziert wirksam Spannungen, welche auf die Heckrotorblätter während Seitenrutschflugbetriebsbedingungen ausgeübt werden, wodurch die Betriebshüllkurve von Hubschraubern erweitert wird, welche mit Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtungen ausgerüstet sind. Für äquivalente rotordefinierte Öffnungen ist der aerodynamische Wirkungsgrad der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung größer als der eines freiliegenden Heckrotors, so daß die Mantelgebläse- Gegendrehvorrichtung zum Einbau in das Leitwerksgebilde kleiner bemessen werden kann, wobei sie aber trotzdem eine im wesentlichen äquivalente aerodynamische Leistung vollbringt. Dieser reduzierte Durchmesser gestattet, die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung auf einer niedrigeren Wasserlinie zu montieren, wodurch das induzierte Rollmoment um die Längsachse des Hubschraubers eliminiert wird, wie es bei dem freiliegenden Heckrotor auftritt.
Aerospatiale hat mehrere Linien von Hubschraubern wie den Dauphin und die Gazelle produziert, welche ein Leitwerksgebilde aufweisen, das mit einer Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung und einem vertikalen Stabilisator in Kombination ausgerüstet ist, um für Gegendrehschub und Gierrichtsteuerung für einen Hubschrauber zu sorgen. Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtungen dieser Hubschrauber haben eine Mantelachse, die zu der vertikalen Symmetrieebene des Hubschraubers im wesentlichen rechtwinkelig ist, d.h. die Heckrotorblattebene ist parallel zu der Vertikalebene. Der transversale Schub, der durch diese Gegendrehvorrichtungen entwickelt wird, ist ausreichend, um für die notwendige Gegendrehkraft und Gierrichtsteuerung bei Schwebeflug-, Übergangs-, Nieder- und Hochgeschwindigkeitsvorwärtsflugbetriebsbedingungen zu sorgen. Das Leitwerksgebilde dieser Hubschrauber umfaßt einen vertikalen Stabilisator, der aerodynamisch ausgestaltet ist, um für lateralen Schub zur Gegendrehung und für Gierstabilität bei höheren Vorwärtsgeschwindigkeiten zu sorgen.
Das US-Patent Nr. 4 809 931 (auf welchem die zweiteilige Form des unabhängigen Anspruchs 1 basiert), das Aerospatiale erteilt worden ist, gibt an, daß diese bekannten Leitwerksgebilde keinerlei Nickstabilität ergeben, insbesondere bei höheren Vorwärtsgeschwindigkeiten. Das Patent '931 lehrt, daß eine horizontale Stabilisierfläche erforderlich ist, um ein Leitwerksgebilde zu schaffen, das sowohl für statische als auch für dynamische Gier- und Nickstabilität sowie für den Gegenausgleichsgegendrehschub sorgt. Das Patent '931 lehrt weiter, daß dieser Typ von Leitwerksgebilde nachteilig ist, weil er zu einer wesentlichen Vergrößerung des gesamten Baugewichtes des Hubschraubers führt.
Ein weiteres bekanntes Leitwerksgebilde, das eine Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung aufweist, ist in dem Patent '931 beschrieben, wobei dieses bekannte Leitwerksgebilde die Vertikal- und Horizontalstabilisatoren durch zwei aerodynamische Flächen ersetzt. Das Patent '931 lehrt, daß sich die beiden aerodynamischen Flächen oberhalb einer horizontalen Ebene erstrecken, die durch das obere Ende des Gehäuses der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung hindurchgeht, und daß die mittleren Ebenen der aerodynamischen Flächen in bezug auf einander symmetrisch um die vertikale Ebene angeordnet sind, die durch das Gehäuse hindurchgeht, um ein "V"-Leitwerk zu bilden. Diese aerodynamischen Flächen sind als so ausgestaltet beschrieben, daß sie antisymmetrische aerodynamische Auftriebsprofile ergeben. Das Patent '931 lehrt, daß eine solche Leitwerkskonfiguration nicht die erwarteten vorteilhaften Ergebnisse erbracht hat.
Der Gegenstand, der in dem Patent '931 beschrieben und beansprucht ist, ist ein Hubschrauberleitwerksgebilde, das mit einer Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung ausgerüstet ist, die gleichzeitig die Gegendrehkraft und die statische und dynamische Stabilität um die Gier- und Nickachse liefert. Das Patent '931 lehrt, daß die mittlere Ebene des Mantelgebläse-Gegendrehgehäuses in bezug auf die vertikale Symmetrieebene des Hubschraubers in einem Winkelbereich von 0º bis 45º geneigt ist. Zwei aerodynamische Flächen sind in Kombination an dem oberen Ende des Gehäuses verbunden, um ein "V"-Leitwerk zu bilden, das sich oberhalb der horizontalen Ebene erstreckt, die durch das obere Ende des Gehäuses hindurchgeht. Das Patent '931 lehrt, daß die beiden aerodynamischen Flächen in mehreren unterschiedlichen Ausführungsformen angeordnet sind, wobei sich die mittleren Ebenen der aerodynamischen Flächen in bezug auf die vertikale Symmetrieebene des Hubschraubers asymmetrisch erstrecken. Die mittleren Ebenen der beiden aerodynamischen Flächen sind so beschrieben, daß sie in bezug auf die Horizontale bzw. Vertikale vorbestimmte Winkel bilden, die aus einem begrenzten Bereich von Winkeln ausgewählt sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hubschrauber- Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung zu schaffen, die eine Konfiguration hat, welche optimiert ist, um den Gegenschub zu liefern, der zur Hubschraubergierstabilität und -manövrierbarkeit erforderlich ist, und um gleichzeitig die Betriebsgeräuschpegel der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung zu minimieren.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung für einen Hubschrauber mit einem Hauptrotor, einem Rumpf, einem Heckträger und einem Leitwerksgebilde, das eine integral mit dem Heckträger ausgebildete Verkleidung, einen vertikalen Stabilisator und einen horizontalen Stabilisator aufweist, wobei die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung umfaßt:
eine Luftströmungskanaleinrichtung, die eine Achse hat und zur Befestigung innen in der Verkleidung mit zu der Mittelebene der Verkleidung im wesentlichen rechtwinkeliger Achse ausgestaltet ist, wobei die Luftströmungskanaleinrichtung aufweist:
einen Einlaß,
einen divergenten Kanalteil stromabwärts von dem und angrenzend an den Einlaß, und
einen Auslaß, der den divergenten Kanalteil abschließt; und
eine Gebläseeinrichtung, die in der Luftströmungskanaleinrichtung angebracht ist, zum Erzeugen von Gegendrehschub zur Gierstabilität und -manövrierbarkeit des Hubschraubers, wobei die Gebläseeinrichtung umfaßt
einen Heckrotor zum Erzeugen von Gegendrehschub zur Gierstabilität und -manövrierbarkeit des Hubschraubers,
eine Nabengebildeeinrichtung, die in bezug auf die Luftströmungskanaleinrichtung koaxial angeordnet und zur drehbaren Lagerung der Heckrotoreinrichtung koaxial innerhalb der Luftströmungskanaleinrichtung ausgebildet ist, wobei die koaxial gelagerte Heckrotoreinrichtung eine Rotorblattebene festlegt, und
eine Tragstrebeneinrichtung zum koaxialen Befestigen der Nabengebildeeinrichtung in der Luftströmungskanaleinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß eine gekrümmte Lippenkonfiguration mit konstantem Radius und der Auslaß eine gekrümmte Lippenkonfiguration mit variablem Radius hat und daß die Tragstrebeneinrichtung eine elliptische Konfiguration hat.
Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist der Lage, den aerodynamischen Schub zu liefern, den der Hubschrauber zur Gierstabilität und -manövrierbarkeit bei Schwebeflug- und Vorwärtsflugoperationen benötigt, eine vertikale Auftriebskomponente zu liefern, die zu dem allgemeinen Auftriebsvermögen des Hubschraubers beiträgt, und die Betriebsgeräuschpegel der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung zu minimieren. Die Konfiguration der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung und die Betriebseigenschaften derselben sowie der Gebläseschub und der Gebläsesteuerbereich werden durch die Einsatzerfordernisse des Hubschraubers bestimmt.
Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung kann in Kombination mit der Verkleidung angeordnet werden, um eine Wasserlinie niedrigen Drehmoments zu schaffen, so daß die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung kein nennenswertes Rollmoment beiträgt, wenn die kollektive Blattverstellung vergrößert wird (was eine entsprechende Vergrößerung des Gegendrehschubes verursacht). Eine solche räumliche Positionierung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung eliminiert die Notwendigkeit einer mechanischen Kopplung der lateralen zyklischen Blattverstellung mit der kollektiven Blattverstellung.
Die räumliche Orientierung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung ist bei einer bevorzugten Ausführungsform so, daß die Achse relativ zu der Querachse des Hubschraubers um einen vorbestimmten Schrägungswinkel schräg angeordnet ist.
Die Konfiguration des Luftströmungskanals beinhaltet einen Kanaldurchmesser, eine Kanalbreite (Querabmessung), einen Einlaß, der eine Einlaßlippenkonfiguration mit vorbestimmtem, konstantem Radius hat, einen divergenten Kanalteil und einen Auslaß, der eine Auslaßlippenkonfiguration mit einem vorbestimmten, variablen Radius hat. Die Konfigurationen und Abmessungen von verschiedenen Elementen, welche den Kanal bilden, beeinflussen die aerodynamische Gesamtleistung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung.
Der Durchmesser des Hauptrotors und die Betriebskenndaten desselben legen den Bereich des Gegendrehschubes fest, der durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung geliefert werden muß, um die induzierten Drehmomenteffekte des Hauptrotors auszugleichen. Darüber hinaus muß die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung in der Lage sein, zusätzlichen Schub zu liefern, der durch die Flugbetriebsbedingungen des Hubschraubers diktiert wird. Die Größe des Gebläses (zum Beispiel die Spannweite der Heckrotorblätter) ist eine der Hauptbestimmungsgrößen für das Schuberzeugungsvermögen der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung.
Der Durchmesser des Gebläses steht jedoch in direkter Beziehung zu der und beeinflußt die Bemessung des Kanaldurchmessers. Ein größerer Kanaldurchmesser gestattet, ein Gebläse größeren Durchmessers zu verwenden, um den verlangten Gegendrehschub zu erzeugen, was die Leistung verringert, die durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung verlangt wird, und die Frequenzen der Oberschwingungsgeräusches. Eine solche Konfiguration bringt jedoch ein größeres Gewicht für die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung mit sich und steigert somit das Gesamtsystemgewicht. Eine Verringerung des Kanaldurchmessers reduziert den Durchmesser (und somit das Gewicht) des Gebläses, vergrößert aber die Frequenzen des Oberschwingungsgeräusches und verlangt mehr Leistung zum Erzeugen des verlangten Gegendrehschubes. Diese Faktoren werden gewichtet, um einen optimalen Kanaldurchmesser für die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zu schaffen.
Optimal maximiert ein Verhältnis (L/D) von Kanalbreite (Querabmessung) zu Durchmesser von 1,0 die Gegendrehschuberzeugung durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung. Eine Kanalbreite, die gleich dem Durchmesser ist, ist jedoch keine praktische Überlegung für das Leitwerksgebilde, da das zu einer großen Breite (Querabmessung) der Verkleidung führen würde, welche mit einer Gewichtszunahme verbunden wäre. Ein primärer Faktor bei dem Bestimmen der Kanalbreite ist unter pragmatischen Gesichtspunkten der Abstand zwischen der Ebene der Heckrotorblätter und der Vorderkante der Nabentragstreben. Ein L/D-Verhältnis von etwa 0,4 ergibt eine Konfiguration der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung, die in der Lage ist, den verlangten Wert des Gegendrehschubes effektiv zu liefern.
Die aerodynamische Leistungsfähigkeit der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung wird durch die Konfiguration des Einlasses beträchtlich beeinflußt. Die Einlaßkonfiguration bestimmt den Grad der Verzerrung der eintretenden Massenluftströmung (die Nichtgleichförmigkeit der Luftströmungsgeschwindigkeitsverteilung), die Charakteristik der Grenzschichtströmung (anliegend oder abgelöst) und die Seitenkräfte, die an dem Leitwerksgebilde hervorgerufen werden und aus der Umleitung der eintretenden Massenluftströmung resultieren. Die Konfiguration des Einlasses sollte das Gebläse mit einer Massenluftströmung versorgen, die eine anliegende Grenzschicht und eine relativ gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung hat, das heißt eine in dem praktisch möglichen Ausmaß minimierte Turbulenz.
Eine Konfiguration mit gekrümmtem Einlaß ist einer Konfiguratin mit scharfkantigem Einlaß klar vorzuziehen, und zwar wegen der Gefahr von Massenluftströmungsablösungseffekten. Eine Lippe mit kleinem Krümmungsradius in Kombination mit einem stromabwärtigen divergenten Kanalteil (anschließend an die Blattebene des Gebläses) ergibt eine gute Leistungsfähigkeit sowohl im Schwebeflug als auch bei den Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit, weil sie der eintretenden Massenluftströmung gestattet, in Anlage an der Einlaßoberfläche zu bleiben. Eine Größe für das Verhältnis des Einlaßlippenradius zu dem Durchmesser von mehr als 0,065 bis etwa 0,075 ergibt eine zufriedenstellende eintretende Massenluftströmung sowohl während des Schwebeflugbetriebes als auch während Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit.
Der divergente Kanalteil des Luftströmungskanals (definiert als derjenige Teil des Kanals stromabwärts von der Ebene der Heckrotorblätter des Gebläses) in Kombination mit der Konfiguration des Auslasses beeinflußt die Form der austretenden Massenluftströmung, die ihrerseits die Leistungsfähigkeit der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung beeinflußt. Der divergente Kanalteil und der Auslaß sind so ausgebildet, daß sie eine Ablösung der Massenluftströmung von den Kanalwänden verhindern und eine Nachstromkontraktion hinter der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung eliminieren. Eine effektive Wechselwirkung zwischen dem divergenten Kanalteil und dem Auslaß ergibt eine Zunahme in der in die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung eintretenden Massenluftströmung während des Flugbetriebes.
Die Konfiguration des divergenten Kanalteils erleichtert die Druckrückgewinnung in dem Kanal. Ein übermäßiger Divergenzwinkel wird jedoch eine Strömungsablösung von den Kanalwänden zur Folge haben, den Turbulenzlärm steigern und den Umkehrschubbetrieb verschlechtern (die Massenluftströmung durch den Kanal wird bei Linksseitenrutschflugbedingungen umgekehrt, so daß der Einlaß als Auslaß fungiert, und umgekehrt). Ein Kanaldivergenzwinkel von etwa 5º ergibt eine anliegende Massenluftströmung in dem gesamten divergenten Kanalteil des Kanals und sorgt auch für eine zufriedenstellende Leistungsfähigkeit während Umkehrschuboperationen.
Bei der herkömmlichen Entwurfsmethodologie wird üblicherweise ein Auslaß benutzt, der eine spitze Lippenkonfiguration hat (einen scharfen Winkel oder minimalen Radius), um die austretende Massenluftströmung sauber von dem benachbarten Heckgebilde abzulösen. Eine spitze Lippenkonfiguration minimiert Sogeffekte an dem Auslaß, das heißt Sogeffekte an dem Auslaß, die eine Verschlechterung des Gegendrehschuberzeugungsvermögens einer Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung verursachen würden. Eine spitze Lippenkonfiguration verschlechtert jedoch die Leistungsfähigkeit einer Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung während Umkehrschuboperationen, bei denen der Auslaß effektiv dazu dient, die eintretende Massenluftströmung zu liefern.
Ein Auslaß, der eine Konfiguration mit gekrümmter Lippe mit variablem Radius hat, verbessert die Umkehrschubfähigkeit der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung und reduziert darüber hinaus den parasitären Luftwiderstand der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung bei Vorwärtsflugbetriebsbedingungen. Die Konfiguration der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung mit gekrümmter Lippe umfaßt ein erstes Lippensegment mit konstantem Radius, ein zweites Lippensegment mit konstantem Radius und dazwischen Übergangssegmente mit variablem Radius, die für einen glatten baulichen Übergang zwischen dem ersten und zweiten Lippensegment mit konstantem Radius sorgen. Das erste Lippensegment mit konstantem Radius kann einen Krümmungsradius haben, der kleiner als der Krümmungsradius des zweiten Lippensegments mit konstantem Radius ist. Das erste Lippensegment mit konstantem Radius kann einen Sektor von 180º der gekrümmten Lippenkonfiguration umfassen (der Sektor ist in bezug auf die longitudinale Achse in der Vorwärtsrichtung symmetrisch angeordnet), und das zweite Lippensegment mit konstantem Radius kann einen Sektor von 90º der gekrümmten Lippenkonfiguration umfassen (der Sektor ist in bezug auf die longitudinale Achse in der Rückwärtsrichtung symmetrisch angeordnet) bei einer bevorzugten Ausführungsform.
Das Gebläse hat ein aerodynamisch geformtes Nabengebilde, mehrere aerodynamisch gestaltete Tragstreben zum Befestigen des Nabengebildes in dem Luftströmungskanal und mehrere Heckrotorblätter, die an dem Nabengebilde drehbar befestigt sind. Die Heckrotorblätter sind aerodynamisch gestaltet und für die Schuberzeugung manipulierbar. Das Nabengebilde fungiert als ein Gehäuse für Gebläsebetriebsuntersysteme wie das Heckrotorgetriebe und die Servosteuereinrichtungen zum Regulieren des Betriebes (Blatteinstellwinkeländerungen) der Heckrotorblätter. Das Nabengebilde fungiert auch als Drehlagerung für die Heckrotorblätter.
Die Ebene der Heckrotorblätter ist quer zu der Achse der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung und kann unmittelbar stromabwärts des Krümmungsendpunktes des Einlaßlippenradius angeordnet sein. Die Ablösungsstrecke zwischen der Blattebene und den Vorderkanten der Tragstreben ist ein Faktor, der die Lärmerzeugung durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung beeinflußt. In einer Ausführungsform ist, um akustische Wechselwirkungstöne zu eliminieren, welche an den Rotorblättern durch die Tragstreben hervorgerufen werden, das Verhältnis der Ablösungsstrecke zu der Strebenabmessung relativ groß und liegt in der Größenordnung von etwa 2,0 bis etwa 2,5.
Die Tragstreben haben eine elliptische Konfiguration, um Turbulenz und Wirbelablösung zu minimieren. Elliptisch gestaltete Tragstreben reduzieren die Belastung an den Heckrotorblättern während des normalen Betriebes der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung und gleichzeitig das damit verbundene Belastungsgeräusch und reduzieren Schubverluste aufgrund des Ablösungswiderstands. Die elliptische Konfiguration reduziert auch Turbulenzeinsaugung im Umkehrschubzustand, wodurch gleichzeitig Geräusch reduziert wird, das aus durch Turbulenz hervorgerufener Belastung entsteht. Minimal sollte die elliptische Konfiguration für die Tragstreben eine 2:1-Ellipse und vorzugsweise eine 3 bis 3,5:1-Ellipse sein.
In einer Ausführungsform der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung werden drei elliptisch gestaltete Tragstreben benutzt, die als bauliche Abstützungen fungieren, um das Nabengebilde innerhalb des Luftströmungskanals koaxial zu befestigen. Ein Ende jeder Tragstrebe geht durch den Kanal hindurch, um die Tragstreben an Bauteilen der Verkleidung zu befestigen. Eine erste Tragstrebe kann ein (in bezug auf die Achse) radial angeordnetes, (in bezug auf die Hubschrauberachsen) longitudinal ausgerichtetes, aerodynamisch gestaltetes Traggebilde sein, das sich zwischen dem Nabengebilde und dem Luftströmungskanal erstreckt. Eine Steuerstange und eine Antriebswelle, welche die Schnittstelle zwischen dem Steuersystem und dem Übertragungssystem und Gebläsebetriebsuntersystemen (Servosteuerung bzw. Heckrotorgetriebe) bilden, können innerhalb des ersten Traggebildes untergebracht sein.
Die anderen beiden aerodynamisch gestalteten Tragstreben können von der Achse radial versetzt sein, das heißt nichtradiale Befestigungsgebilde zwischen dem Nabengebilde und der Verkleidung bilden. Diese Tragstreben sind in bezug aufeinander kollinear und (in bezug auf die Hubschrauberachsen) vertikal orientiert. Der Heckrotorblatthinweggang über die nichtradialen, vertikal ausgerichteten Tragstreben ist im Vergleich zu den radial ausgerichteten Tragstreben (Augenblicksblattpassage) relativ allmählich, so daß induzierte Druck(belastungs-)-Gradienten an den Heckrotorblättern flach sind. Die nichtradiale, vertikale Ausrichtung der Tragstreben minimiert das Blattbelastungsgeräusch.
Das Heckrotoruntersystem kann ein starrer Rotor sein, der mehrere Heckrotorblätter hat. Acht Heckrotorblätter wurden für das Heckrotoruntersystem der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung auf der Basis von Akustik-, Zuverlässigkeits-, Dauerhaftigkeits- und Überlebensüberlegungen ausgewählt. Eine geringere Zahl von Rotorblättern erlaubt, daß jedes einzelne Blatt eine größere und robustere Konfiguration hat. Eine Heckrotorunterbaugruppe, die nur acht Heckrotorblätter hat, erleichtert die Reduktion der Blattpassagefrequenzerscheinung, welche den lautesten Teil des durch das Blatt erzeugten Geräuschpegels verursacht, deutlich unter den Hörfrequenzbereich der höchsten Hörempfindlichkeit, aber nicht so niedrig genug, um eine Langbereichsausbreitung der akustischen Signatur des Gebläses zu erlauben.
Die Rotorblätter können eine unverjüngte Grundrißkonfiguration haben, die ein maximales Schuberzeugungsvermögen ergibt und die Blattfertigungsprozeduren vereinfacht. Der Flügelprofilquerschnitt der Heckrotorblätter kann aus der NACA-Serie 64 stammen, wie zum Beispiel das Flügelprofil 64A322, das die beste Leistung bei der Entwurfsspitzengeschwindigkeit über dem verlangten Bereich von Betriebsbedingungen ergibt. Jedes Rotorblatt kann eine vorbestimmte Sehne haben, damit sich eine hohe Ausfüllung und eine niedrige Blattbelastung ergeben. Jedes Rotorblatt kann eine vorbestimmte Verdrehung von etwa -7º als Verdrehung zwischen Nabe und Spitze haben, um für ein gutes Ansprechen auf die Steuerung zu sorgen, insbesondere bei niedrigen und negativen Schubwerten.
Die Heckrotorblätter eignen sich zur Unten-Blatt-Vorwärts(bottom blade forward oder BBF)-Drehung, um Störeffekte mit der Hauptrotornachströmung zu mininieren. Der Blatteinstellwinkelsteuerbereich der Heckrotorblätter ist erhöht worden, um eine Blattverstellung über einem breiten Steuerbereich zur Schubveränderung zur verbesserten Manövrierbarkeit zu gestatten, insbesondere bei dem Ausführen von neuen Manövern. Die Steuerstange der Gebläsebetriebsuntersysteme bildet die Einrichtung zum Ausführen von solchen Blattverstellungen. Für die eine bevorzugte Ausführungsform reicht der Steuerbereich für die Heckrotorblätter von etwa -35º bis etwa +50º. Der positive Blattverstellgrenzwert von 50º wurde so gewählt, damit er mit dem Einsetzen des Strömungsabrisses der Heckrotorblätter im Schwebeflugbetrieb zusammenfällt. Die Betriebsspitzengeschwindigkeit für die Heckrotorblätter wurde auf der Basis von Geräuschüberlegungen ausgewählt. Eine niedrigere Blattspitzengeschwindigkeit reduziert sowohl die Amplitude als auch die Frequenz des an der Blattspitze erzeugten Geräusches. Zum Optimieren der Gebläseleistung durch Minimieren der Druckverluste an den Rotorblättern wird ein kleiner Spalt zwischen den Spitzen der Rotorblätter und der Oberfläche des Luftströmungskanals vorgesehen.
Aufgrund der Kenndaten der in die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung während des Betriebes derselben eintretenden Massenluftströmung fungieren die Einlaßlippenkonfiguration und Teile der Verkleidung, die dazu benachbart sind, als aerodynamische Auftriebsflächen bei Schwebeflug- und Vorwärtsflugbetriebsbedingungen, um eine Schubverstärkung zu bewirken, das heißt, einen Schub zu erzeugen, der über und oberhalb desjenigen liegt, welcher durch das Gebläse der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung erzeugt wird. Die Schubverstärkung, die durch die Einlaßlippenkonfiguration und benachbarte Teile der Verkleidung erzeugt wird, ist ein Ergebnis des reduzierten statischen Druckes in diesen Gebieten als ein Resultat von durch das Gebläse hervorgerufenen Geschwindigkeiten in der eintretenden Massenluftströmung. Außerdem wird durch die Schubverstärkung der von dem Gebläse selbst verlangte Schub reduziert, wodurch das Gebläsebelastungsgeräusch reduziert wird.
Für eine ideale Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung ist die Saugwirkung als ein Ergebnis des reduzierten statischen Druckes in der Größe gleich der des Schubes, der durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung erzeugt wird, was einen optimalen Schubverstärkungsfaktor von zwei ergibt. Bei Rechts- und Links-Seitenrutsch-Flugbedingungen nimmt der optimale Schubverstärkungsfaktor aufgrund der hervorgerufenen Geschwindigkeitsabhängigkeit ab bzw. zu. Bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen ist das Schubinkrement aufgrund der Einlaßlippenkonfiguration größer als der Schwebeflugwert aufgrund des Stoppens des Moments der eintretenden Massenluftströmung und der Reexpansion der stagnierten Massenluftströmung ab dem Kanalauslaß.
Bei der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung, wie sie in den vorangehenden Abschnitten beschrieben worden ist, ist die tatsächliche Schubverstärkung ungefähr gleich der optimalen Schubverstärkung für die Schwebeflug- und Seitwärtsflugbetriebsbedingungen des Hubschraubers. Die tatsächliche Schubverstärkung bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen ist nahe bei dem idealen Wert von zwei, obgleich ein gewisser Auftriebsverlust wegen der Freistromumlenkung der eintretenden Massenluftströmung auftritt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und der davon begleiteten Vorteile und Merkmale derselben ergeben sich einfacher durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Hubschraubers ist, der eine Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in einem integrierten Leitwerksgebilde aufweist;
Fig. 2 eine vom Computer erstellte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des integrierten Leitwerksgebildes ist;
Fig. 3 eine zweite, vom Computer erstellte, teilperspektivische Ansicht des integrierten Leitwerksgebildes ist;
Fig. 4A eine schematische Ansicht ist, die die räumliche Orientierung einer Ausführungsform des Leitwerksgebildes veranschaulicht;
Fig. 4B eine Querschnittansicht des integrierten Leitwerksgebildes nach der Linie 4B-4B in Fig. 2 ist;
Fig. 4C das Schubdiagramm für die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung des integrierten Leitwerksgebildes nach Fig. 4A veranschaulicht;
Fig. 4D das Schubdiagramm für den vertikalen Stabilisator des integrierten Leitwerksgebildes nach Fig. 4A veranschaulicht;
Fig. 5A und 5B perspektivische Ansichten sind, die eine Ausführungsform der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
Fig. 6 eine Querschnittansicht der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach der Linie 6-6 in Fig. 5A ist;
Fig. 7 eine Draufsicht auf den Auslaß der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung ist, die den variablen Lippenradius derselben veranschaulicht; und
Fig. 8 eine schematische Darstellung des Schubverstärkungsmechanismus für die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist.

Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Gemäß den Zeichnungen, auf die nun Bezug genommen wird und in denen gleiche Bezugszahlen entsprechende oder ähnliche Elemente in sämtlichen Ansichten bezeichnen, ist ein Hubschrauber 10, der eine Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung aufweist, in Fig. 1 dargestellt. Der Hubschrauber 10 hat einen Rumpf 12, einen Hauptrotor 14, einen Leitwerksträger 16 und ein Leitwerksgebilde 20, welches eine Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 nach der vorliegenden Erfindung enthält. Ebenso ist in Fig. 1 das Bezugssystem dargestellt, welches dem Hubschrauber 10 zugeordnet ist, wobei eine X-X-Achse die Längsachse definiert, eine Y-Y-Achse die laterale Achse definiert, und eine Z-Z-Achse die vertikale Achse definiert. Eine vertikale Ebene Zs, welche die mittlere Symmetrieebene des Hubschrauberrumpfes 12 definiert, ist in der Ausführungsform nach Fig. 4A gezeigt. In der folgenden Beschreibung sollten Bezugnahmen auf die vertikale Ebene Zs auch so verstanden werden, daß sie Ebenen umfassen, welche zu der vertikalen Ebene Zs parallel sind.
Der Hauptrotor 14 umfaßt das Antriebssystem (nicht gezeigt - üblicherweise ein bis drei Turbinentriebwerke), welches die durch das Profil hervorgerufene Stör- und Steigleistung zum Drehen der Hauptrotorblätter, zum Anheben des Hubschraubers 10, zum Vortrieb des Hubschraubers 10 beim Vorwärtsflug und zum Manövrieren des Hubschraubers 10 beim Steig- und Sinkflug erzeugt. Der Hauptrotor 14 weist außerdem das Übertragungssystem (nicht gezeigt) auf, welches die Motorleistung auf die Hauptrotorblätter und die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 überträgt.
Ein exemplarisches Leitwerksgebilde 20 für einen Hubschrauber 10 ist ausführlicher in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Das Leitwerksgebilde 20 hat eine Verkleidung 22, die einstückig mit dem Leitwerksträger 16 ausgebildet ist, eine Verkleidung- Flosse-Integrationskonsole 24, einen hinteren Verkleidungsverschluß 26, eine vertikale Flosse oder einen vertikalen Stabilisator 28 und eine horizontale Flosse oder einen horizontalen Stabilisator 30, welcher den vertikalen Stabilisator 28 schneidet. Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 ist in der Verkleidung 22 befestigt.
Dem Fachmann wird klar sein, daß die gesamte aerodynamische Leistung und die gesamten aerodynamischen Auswirkungen der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 sowohl von den Kenndaten der einzelnen Elemente, welche das Leitwerksgebilde 20 umfassen, als auch von den interaktiven gegenseitigen Beziehungen dieser einzelnen Elemente abhängig sind. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auf die Kenndaten und gegenseitigen Wechselbeziehungen der Komponenten, die die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 umfassen, welche in dem Leitwerksgebilde 20 vorgesehen ist, gerichtet. Die Verkleidung 22, der vertikale Stabilisator 28 und der horizontale Stabilisator 30 sowie die Verkleidung-Flosse-Integrationskonsole 24 und die Verkleidung-Flosse-Integrationskonsole 26 des Leitwerksgebildes 20 sind der Gegenstand der EP-A-0 508 026 mit dem Titel INTEGRATED HELICOPTER EMPENNAGE STRUCTURE bzw. der EP-A-0 508 025 mit dem Titel SHROUD-FIN INTEGRATION SHELF FOR A HELICOPTER EMPENNAGE STRUCTURE. Eine kurze Beschreibung der Eigenschaften dieser Elemente wird in den folgenden Abschnitten präsentiert, um ein besseres Verständnis der Eigenschaften des Gegenstands der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
Die Verkleidung-Flosse-Integrationskonsole 24 und der hintere Verkleidungsverschluß 26 haben vorbestimmte bauliche Konfigurationen, die so gewählt werden, daß sie spezifische aerodynamische Effekte ausgleichen, welche während gewissen Hubschrauberflugbedingungen auftreten. Die Verkleidung-Flosse-Integrationskonsole 24 ist das Übergangsgebilde zwischen der Verkleidung 22 und dem vertikalen Stabilisator 28. Die Verkleidung- Flosse-Integrationskonsole 24 ist so ausgebildet, daß sie die austretende Massenluftströmung von der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 während Nase-Rechts-Seitenrutschen bei Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit trennt. Diese austretende Massenluftströmung würde sonst den aerodynamischen Betrieb des vertikalen Stabilisators 28 während derartigen Flugbedingungen stören, wie es im folgenden beschrieben ist.
Der hintere Verkleidungsverschluß 26 ist, wie sein Name besagt, das verschließende Gebilde für den hinteren Teil der Verkleidung 22. Der hintere Verkleidungsverschluß 26 ist so ausgebildet, daß er die Ablösungspunkte der Massenluftströmung über dem hinteren Teil der Verkleidung 22 fixiert. Die Ablösungspunkte der Massenluftströmung würden sonst während verschiedenen Flugbedingungen über den hinteren Teil der Verkleidung 22 wandern, was die Gierstabilität des Hubschraubers 10 nachteilig beeinflussen würde. Eine ausführlichere Beschreibung der baulichen und funktionalen Eigenschaften der Verkleidung-Flosse-Integrationskonsole 24 und des hinteren Verkleidungsverschlusses 26 findet sich in der in gemeinsamem Besitz befindlichen EP-A-0 508 025 mit dem Titel SHROUD-FIN INTEGRATION SHELF FOR A HELICOPTER EMPENNAGE STRUCTURE.
Die aerodynamischen Konfigurationen und Ausrichtungen sowie die räumlichen Ausrichtungen der Verkleidung 22, des vertikalen Stabilisators 28 und des horizontalen Stabilisators 30, welche das integrierte Leitwerksgebilde 20 bilden, werden optimiert, um die notwendigen aerodynamischen Kräfte zu erzeugen, welche für den Flugbetrieb des Hubschraubers 10 erforderlich sind. Lateral- oder Gegendrehschub wird durch das Leitwerksgebilde 20 zur Gierstabilität und -richtsteuerung des Hubschraubers 10 bei Schwebeflug- und Vorwärtsflugbetriebsbedingungen geliefert. Das Leitwerksgebilde 20 liefert außerdem vertikale Kraftkomponenten zur statischen Nickstabilität und - manövrierbarkeit im Vorwärtsflugbetrieb.
Die räumliche Ausrichtung der Verkleidung 22, in welcher die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 untergebracht ist, und die räumliche Ausrichtung des vertikalen Stabilisators 28 sind integriert (interaktiv aufeinander bezogen), um eine verbesserte aerodynamische Leistung für den Hubschrauber 10 bei Schwebeflug- und Vorwärtsflugbetriebsbedingungen zur Verfügung zu stellen. In der Ausführungsform nach Fig. 4A ist die Verkleidung 22 unter einem ersten vorbestimmten Schrägungswinkel in bezug auf die vertikale Ebene Zs räumlich ausgerichtet. Der vertikale Stabilisator 28 ist unter einem zweiten vorbestimmten Schrägungswinkel in bezug auf die vertikale Ebene Zs räumlich ausgerichtet. Der zweite vorbestimmte Schrägungswinkel ist in Drehrichtung entgegengesetzt zu dem ersten vorbestimmten Schrägungswinkel in bezug auf die vertikale Ebene Zs.
Die räumliche Ausrichtung der Verkleidung 22, welche die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 enthält, verbessert die aerodynamische Leistung des Hubschraubers 10 bei Schwebeflugbetriebsbedingungen durch Schaffung einer positiven vertikalen Auftriebskomponente, wie es im folgenden ausführlicher beschrieben ist. Die räumliche Ausrichtung der Verkleidung 22 verbessert außerdem den Schwerpunkt (center of gravity oder C. G.) - Bereich des Hubschraubers 10 bei Schwebeflug- und Reiseflugbetriebsbedingungen.
Die Verwendung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 zum Schaffen von Gegendrehschub bei Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit ist aerodynamisch ineffizient, weil diese Verwendung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 einen großen zusätzlichen Strömungswiderstand mit sich bringt. Dieser zusätzliche Strömungswiderstand ist ein Ergebnis des großen Volumens an Luft, die längs der Hubschrauberverkleidung 22 strömt, welche sonst umgelenkt und durch die Mantelgebläse- Gegendrehvorrichtung 18 während des Vorwärtsfluges mit hoher Fluggeschwindigkeit eingesaugt werden müßte (Fig. 3). Das Umlenken und Einsaugen einer Luftströmung so großen Volumens würde einen großen Impulsströmungswiderstand erzeugen.
Zum Minimieren des Luftwiderstands bei Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit und zum gleichzeitigen Bereitstellen des verlangten Gegendrehschubes, der zur Gierstabilität des Hubschraubers 10 erforderlich ist, umfaßt das Leitwerksgebilde 20 einen optimal ausgestalteten vertikalen Stabilisator 28 zum Liefern der Mehrheit des verlangten Gegendrehschubes bei Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit. Eine 30%-Verringerung des zusätzlichen Luftwiderstands kann erzielt werden, indem der vertikale Stabilisator 28 zum Entlasten der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bei Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit benutzt wird, da die aerodynamische Konfiguration und Orientierung des vertikalen Stabilisators 28 optimiert wird, um ein höheres Auftrieb/Luftwiderstand-Verhältnis als die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 zu liefern.
Der vertikale Stabilisator 28 ist mit einer vorbestimmten Wölbung aerodynamisch ausgestaltet und/oder unter einem vorbestimmten Anstellwinkel aerodynamisch ausgerichtet. Der vertikale Stabilisator 28 gestattet als Ergebnis seiner räumlichen Ausrichtung (seines vorbestimmten Schrägungswinkels) in Kombination mit seiner aerodynamischen Konfiguration und/oder Ausrichtung eine progressive Entlastung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 mit zunehmenden Geschwindigkeiten bei Vorwärtsflugbetriebsbedingungen (die Entlastung wird erreicht durch Reduzieren des Einstellwinkels der Heckrötorblätter, wenn die Geschwindigkeit zunimmt).
Der vertikale Stabilisator 28 liefert den überwiegenden Teil (mehr als 60% bei der einen bevorzugten Ausführungsform) des Gegendrehschubes, der zur Gierstabilität des Hubschraubers 10 bei Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit notwendig ist. Bei Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit hoher Geschwindigkeit wird die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 nicht vollständig entlastet, vielmehr wird sie effektiv bis zu einem derartigen Grad entlastet, daß die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 weiterhin einen Sollwert des reduzierten Schubes liefert, z.B. etwa 667 N (150 Pfund) in der Ausführungsform nach den Fig. 1-3.
Das integrierte Leitwerksgebilde 20 weist weiter einen aerodynamisch ausgestalteten und ausgerichteten horizontalen Stabilisator 30 auf, der in Relation zu einer vorbestimmten Konfiguration und/oder Orientierung des vertikalen Stabilisators 28 optimiert wird, um negative vertikale Kräfte zur dynamischen Nickstabilität des Hubschraubers 10 bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen zu liefern. Der horizontale Stabilisator 30 ist in sich schneidender Kombination mit dem vertikalen Stabilisator 28 angeordnet, um Wirbelschleppenauftreffeffekte des Hauptrotors 14 zu minimieren.
Die Verkleidung 22, der vertikale Stabilisator 28 und der horizontale Stabilisator 30, die das Leitwerksgebilde 20 bilden, sind in Fig. 4a exemplarisch dargestellt, einer Rückansicht im Blick längs der Längsachse X-X nach vorn. Die Verkleidung 22, welche die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 enthält, ist unter einem ersten vorbestimmten Schrägungswinkel in bezug auf die vertikale Symmetrieebene Zs des Hubschrauberrumpfes 12 räumlich ausgerichtet. Der vertikalen Stabilisator 28 ist unter einem zweiten vorbestimmten Schrägungswinkel in bezug auf die vertikale Ebene Zs räumlich ausgerichtet. Der zweite vorbestimmte Schrägungswinkel ist im Drehsinne entgegengesetzt zu dem ersten vorbestimmten Schrägungswinkel in bezug auf die vertikale Ebene Zs, wie es in Fig. 4A gezeigt ist, so daß die effektive Winkelverlagerung zwischen der Mittelebene 23 der Verkleidung 22 und dem vertikalen Stabilisator 28 die Summe des ersten und zweiten vorbestimmten Schrägungswinkels ist. Eine solche räumliche Orientierung erlaubt, den horizontalen Stabilisator 30 in vorteilhafter Weise in im wesentlichen symmetrischer Relation in bezug auf den vertikalen Stabilisator 28 anzubringen, wie es im folgenden ausführlicher beschrieben ist.
Die Verkleidung 22, welche die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 enthält, ist unter einem ersten vorbestimmten Schrägungswinkel Θ1 relativ zu der vertikalen Ebene Zs räumlich ausgerichtet (wie es in Fig. 4A dargestellt ist, wobei der Schrägungswinkel Θ1 zwischen der Mittelebene 23 der Verkleidung 22 und der vertikalen Ebene Zs liegt). Die Größe des ersten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ1 wird durch Betriebserfordernisse bestimmt wie die Kreuzkopplungseffekte, die während Steuerbereichseingaben in die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 auftreten, insbesondere in bezug auf Kurstoleranzwerte, und der spezifische Entwurfseinsatz des Hubschraubers 10. Bei einer bevorzugten Ausführungsform betrug der Eingabesteuerbereich etwa -35 bis +50 Grad Einstellwinkel.
Basierend auf einer Steuerbereichseingabe in die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 von etwa -35 bis etwa +50 Grad Einstellwinkel und andere Betriebserfordernisse, wie sie oben exemplarisch beschrieben worden sind, haben die Erfinder einen Bereich für die Größe des ersten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ1 von größer als 0º bis etwa 20º definiert. Die Größe des ersten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ1 beträgt bei der einen bevorzugten Ausführungsform etwa 13º.
Der vertikale Stabilisator 28 ist unter einem zweiten vorbestimmten Schrägungswinkel Θ2 relativ zu der vertikalen Ebene Zs räumlich ausgerichtet (schräg gestellt) (wie in Fig. 4A dargestellt, wobei der Schrägungswinkel Θ2 zwischen der Mittelebene 29 des vertikalen Stabilisators 21 an der Vorderkante desselben und der vertikalen Ebene Zs liegt). Die Größe des zweiten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ2 basiert auf der Größe des ersten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ1. Der zweite vorbestimmte Schrägungswinkel Θ2 hat eine Größe, die wenigstens so groß ist wie die Größe des ersten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ1, um sicherzustellen, daß der Schnittwinkel α zwischen dem vertikalen Stabilisator 28 und dem horizontalen Stabilisator 30 größer als 90º ist. Diese Kenngröße minimiert die aerodynamische Störung zwischen dem vertikalen und horizontalen Stabilisator 28, 30.
Die Erfinder haben einen Bereich für die Größe des zweiten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ2 definiert, der auf der Minimierung von aerodynamischen Störungseffekten zwischen den vertikalen und horizontalen Stabilisatoren 28, 30 basiert und etwa 0º bis etwa 15º und vorzugsweise etwa 5º bis etwa 10º größer als der erste vorbestimmte Schrägungswinkel Θ1 ist. Die Größe des zweiten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ2 für die eine bevorzugte Ausführungsform des Hubschraubers 10, die in dem vorhergehenden Absatz angegeben ist, beträgt etwa 20º.
Eine Überprüfung von Fig. 4A zeigt, daß die räumliche Orientierung der Verkleidung 22 entgegengesetzt gerichtet zu der räumlichen Orientierung des vertikalen Stabilisators 28 ist. Das heißt, der erste vorbestimmte Schrägungswinkel Θ1 liegt in bezug auf die vertikale Ebene Zs im Gegenuhrzeigersinn, wogegen der zweite vorbestimmte Schrägungswinkei Θ2 in bezug auf die vertikale Ebene Zs im Uhrzeigersinn liegt. Die effektive Winkelverlagerung β zwischen der Verkleidung 22 und dem vertikalen Stabilisator 28 ist die Summe des ersten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ1 und des zweiten vorbestimmten Schrägungswinkels Θ2. Die relative räumliche Beziehung zwischen der Verkleidung 22 und dem vertikalen Stabilisator 28 des Leitwerksgebildes 20 definiert eine Kombination aus integrierter Verkleidung 22 und vertikalem Stabilisator 28, die einen Gegendrehschub bei Schwebeflug- und Vorwärtsgeschwindigkeitsflugbetriebsbedingungen zur Gierstabilität und -richtsteuerung liefert, eine positive vertikale Auftriebskomponente bei Schwebeflugbetriebsbedingungen zum Steigern des Auftriebsvermögens des Hubschraubers 10 liefert, die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bei den Vorwärtsflugbedingungen mit höherer Geschwindigkeit effektiv entlastet, um die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Hubschraübers bei diesen Flugbetriebsbedingungen zu steigern, und eine negative vertikale Kraftkomponente zur dynamischen Nickstabilität bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen liefert.
Der vertikale Stabilisator 28 ist, basierend auf der räumlichen Ausrichtung, die in den vorhergehenden Absätzen beschrieben ist, mit einer vorbestimmten Wölbung C und einem vorbestimmten Anstellwinkel I aerodynamisch konfiguriert und/oder orientiert, um für eine Entlastung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit zu sorgen. Für die in den Fig. 1-3 dargestellte Ausführungsform wurde der NASA-Flügelprofilquerschnitt 63&sub3;A618 (der durch seine vorbestimmte Wölbung C einen effektiven Anstellwinkel von 4º ergibt) als die Flügelprofilkonfiguration für den vertikalen Stabilisator 28 ausgewählt, um die laterale Kraft zu erzeugen, die notwendig ist, um die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bei den Vorwärtsflugbedingungen mit höherer Geschwindigkeit effektiv zu entlasten. Andere relevante Abmessungen der einen bevorzugten Ausführungsform des vertikalen Stabilisators 28 beinhalten einen Stabilisatorflächeninhalt S von etwa 2,3 m² (25 Quadratfuß), eine Spannweite b von etwa 2286 mm (7,5 Fuß (90 Zoll)), eine mittlere Sehnenlänge von etwa 978 mm (38,5 Zoll) und einen Schlankheitsgrad AR von etwa 2,35.
Ein vorbestimmter Anstellwinkel I für den vertikalen Stabilisator 28 ist in Fig. 4B exemplarisch dargestellt und ist als der Winkel I zwischen der Sehne 27 des vertikalen Stabilisators 28 und der vertikalen Ebene Zs definiert. Ein Auswahlkriterium für den vorbestimmten Anstellwinkel I ist eine Größe, die ausreicht, damit der vertikale Stabilisator 28 eine aerodynamische Auftriebskraft entwickelt, welche die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bis zu einem Sollwert bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit entlastet. Für eine bevorzugte Ausführungsform betrug bei einem Entlastungssollwert von etwa 667 N (150 Pfund) der vorbestimmte Anstellwinkel I etwa 6,5º. Der vertikale Stabilisator 28 liefert bei einem Anstellwinkel von 6,5º etwa 40% des Gegendrehschubes, der bei einer Vorwärtsgeschwindigkeit von etwa 222 km/h (120 Knoten) erforderlich ist, und mehr als 60% des verlangten Gegendrehschubes bei Vmax von 287 km/h (etwa 155 Knoten).
Ein Schubdiagramm für die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18, die in dem Leitwerksgebilde 20 vorgesehen ist, ist in Fig. 4C dargestellt. Die in die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 einströmende Massenluftströmung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, wird geregelt, um einen Schub F&sub1;&sub8; zu produzieren, der längs der Achse 19 der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 wirkt (der erzeugte Schub F&sub1;&sub8; ist von derselben Seite der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 nach außen gerichtet wie die einströmende Massenluftströmung). Da die Achse 19 der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 in bezug auf die Querachse Y-Y um den ersten vorbestimmten Schrägungswinkel Θ1 versetzt ist (wegen der räumlichen Orientierung der Verkleidung 22), kann der erzeugte Schub F&sub1;&sub8; in eine Gegendrehschubkomponente F18AT in der Richtung der Querachse Y-Y und in eine positive vertikale Kraftkomponente F18L in der Richtung der vertikalen Achse Z-Z aufgelöst werden.
Ein Kraftdiagramm für den vertikalen Stabilisator 28 des in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen Leitwerksgebildes 20 ist in Fig. 4D dargestellt. Die Massenluftströmung über dem vertikalen Stabilisator 28 produziert eine aerodynamische Auftriebskraft F&sub2;&sub8; aufgrund der aerodynamischen Konfiguration und Orientierung des vertikalen Stabilisators 28. Da der vertikale Stabilisator 28 in bezug auf die Querachse Y-Y um den zweiten vorbestimmten Schrägungswinkel Θ2 versetzt ist, kann die Auftriebskraft F&sub2;&sub8;, die durch die Massenluftströmung über dem vertikalen Stabilisator 28 produziert wird, in eine Gegendrehkraftkomponente F28AT in der Richtung der Querachse Y-Y und in eine negative vertikale Kraftkomponente F28L in der Richtung der vertikalen Achse Z-Z aufgelöst werden.
Im Schwebeflugbetrieb liefert die Gegendrehschubkomponente F18AT, welche durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 erzeugt wird, die Gegendrehkraft zum Gegenausgleichen der Momenterzeugungseffekte des Hauptrotors und zum Bewirken der Gierrichtsteuerung. Bei Translations- bis Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit niedriger Geschwindigkeit wird die Gegendrehkraft zum Gegenausgleichen der Momenterzeugungseffekte des Hauptrotors durch eine Kombination der Gegendrehschubkomponente F18AT, welche durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 erzeugt wird, und der Gegendrehkraftkomponente F28AT, welche durch die Massenluftströmung über dem vertikalen Stabilisator 28 erzeugt wird (die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 wird bei höheren Geschwindigkeiten durch den vertikalen Stabilisator 28 zunehmend entlastet), geliefert, um aerodynamische Beanspruchungen des Gebläses der Mantelgebläse- Gegendrehvorrichtung 18 zu minimieren. Bei Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit wird die Gegendrehkraft effektiv durch die Gegendrehkraftkomponente F28AT geliefert, welche durch die Massenluftströmung über dem vertikalen Stabilisator 28 erzeugt wird.
Die negative vertikale Kraftkomponente F28L, die durch den vertikalen Stabilisator 28 geliefert wird, ergänzt die negative Auftriebskraft L&sub3;&sub0; (vgl. Fig. 4A), die durch den horizontalen Stabilisator 30 geliefert wird. Infolgedessen gestattet die aerodynamische Wirkung des vertikalen Stabilisators 28, die aerodynamische Konfiguration und/oder Orientierung des horizontalen Stabilisators 30 zu reduzieren. Diese Reduktionen führen zu Gewichtseinsparungen und/oder verbessertem aerodynamischen Wirkungsgrad (durch Reduktion des hervorgerufenen Luftwiderstands) für das Leitwerksgebilde 20.
Darüber hinaus erleichtern die aerodynamischen Effekte, die durch den aerodynamischen Betrieb des vertikalen Stabilisators 28 erzeugt werden, eine im wesentlichen symmetrische Befestigung des horizontalen Stabilisators 30 in Kombination mit dem vertikalen Stabilisator 28, wie es in Fig. 4A dargestellt ist. Kleinere dynamische Kräfte werden über den Befestigungsanschluß übertragen, mit dem Ergebnis, daß der Anschluß in Größe und Gewicht reduziert werden kann. Darüber hinaus wird die aerodynamische Störung zwischen den gewölbten Oberflächen des vertikalen und horizontalen Stabilisators 28, 30 durch die Stumpfheit des Schnittwinkels α zwischen dem horizontalen und vertikalen Stabilisator 28, 30 minimiert, wodurch die saugseitigen Oberflächen des vertikalen und horizontalen Stabilisators 28, 30 um eine größere Strecke effektiv voneinander entfernt werden.
Der horizontale Stabilisator 30 wird aerodynamisch konfiguriert und ausgerichtet, um die dynamische Nickstabilität des Hubschraubers 10 bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen zu optimieren. Der horizontale Stabilisator 30 ist in Draufsicht ungepfeilt und hat einen relativ hohen Schlankheitsgrad. Bei der einen bevorzugten Ausführungsform hat der horizontale Stabilisator 30 eine aerodynamische Konfiguration mit einem Flächeninhalt S von etwa 1,7 m² (19 Quadratfuß), einer Spannweite b von etwa 2565 mm (8,45 Fuß(101 Zoll)), einer mittleren Sehne Cm von etwa 685 mm (27 Zoll) und einem Schlankheitsgrad AR von etwa 3,75. Die eine bevorzugte Ausführungsform, hat den Flügelprofilquerschnitt SU3015 (ungewölbtes Sikorsky-Flügelprofil der Serie 30 mit einer Dicke von 15%).
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist der horizontale Stabilisator 30 in Kombination mit dem vertikalen Stabilisator 28 so befestigt, daß sie eine kreuzförmige Leitwerkskonfiguration bilden. In einer weiteren Ausführungsform ist der horizontale Stabilisator 30 in Kombination mit dem vertikalen Stabilisator 28 so befestigt, daß sie eine "T"-Konfiguration bilden. In beiden Ausführungsformen ist der horizontale Stabilisator 30 an einem hochgelegenen Ort an dem vertikalen Stabilisator 28 befestigt, um Wirbelschleppenauftreffeffekte der Hauptrotorblätter auf die Massenluftströmung über dem horizontalen Stabilisator 30 zu minimieren. Der Anstellwinkel des horizontalen Stabilisators 30 ist relativ klein und basiert auf einem Kompromiß zwischen Längssteuergrenzen und Vibrationen, welche durch die Wirbelschleppe von dem Hauptrotor 14 her verursacht werden. Für die eine bevorzugte Ausführungsform ergibt ein Anstellwinkel von -3º (±5º) eine zufriedenstellende dynamische Nickstabilität.
Eine ausführlichere Beschreibung der strukturellen und funktionellen Eigenschaften der Verkleidung 22, des vertikalen Stabilisators 28 und des horizontale Stabilisators 30, welche das Leitwerksgebilde 20 bilden, findet sich in der in gleichem Besitz befindlichen EP-A-0 508 026.
Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 hat eine Konfiguration, die optimiert wird, um den Gegendrehschub zu liefern, der durch den Hubschrauber 10 zur Gierstabilität und -manövrierbarkeit im Schwebeflug- und Vorwärtsflugbetrieb verlangt wird. Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 kann räumlich ausgerichtet sein, vgl. die obige Erläuterung in bezug auf die räumliche Ausrichtung der Verkleidung 22, um eine vertikale Auftriebskomponente zu liefern, die zu dem Gesamtauftriebsvermögen des Hubschraubers 10 beiträgt. Gleichzeitig wird die Konfiguration der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 optimiert, um die Betriebsgeräuschpegel der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 zu reduzieren.
Die baulichen und funktionalen Eigenschaften der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18, wie sie in den folgenden Absätzen beschrieben ist, basieren auf einem Hubschrauber, der einen Hauptrotor 14 hat, bei dem sich die Hauptrotorblätter im Gegenuhrzeigersinn (bei Blick in Abwärtsrichtung auf den Hubschrauber) drehen. Im Einklang mit dieser Betriebsbeschränkung bewirkt die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 die Unten- Blatt-Vorwärts(BBF)-Drehung der Heckrotorblätter, um den verlangten Gegendrehschub zu liefern. Für den einschlägigen Fachmann ist jedoch zu erkennen, daß die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 auch bei Hubschraubern benutzt werden kann, bei denen sich die Hauptrotorblätter im Uhrzeigersinn drehen (bei entsprechender Drehung der Heckrotorblätter).
Die Entwurfsabmessungen der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 und die Betriebseigenschaften derselben wie Gebläseschub und Gebläsesteuerbereich basieren auf den Einsatzforderungen, die der Hubschrauber 10 zu erzielen in der Lage sein muß. Zum Beispiel, ein derartiger Satz von Betriebsforderungen, die die Entwurfsabmessungen der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 für eine bevorzugte Ausführungsform bestimmen können, ist ein Gebläse-Leistung/Steuerung-Bereich zum Erzielen eines maximalen Gegendrehschubes im Schwebeflug bei einem rechten Querwind von 83 km/h (45 Knoten) und einer Gierbeschleunigung von 0,85 rad/s² (50 Grad/s²) bei einem leichten Querwind (bis zu etwa 27 km/h (15 Knoten)). Diese Betriebsforderungen definieren einen Hubschrauber, der einen Gegendrehschub hat, welcher die Möglichkeit bietet, eine 180º-Schwebeflugkurve von Stop zu Stop in fünf Sekunden bei leichten Querwinden zu erzielen.
Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 kann in Kombination mit der Verkleidung 22 so angeordnet werden, daß sich eine Wasserlinie niedrigen Drehmoments ergibt, so daß die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 nicht zu einem nennenswerten Rollmoment beiträgt, wenn der kollektive Blatteinstellwinkel vergrößert wird (was eine entsprechende Vergrößerung des Gegendrehschubes verursacht). Diese räumliche Positionierung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 eliminiert die Notwendigkeit einer mechanischen Kopplung der lateralen zyklischen Blattverstellung mit der kollektiven Blattverstellung.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 5A, 5B, 6 umfaßt die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 einen Luftströmungskanal 40 und ein Gebläse 60, das innerhalb des Kanals 40 montiert ist. Der Kanal 40 ist in Kombination mit der Verkleidung 22 so angeordnet, daß die Achse 19 der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 zu der Mittelebene der Verkleidung 22 im wesentlichen rechtwinkelig ist. Die resultierende räumliche Orientierung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bei räumlich orientierter Verkleidung 22, wie es oben beschrieben worden ist, ist so, daß die Achse 19 relativ zu der Querachse Y-Y des Hubschraubers 10 um den ersten vorbestimmten Schrägungswinkel Θ1 versetzt ist.
Die Konfiguration des Luftströmungskanals 40 beinhaltet einen Kanaldurchmesser 42, eine Kanalbreite 44 (Querabmessung), einen Einlaß 46, der eine Einlaßlippenkonfiguration 46R mit vorbestimmtem, konstantem Radius hat, einen divergenten Kanalteil 48 und einen Auslaß 50, der eine Auslaßlippenkonfiguration 50R mit einem vorbestimmtem, variablen Radius hat. Die Konfigurationen und Abmessungen von verschiedenen Elementen, welche den Kanal 40 bilden, beeinflussen die aerodynamische Gesamtleistung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18.
Zwangsgrößen wie der Hauptrotordurchmesser, die verfügbare Triebwerksleistung und die Größe des Gebläses 60 beeinflussen die Dimensionierung des Kanaldurchmessers 42. Der Durchmesser des Hauptrotors 14 und die Betriebskenndaten desselben legen den Bereich des Gegendrehschubes fest, der durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 geliefert werden muß, um die durch den Hauptrotor 14 hervorgerufenen Drehmomenteffekte auszugleichen. Darüber hinaus muß die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 in der Lage sein, jeden zusätzlichen Schub zu liefern, der durch Flugbetriebszwänge des Hubschraubers 10 diktiert wird, wie zum Beispiel die oben beschriebenen (zum Beispiel die Drehmöglichkeit bei definierten Schwebeflugbedingungen). Die Größe des Gebläses 60 (zum Beispiel die Spannweite der Heckrotorblätter) ist eine der Hauptbestimmungsgrößen des Schuberzeugungsvermögens der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18.
Der Durchmesser des Gebläses 60 steht jedoch in direkter Beziehung zu der und beeinflußt die Dimensionierung des Kanaldurchmessers 42 (pragmatisch, für Beschreibungszwecke, ist der Durchmesser des Gebläses dem Kanaldurchmesser 42 äquivalent). Ein vergrößerter Kanaldurchmesser 42 gestattet, ein Gebläse 60 mit größerem Durchmesser zu verwenden, um den verlangten Gegendrehschub zu erzeugen, was die Leistung verringert, die durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 verlangt wird, und die Frequenzen des Oberschwingungsgeräusches. Eine solche Konfiguration bringt jedoch ein vergrößertes Gewicht für die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 und daher ein größeres Gesamtsystemgewicht mit sich. Durch Verringern des Kanaldurchmessers 42 wird der Durchmesser (und damit das Gewicht) des Gebläses 60 verringert, es werden aber die Frequenzen des Oberschwingungsgeräusches vergrößert, und es ist mehr Leistung erforderlich, um den verlangten Gegendrehschub zu erzeugen. Diese Faktoren werden gewichtet, um einen optimalen Kanaldurchmesser 42 für die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 zu schaffen. Die eine bevorzugte Ausführungsform hat einen Kanaldurchmesser 42 (gemessen in der Ebene der Heckrotorblätter - vgl. Fig. 6) von etwa 1,2 m (4 Fuß). Eine weitere bevorzugte Ausführungsform hat einen Kanaldurchmesser 42 von etwa 1,37 m (4,5 Fuß).
Optimal maximiert ein Verhältnis (L/D) von Kanalbreite (Querabmessung) 44 zu Durchmesser von 1,0 die Gegendrehschuberzeugung durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 (das Verhältnis L/D basiert auf dem Durchmesser des Gebläses 60, von dem für Beschreibungszwecke angenommen wird, daß er gleich dem Kanaldurchmesser 42 ist - vgl. die folgende Beschreibung des Gebläses 60). Eine Kanalbreite 44, die gleich dem Durchmesser ist, ist jedoch keine praktische Überlegung für das Leitwerksgebilde 20, da das zu einer großen Breite (Querabmessung) der Verkleidung 22 führen würde, die ein Leitwerksgebilde 20 übermäßigen Gewichts ergäbe. Ein primärer Faktor beim Bestimmen der Kanalbreite 44 ist unter pragmatischen Gesichtspunkten der Abstand zwischen der Ebene der Heckrotorblätter und der Vorderkante der Nabentragstreben, wie es im folgenden im einzelnen beschrieben ist. Ein L/D-Verhältnis von etwa 0,4 ergibt eine Konfiguration der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18, die in der Lage ist, den verlangten Wert des Gegendrehschubes effektiv zu liefern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Luftströmungskanal 40 eine Kanalbreite 44 von etwa 0,54 m (1,8 Fuß).
Die aerodynamische Leistung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 wird beträchtlich durch die Konfiguration des Einlasses 46 beeinflußt. Die Einlaßkonfiguration 46 bestimmt den Grad der Verzerrung der eintretenden Massenluftströmung (die Nichtgleichförmigkeit der Luftströmungsgeschwindigkeitsverteilung), die Charakteristik der Grenzschichtströmung (anliegend oder abgelöst) und die Seitenkräfte, welche an dem Leitwerksgebilde 20 hervorgerufen werden und aus der Umlenkung der eintretenden Massenluftströmung resultieren. Die Konfiguration des Einlasses 46 sollte das Gebläse 60 mit einer Massenluftströmung versorgen, die eine anliegende Grenzschicht und eine relativ gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung hat, das heißt, um Turbulenz in dem praktisch möglichen Ausmaß zu minimieren.
Eine gekrümmte Einlaßkonfiguration ist einer scharfkantigen Einlaßkonfiguration mit Rücksicht auf Massenluftströmungsablösungseffekte klar vorzuziehen. Es ist festgestellt worden, daß eine Lippe 46 mit kleinem Krümmungsradius in Kombination mit einem stromabwärtigen divergenten Kanalteil 48 (anschließend an die Blattebene des Gebläses 60) eine gute Leistung sowohl bei den Schwebeflug- als auch bei den Flugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit ergibt, indem sie der eintretenden Massenluftströmung gestattet, in Anlage an der Einlaßoberfläche zu bleiben. Eine Größe für das Verhältnis des Einlaßlippenradius 46R zu dem Kanaldurchmesser 42 von größer als 0,065 bis etwa 0,075 ergibt eine zufriedenstellende eintretende Massenluftströmung während Schwebeflugoperationen und bei Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit. Für eine bevorzugte Ausführungsform hat die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 einen Einlaßradius 46R von etwa 102 mm (4 Zoll).
Der divergente Kanalteil 48 des Luftströmungskanals 40 (definiert als der Teil des Kanals 40, der sich stromabwärts von der Ebene der Heckrotorblätter des Gebläses 60 befindet) ergibt in Kombination mit der Konfiguration des Auslasses 50 die Form des ausströmenden Massenluftstroms, die ihrerseits die Leistung der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 beeinflußt. Der divergente Kanalteil 48 und der Auslaß 50 sind so gestaltet, daß eine Ablösung der Massenluftströmung von dem Kanal 40 verhindert wird und daß eine Nachstromkontraktion hinter der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 eliminiert wird. Eine effektive Wechselwirkung zwischen dem divergenten Kanalteil 48 und dem Auslaß 50 ergibt eine Zunahme des in die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 während Flugoperationen einströmenden Massenluftstroms.
Die Konfiguration des divergenten Kanalteils 48 erleichtert die Druckrückgewinnung in dem Kanal 40. Ein übermäßiger Divergenzwinkel wird jedoch eine Strömungsablösung von den Kanalwänden verursachen und wird den Umkehrschubbetrieb verschlechtern (bei dem die Massenluftströmung durch den Kanal 40 bei Bug-Rechts-Seitenrutsch-Flugbedingungen umgekehrt wird, so daß der Einlaß 44 als der Auslaß fungiert, und umgekehrt). Ein Kanaldivergenzwinkel Φ (vgl. Fig. 6) von etwa 5º ergibt eine anliegende Massenluftströmung durch den divergenten Kanalteil 48 des Kanals 40 und sorgt außerdem für eine zufriedenstellende Leistung während Umkehrschuboperationen.
Bei der herkömmlichen Entwurfsmethodologie wird üblicherweise ein Auslaß benutzt, der eine spitze Lippenkonfiguration (einen scharfen Winkel oder minimalen Radius) hat, um die austretende Massenluftströmung sauber von dem benachbarten Heckgebilde zu trennen. Eine spitze Lippenkonfiguration minimiert Saugwirkungen an dem Auslaß, da Saugwirkungen an dem Auslaß eine Verschlechterung in dem Gegendrehschuberzeugungsvermögen einer Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung hervorrufen würden. Eine spitze Lippenkonfiguration verschlechtert jedoch die Leistung einer Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung während Gegenschuboperationen, bei denen der Auslaß effektiv dazu dient, die eintretende Massenluftströmung zu liefern.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß ein Auslaß 50, der eine Konfiguration 50R mit gekrümmter Lippe mit variablem Radius hat, die Umkehrschubfähigkeit der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 verbessert und darüber hinaus den parasitären Luftwiderstand der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bei Vorwärtsflugbetriebsbedingungen reduziert. Eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des Auslasses 50, die die Konfiguration 50R mit gekrümmter Lippe mit variablem Radius zeigt, ist in Fig. 7 veranschaulicht. Die longitudinale und vertikale Achse X-X bzw. Z-Z des Hubschraubers 10 sind dargestellt, um einen Bezugsrahmen zu schaffen, wobei X+ die longitudinale Achse in der Vorwärtsflugrichtung des Hubschraubers 10 angibt.
Die gekrümmte Lippenkonfiguration 50R umfaßt ein erstes Lippensegment 50RS1 mit konstantem Radius, ein zweites Lippensegment 50RS2 mit konstantem Radius und dazwischen Übergangssegmente 50RTS mit variablem Radius, die für einen glatten baulichen Übergang zwischen dem ersten und zweiten Lippensegment 50RS1 bzw. 50RS2 mit konstantem Radius sorgen. Das erste Lippensegment 50RS1 mit konstantem Radius hat einen Krümmungsradius R1, der kleiner als der Krümmungsradius R2 des zweiten Lippensegments 50RS2 mit konstantem Radius ist. Für eine bevorzugte Ausführungsform hat das erste Lippensegment 50RS1 mit konstantem Radius einen Krümmungsradius R1 von etwa 12,7 mm (0,5 Zoll), und das zweite Lippensegment mit konstantem Radius 50R2 hat einen Krümmungsradius R2 von etwa 102 mm (4 Zoll).
Gemäß der Darstellung in Fig. 7 umfaßt das erste Lippensegment 50RS1 mit konstantem Radius einen Sektor von 180º der gekrümmten Lippenkonfiguration 50R (der Sektor ist in bezug auf die longitudinale Achse der Vorwärtsrichtung symmetrisch angeordnet), und umfaßt das zweite Lippensegment 50RS2 mit konstantem Radius einen Sektor von 90º der gekrümmten Lippenkonfiguration 50R (der Sektor ist in bezug auf die longitudinale Achse in der Rückwärtsrichtung symmetrisch angeordnet). Es ist klar, daß die mit konstantem Radius versehenen Lippensegmente 50RS1, 50RS2 Sektoren der gekrümmten Lippenkonfiguration 50R mit anderer Gradzahl und/oder Ausrichtung umfassen können und trotzdem innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung liegen. Zum Beispiel, das mit konstantem Radius versehene zweite Lippensegment 50RS2 kann einen 120º-Sektor der gekrümmten Lippenkonfiguration 50R umfassen (symmetrisch angeordnet in bezug auf die Längsachse in der Rückwärtsrichtung).
Gemäß der Darstellung in den Fig. 5A und 5B hat das Gebläse 60 ein aerodynamisch geformtes Nabengebilde 62, mehrere aerodynamisch gestaltete Tragstreben 64 zum Befestigen des Nabengebildes 62 in dem Luftströmungskanal 40 und mehrere Heckrotorblätter 66, die an dem Nabengebilde 62 drehbar befestigt sind. Die Heckrotorblätter 66 sind aerodynamisch gestaltet und für die Schuberzeugung manipulierbar. Das Nabengebilde 62 fungiert als ein Gehäuse für Gebläsebetriebsuntersysteme 68 wie das Heckrotorgetriebe und die Servosteuereinrichtungen zum Regulieren des Betriebes (Blatteinstellwinkeländerungen) der Heckrotorblätter 66. Das Nabengebilde 62 fungiert auch als Drehlagerung für die Heckrotorblätter 66.
Die Ebene 66P der Heckrotorblätter 66 ist quer zu der Achse 19 der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 und kann unmittelbar stromabwärts des Krümmungsendpunktes des Einlaßlippenradius 46R angeordnet sein, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Der Abstand 70 zwischen der Blattebene 66P und den Vorderkanten der Tragstreben 64 ist ein Faktor, welcher die Geräuscherzeugung durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 beeinflußt. In einer Ausführungsform ist, um akustische Wechselwirkungstöne im wesentlichen zu eliminieren, die an den Rotorblättern 66 durch die Tragstreben 64 hervorgerufen werden, das Verhältnis des Abstands 70 zu der Strebenabmessung 64d, wie im folgenden noch ausführlicher erläutert, relativ groß und beträgt größenordnungsmäßig etwa 2,0 bis etwa 2,5.
Die Tragstreben 64 haben eine elliptische Konfiguration, um Turbulenz und Wirbelablösung zu minimieren. Elliptisch gestaltete Tragstreben 64 reduzieren die Belastung an den Heckrotorblättern 66 während des normalen Betriebes der Mantelgebläse- Gegendrehvorrichtung 18 und gleichzeitig das damit verbundene Belastungsgeräusch und reduzieren Schubverluste aufgrund des Ablösungswiderstands. Die elliptische Konfiguration reduziert auch die Turbulenzeinsaugung im Umkehrschubzustand, wodurch gleichzeitig das Geräusch reduziert wird, welches aus durch Turbulenz hervorgerufener Belastung resultiert. Die elliptische Konfiguration der Tragstreben 64 und die entsprechende Strebenabmessung 64d sind in Fig. 6 exemplarisch veranschaulicht. Minimal sollte die elliptische Konfiguration für die Tragstreben 64 eine 2:1-Ellipse und vorzugsweise eine 3 bis 3,5:1-Ellipse sein.
Bei der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 können drei elliptisch gestaltete Tragstreben 64 benutzt werden, dies als bauliche Abstützungen fungieren, um das Nabengebilde 62 innerhalb des Luftströmungskanals 40 koaxial zu befestigen. Ein Ende jeder Tragstrebe 64 geht durch den Kanal 40 hindurch, um die Tragstreben 64 an Bauteilen der Verkleidung 22 zu befestigen. Eine erste Tragstrebe 64A ist ein (in bezug auf Achse 19) radial angeordnetes, (in bezug auf die Hubschrauberachsen) longitudinal ausgerichtetes, aerodynamisch gestaltetes Traggebilde, das sich zwischen dem Nabengebilde 62 und dem Luftströmungskanal 40 erstreckt. Eine Steuerstange 68CR und eine Antriebswelle 68DS, die die Schnittstelle zwischen dem Steuersystem und dem Übertragungssystem sowie Gebläsebetriebsuntersystemen 68 (Servosteuerung bzw. Heckrotorgetriebe) bilden, sind im Inneren des ersten Traggebildes 64A untergebracht.
Die anderen beiden aerodynamisch gestalteten Tragstreben 64B sind von der Achse 19 radial versetzt, das heißt bilden nichtradiale Befestigungsgebilde zwischen dem Nabengebilde 62 und der Verkleidung 22. Diese Tragstreben 64B sind in bezug aufeinander kollinear und (in bezug auf die Hubschrauberachsen) vertikal orientiert. Der Hinweggang des Heckrotorblattes 66 über die nichtradialen, vertikal ausgerichteten Tragstreben 64B erfolgt im Vergleich zu den radial ausgerichteten Tragstreben (Augenblicksblatthinweggang) relativ allmählich, so daß hervorgerufene Druck(belastungs)-Gradienten an den Heckrotorblättern 66 flach sind. Die nichtradiale, vertikale Ausrichtung der Tragstreben 64 minimiert induziertes Blattbelastungsgeräusch.
Das Heckrotoruntersystem ist ein starrer Rotor, der mehrere Heckrotorblätter 66 hat. Acht (8) Heckrotorblätter 66 wurden für das Heckrotoruntersystem der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 auf der Basis von Akustik-, Zuverlässigkeits-, Dauerhaftigkeits- und Überlebensüberlegungen für das Heckrotoruntersystem ausgewählt. Jedes der 8 Rotorblätter 66 ist größer und robuster als die Heckrotorblätter der Aerospatiale- Hubschrauber, welche eine Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung aufweisen, die entweder 11 oder 13 Heckrotorblätter hat. Eine Heckrotorunterbaugruppe, die nur 8 Heckrotorblätter 66 hat, erleichtert die Reduktion der Blattpassagefrequenzerscheinung, was zur Folge hat, das der lauteste Teil des durch die Blätter erzeugten Geräuschpegels deutlich unterhalb des Hörfrequenzbereiches der höchsten Hörempfindlichkeit ist, jedoch nicht so niedrig ist, daß eine Langbereichsausbreitung seiner akustischen Signatur möglich ist.
Die Rotorblätter 66 haben in Draufsicht eine unverjüngte oder nichtkegelige Konfiguration, die ein maximales Schuberzeugungsvermögen ergibt und die Blattfertigungsprozeduren vereinfacht. Der Flügelprofilquerschnitt der Heckrotorblätter 66 stammt aus der NACA-Serie 64 wie zum Beispiel das Flügelprofil 64A322, das die beste Leistung (Entwurfsspitzengeschwindigkeit) über dem verlangten Bereich von Betriebsbedingungen ergibt. Jedes Rotorblatt 66 hat eine vorbestimmte Sehne, damit sich eine hohe Auffüllung ergibt, um eine Gierbeschleunigungsentwurfsleistungsforderung von 0,85 rad/s² zu erfüllen und für eine geringe Blattbelastung zu sorgen. Für eine bevorzugte Ausführungsform beträgt die vorbestimmte Sehne etwa 0,16 m (0,55 Fuß). Jedes Rotorblatt 66 hat eine vorbestimmte Verdrehung von etwa -7º als Verdrehung zwischen Nabe und Spitze, um für ein gutes Ansprechen auf die Steuerung zu sorgen, insbesondere bei niedrigen und negativen Schubwerten.
Die Heckrotorblätter 66 eignen sich zur Unten-Blatt-Vorwärts (bottom blade forward oder BBF)-Drehung, um Störeffekte mit der Hauptrotornachströmung zu minimieren. Der Blatteinstellwinkelsteuerbereich der Heckrotorblätter 66 ist erhöht worden, um eine Blattverstellung über einem breiten Steuerbereich zur Schubveränderung zur verbesserten Manövrierbarkeit zu gestatten, insbesondere beim Ausführen von neuen Manövern, wie sie im folgenden kurz erläutert sind. Die Steuerstange 68CR der Gebläsebetriebsuntersysteme 68 bildet die Einrichtung zum Ausführen von solchen Blattverstellungen. Für die eine bevorzugte Ausführungsform reicht der Steuerbereich für die Heckrotorblätter 66 von etwa -35º bis etwa +50º. Der positive Blattverstellgrenzwert von 50º wurde so gewählt, daß er mit dem Einsetzen des Strömungsabrisses der Heckrotorblätter 66 im Schwebeflugbetrieb zusammenfällt. Die Betriebsspitzengeschwindigkeit für die Heckrotorblätter 66 wurde auf der Basis von Geräuschüberlegungen ausgewählt. Eine niedrigere Blattspitzengeschwindigkeit reduziert sowohl die Amplitude als auch die Frequenz des an der Blattspitze erzeugten Geräusches. Für eine Ausführungsform wurde eine Blattspitzengeschwindigkeit von etwa 182 m/s (600 Fuß/s), durch den Piloten auf etwa 164 m/s (540 Fuß/s) reduzierbar, gewählt. Für eine weitere Ausführungsform wurde eine maximale Blattspitzengeschwindigkeit gewählt, die 205 m/s (675 Fuß/s) nicht übersteigt, wobei diese Geschwindigkeit auf etwa 188 m/s (620 Fuß/s) reduzierbar ist.
Zum Optimieren der Leistung des Gebläses 60 durch Minimieren der Druckverluste an den Rotorblättern 66 wird ein kleines Spiel (von etwa 2,54 mm (0.1 Zoll)) zwischen den Spitzen der Rotorblätter 66 und der Oberfläche des Luftströmungskanals 40 vorgesehen. Angesichts der geringen Größe der Spielabmessung gegenüber dem Gesamtdurchmesser des Gebläses von etwa 1,2 bis 1,37 m (etwa 4 bis etwa 4,5 Fuß) kann der Gesamtgebläsedurchmesser benutzt werden, um den Kanaldurchmesser 42 für die meisten Zwecke zu beschreiben.
Aufgrund der Kenndaten der Massenluftstromeinströmung in die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 während des Betriebes derselben fungieren die Einlaßlippenkonfiguration 46 und Teile der Verkleidung 22, die dazu benachbart sind, als aerodynamische Auftriebsflächen bei Schwebeflug- und Vorwärtsflugbetriebsbedingungen, um eine Schubverstärkung zu bewirken, das heißt einen Schub zu erzeugen, der über und oberhalb desjenigen liegt, welcher durch das Gebläse 60 der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 erzeugt wird. Die Schubverstärkung, die durch die Einlaßlippenkonfiguration 46 und benachbarte Teile der Verkleidung 22 erzeugt wird, ist ein Ergebnis des reduzierten statischen Druckes RSP in diesen Gebieten als ein Resultat von durch das Gebläse 60 hervorgerufenen Geschwindigkeiten in der eintretenden Massenluftströmung, wie es in Fig. 8 schematisch gezeigt ist.
Für eine ideale Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung ist die Saugwirkung als ein Ergebnis des reduzierten statischen Druckes (reduced static pressure oder RSP) in der Größe gleich der des Schubes, welche durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung erzeugt wird, was einen optimalen Schubverstärkungsfaktor von zwei ergibt. Bei Rechts- und Links-Seitenrutsch-Flugbedingungen nimmt der optimale Schubverstärkungsfaktor aufgrund der hervorgerufenen Geschwindigkeitabhängigkeit ab bzw. zu. Bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen ist das Schubinkrement aufgrund der Einlaßlippenkonfiguration größer als der Schwebeflugwert aufgrund des Stoppens des Massenluftstromeinströmungsmoments und der Reexpansion des stagnierten Massenluftstroms ab dem Kanalauslaß.
Bei der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18, wie sie in den vorangehenden Abschnitten beschrieben worden ist, ist die tatsächliche Schubverstärkung ungefähr gleich der optimalen Schubverstärkung für die Schwebeflug- und Seitwärtsflugbetriebsbedingungen des Hubschraubers 10. Die tatsächliche Schubverstärkung bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen ist nahe bei dem idealen Wert von zwei, obgleich ein gewisser Auftriebsverlust wegen der Freistromumlenkung der eintretenden Massenluftströmung auftritt.
Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bietet Vorteile, die über diejenigen hinausgehen, welche in den vorangehenden Absätzen beschrieben sind. Die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 bietet die Möglichkeit von unbegrenzten Gierkursmanövern (360º-Schnappkurven - "Schnappkurve" ("snap turn") ist ein geprägter Begriff, der reine Gierkursmanöver gegenüber herkömmlichen Kurven mit Querneigung bedeutet, welche über die zyklische Blattsteuerung realisiert werden) bis etwa 148 km/h (80 Knoten) und ermöglicht begrenzte Giermanöver (90º- bis 30º-Schnappkurven) bis zu etwa 259 km/h (140 Knoten). Der Gegendrehschub, der durch die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 geliefert wird, kann zum "Schnappkurven"-Manövrieren des Hubschraubers 10 bei den Vorwärtsflugbetriebsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit benutzt werden. Bei Vorwärtsgeschwindigkeiten von etwa 129-203 km/h (70-110 Knoten) können 90º- Schnappkurven in etwa 2 bis etwa 3,5 s ausgeführt werden (gegenüber 4-5 s bei Verwendung von aggressiven Kurven mit Querneigung). Das Rückstellmoment, welches durch den vertikalen Stabilisator 28 erzeugt wird, sorgt für eine beträchtliche Geschwindigkeitsdämpfung und für einen positiven Pedaltrimmgradienten, so daß die Gierarbeitsbelastung während Schnappkurven gering ist.
Außerdem sorgt die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 für eine beträchtlich große Seitenrutschhüllkurve bis zu Vmax für den Hubschrauber 10. Große Seitenrutschwinkel können beibehalten werden, ohne die hohe Blattbelastung, die üblicherweise bei Hubschraubern auftritt, welche freiliegende Heckrotoren haben. Die Konfiguration der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18 eliminiert effektiv Anströmwinkeleffekte, welche durch freiliegende Heckrotorblätter im Seitenrutschflug auftreten. Flugoperationen können bei getrimmten Rückwärtsflugbetriebsbedingungen mit weniger Gierarbeitsbelastung ausgeführt werden, als sie bei Hubschraubern auftritt, die mit herkömmlichen freiliegenden Heckrotoren versehen sind, und zwar aufgrund der Fähigkeit der Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung 18, die einströmende Massenluftströmung geradezurichten, wodurch die Empfindlichkeit des Hubschraubers 10 gegenüber dem Anströmwinkel reduziert wird.
Eine Vielfalt von Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung ist im Lichte der obigen Lehren möglich. Es ist deshalb klar, daß im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche die vorliegende Erfindung anders ausgeführt werden kann, als es oben speziell beschrieben ist.

Claims

1. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung für einen Hubschrauber (10) mit einem Hauptrotor (14), einem Rumpf (12), einem Heckträger (16) und einem Leitwerkgebilde (20), das eine integral mit dem Heckträger (16) ausgebildete Verkleidung (22), einen vertikalen Stabilisator (28) und einen horizontalen Stabilisator (30) aufweist, wobei die Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung (18) umfaßt:

eine Luftströmungskanaleinrichtung (40), die eine Achse (19) hat und zur Befestigung innen in der Verkleidung (22) mit zu der Mittelebene (23) der Verkleidung (22) im wesentlichen rechtwinkeliger Achse (19) ausgestaltet ist, wobei die Luftströmungskanaleinrichtung (40) aufweist:

einen Einlaß (46),

einen divergenten Kanalteil (48) stromabwärts von dem und angrenzend an den Einlaß (46), und

einen Auslaß (50), der den divergenten Kanalteil (48) abschließt; und

eine Gebläseeinrichtung (60), die in der Luftströmungskanaleinrichtung (40) angebracht ist, zum Erzeugen von Gegendrehschub zur Gierstabilität und -manövrierbarkeit des Hubschraubers (10), wobei die Gebläseeinrichtung (60) umfaßt

einen Heckrotor zum Erzeugen von Gegendrehschub zur Gierstabilität und -manövrierbarkeit des Hubschraubers (10),

eine Nabengebildeeinrichtung (62), die in bezug auf die Luftströmungskanaleinrichtung (40) koaxial angeordnet und zur drehbaren Lagerung der Heckrotoreinrichtung koaxial innerhalb der Luftströmungskanaleinrichtung (40) ausgebildet ist, wobei die koaxial gelagerte Heckrotoreinrichtung eine Rotorblattebene (66P) festlegt, und

eine Tragstrebeneinrichtung (64) zum koaxialen Befestigen der Nabengebildeeinrichtung (62) in der Luftströmungskanaleinrichtung (40),

dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (46) eine gekrümmte Lippenkonfiguration mit konstantem Radius und der Auslaß (50) eine gekrümmte Lippenkonfiguration (50R) mit variablem Radius hat und daß die Tragstrebeneinrichtung (64) eine elliptische Konfiguration hat.

2. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstrebeneinrichtung aufweist:

eine erste elliptisch ausgebildete Tragstrebe (64A), die sich in bezug auf die Achse (19) zwischen der Nabengebildeeinrichtung (62) und der Luftströmungskanaleinrichtung (40) radial erstreckt, wobei die erste Tragstrebe (64A) parallel zu der Längsachse (X-X) der Verkleidung (22) ausgerichtet ist; und

eine zweite und dritte elliptisch ausgestaltete Tragstrebe (64B), die sich in bezug auf die Achse (19) zwischen der Nabengebildeeinrichtung (62) und der Luftströmungskanaleinrichtung (40) nichtradial erstrecken, wobei die zweite und dritte Tragstrebe (64B) parallel zu der vertikalen Achse (Z-Z) der Verkleidung ausgerichtet sind.

3. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte elliptisch ausgebildete Tragstrebe (64B) in bezug auf einander kollinear sind.

4. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstrebeneinrichtung (64) eine vorbestimmte Abmessung hat, wobei die vorbestimmte Abmessung (64d) eine kleine Achse der elliptischen Konfiguration festlegt.

5. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elliptische Konfiguration der Tragstrebeneinrichtung (64) etwa eine 2:1- bis etwa eine 3,5:1-Ellipse auf der Basis der vorbestimmten Abmessung (64d) ist, die die kleine Achse der Ellipse festlegt.

6. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elliptische Konfiguration der Tragstrebeneinrichtung (64) etwa eine 3:1- bis etwa eine 3,5:1-Ellipse auf der Basis der vorbestimmten Abmessung (64d) ist, welche die kleine Achse der Ellipse festlegt.

7. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstrebeneinrichtung (64) um eine vorbestimmte Strecke (70) auf der Basis der elliptischen Konfiguration der Tragstrebeneinrichtung (64) von der Rotorblattebene (66P) beabstandet ist.

8. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragstrebeneinrichtung (64) eine vorbestimmte Abmessung (64d) hat, wobei die vorbestimmte Abmessung eine kleine Achse der elliptischen Konfiguration festlegt und wobei die vorbestimmte Strecke (70), welche den Abstand zwischen der Rotorblattebene (66P) und der Tragstrebeneinrichtung (64) festlegt, innerhalb des Bereiches vom etwa 2- bis etwa 2,5-fachen der vorbestimmten Abmessung (64d) der Tragstrebeneinrichtung (64) liegt.

9. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heckrotoreinrichtung einen starren Rotor aufweist, der eine Vielzahl von Heckrotorblättern (66) hat, die an ihm befestigt sind.

10. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heckrotoreinrichtung acht Heckrotorblätter (66) aufweist.

11. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heckrotorblätter (66) eine Blattspitzengeschwindigkeit haben, die 205 m/s (675 Fuß/s) nicht übersteigt.

12. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heckrotorblätter (66) in einem Blatteinstellwinkelsteuerbereich von etwa -35º bis etwa +50º einstellbar sind.

13. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der divergente Kanalteil (48) einen konstanten vorbestimmten Divergenzwinkel Φ hat.

14. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante vorbestimmte Divergenzwinkel Φ des divergenten Kanalteils (48) etwa 5º beträgt.

15. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Lippenkonfiguration (50R) des Auslasses (50) aufweist:

ein erstes Konstantradiuslippensegment (50RS1), das einen vorbestimmten Krümmungsradius hat;

ein zweites Konstantradiuslippensegment (50RS2), das einen vorbestimmten Krümmungsradius hat, wobei der vorbestimmte Krümmungsradius des zweiten Konstantradiuslippensegments (50RS2) eine Größe hat, die größer als der vorbestimmte Krümmungsradius des ersten Konstantradiuslippensegments (50RS1) ist; und

Zwischenlippensegmente (50RTS) zwischen dem ersten und zweiten Konstantradiuslippensegment (50RS1, 50RS2) zum Bilden eines gleichmäßigen baulichen Überganges zwischen denselben.

16. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Konstantradiuslippensegment (50RS1) einen 180º-Sektor der gekrümmten Lippenkonfiguration (50R) umfaßt, wobei der 180º-Sektor in bezug auf die Längsachse (X-X) in der Vorwärtsrichtung symmetrisch angeordnet ist, und daß das zweite Konstantradiuslippensegment (50RS2) einen 90º- Sektor der gekrümmten Lippenkonfiguration umfaßt, wobei der 90º- Sektor in bezug auf die Längsachse (X-X) in der Richtung nach hinten symmetrisch angeordnet ist.

17. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis L/D der Kanalbreite (44) zu dem Kanaldurchmesser (42) etwa 6,4 beträgt.

18. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Einlaßlippenradius (46R) zu dem Kanaldurchmesser (42) größer als 0,065 bis etwa 0,075 ist.

19. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt (66) einen unverjüngten Grundriß hat.

20. Mantelgebläse-Gegendrehvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rotorblatt (66) eine Verdrehung von etwa -7º von der Nabe zur Spitze hat.