DE8714893U1 - Ultraleichtes Tragflügelverbundflugzeug - Google Patents

Description

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Ültiäleichteö TiägflügelVefbundflugzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft Tragflächenverbund« systeme - im folgenden TVS -, bei denen tandemartig angeordnete Trägflächen im Bereich der größten Spännweite durch weitere Fläehenteile zum Verbund in mechanischer und aerodynamischer Hinsicht ergänzt werden.

TVS werden allgemein seit den Anfängen des aerodynamischen Fliegena unter den Begriffen joined wing, warren-wing und box-wing sowie in Sonderformen des Hingflügeis in mannigfaltiger Form vorgeschlagen. Dabei bezeichnet joined-wing

&Igr;&Ogr; Konfigurationen, die in der Frontsicht eine Raute zeigen, wie sie sich ergibt, wenn vertikal gestaffelte Flächen im Bereich größerer Spannweite verbunden sind. Unter warrenwing sind Konfigurationen zu verstehen, die in der Draufsicht eine Raute zeigen, wie sie sich aus dem Verbund positiv und negativ gepfeilter Flächen im Bereich der größten Spannweite ergibt. Der box-wing Konfiguration sind solche zuzuordnen, bei denen die Frontansicht die Form eines Rechtecks oder eines Trapezes zeigt, wie es entsteht, wenn vertikal gestaffelte Flächen durch mehr oder weniger lotrechte Seitenscheibenelemente im Bereich der größton Spannweite verbunden sind.

Bei der vorliegenden Konfiguration handelt es sich um eine boxwing-Konfiguration, die als optimal unter Berücksichtigung der Auslegungserfordernisse eines mötorgetriebenen Ultraleichtflugzeuges gelten kann.

Als Kriterien der Entwurfeaufgabe Ultraleichtflugzeug in Eybridbauweise - Rohr/Tuch - können in aerodynamischer Hinsicht genannt werdeni gutes Auftriebs-/Widerstandsverhältnis bei machbarer Streckung durch hohe Flächeneffizienz im Sinne des Oswaldfaktors sowie begrenzter Anteil von Interferenz- und Parasitärwiderstand.

In flugmechanische? Hinsicht greifen d,ie Kriterien ausreichender Stabilität und Steuerbarkeit in den bekannten Freiheitsgraden sowie unter Berücksichtigung der gefangen Flächenbelastung und Penetration die KriterientAder geringstmöglichen Böenempfindlichkeit sowie relativ geringer Sekundärmomente wie Schieberollmomente und andere, um Taumelbewegungen zu vermeiden.

in mechanischer Hinsicht greifen insbesondere bei der Hybridbauweise die Kriterien geringstmöglicher aeroelastischer Verwindung soweit sie flugbahnbeeinflussend sind sowie die Forderungen nach besonders leichter, aber sehr steifer Auslegung bei vertretbarem Materialeinsatz mit geringen Fertigungskosten*

Die derzeit vorgeschlagenen TVS-Ansätze berücksichtigen diese Kriterien für ein Ultraleichtflugzeug in Hybridbauweise entweder nicht, indem nur Flächenanordnungen vorgeschlagen werden oder bringen technische Ansätze, die vertretbar kaum zu verwirklichen sind bzw. die notwendige Abstimmung der Parameter im aufgezeigten Rahmen vermissen lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Tragflächenverbundsystem für hybride Ultraleichtflugzeuge zu ermöglichen, das eine hohe Flächeneffizienz, geringen Interfernz- und Parasitärwideretand aufweist, ausreichende Stabilität in allen Freiheitsgraden hat und leicht steuerbar ist, böenunempfindlich reagiert und besonders leicht, steif und preiswert mit bekannten Methoden gebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird im Wesentlichen mit einer hoxving-Konfiguration gelöst, bei der eine positiv gepfeilte Fläche und eine Rechteck- bzw. Trapezfläche mit definierten vertikalen und horizontalen Abständen, Einstellwinkeldifferenzen, Schränkungen und V-Stellungen durch Seitenscheiben im Verbund arbeiten und mit einem Universalbeschlag sowie einem einzigen Rohrtypus als Struktur auskommen.

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&Idigr;3 Br Uo lc si. (-^j ißt man die genannten aerodynamischen Erfordernisse hoher Plächeneffizienzj iet evident, daß die bekannten Mittel hohe Streckung und elliptische Auftrieböverteilung anders al3 bei einem Segelflugzeug

£ 5 für das Hybrid-Ultraleicht nicht zum Zuge kontraön können*

da hohe Streckungen mit Rohr ohne Abspannungen, Stielun

gen u.a. jedenfalls dann nicht machbar sind, wenn Verwindungssteife, parasitärer Widerstand und Abreißverhalten mit in die Betrachtung eingehen.

Berücksichtigt man weiter, daß für ein Tandemaystem, das gute Streckungen duroh Aufteilung der Hauptfläche erreichen kann, die Schwierigkeit besteht, daß bei annähernd gleichen Flächen sogenanntes hunting, d.i. eine langperiodische Schwingung durch Aufschaukeln infolge differierender

Flächen&leitzahlen bei fast gleichem Dämpfungsfaktor zu

erwarten ist, wird evident, daß eine Tandemlösung nur dann zum Erfolg führen kann, wenn die Flächenparameter in besonderer Weise aufeinander abgestimmt sind.

Bei der gefundenen Lösung wird daher eine positiv gepfeilte Fläche mit Nasenwinkeln um I30 bezogen tiuf die ■Viertelpunktlinie und einer Zuspitzung von 0,5 bei einer linearen effektiven Snhränkung von etwa 6 vor eine Rechteckflä-.he gesetzt, die geometrisch die gleiche Streckung aufweist. Die Rechteckfläche - oder schwach zugespitztes Trapez weist eine gleichsinnige Schränkung um 3 auf und es ist

eine Einsteilwinkeldifferenz von 2 vorzusehen. Beide Flächen berühren sich in der Draufsicht nur im hinteren End-

spitzen-bereich der gepfeilten Fläche bezogen auf die Nase B
P der Rechteckfläche oder weisen dort nur sehr geringen Ab-

30 stand auf. Sie überschneiden sich nicht, sind aber verti*" im Mittel 16 bis 18$ tezogen auf die Spannweite gestaffel..

% Die untere, hintere Rechteckfläche kann zur Erhöhe4 der

f Bodenfreiheit eine leichte V-Form aufweisen, die obere

&iacgr; Fläche zur Kompensierung eine wirkungsmäßig entgegengesetzte,

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Berücksichtigt man, daß die Rollzeiten im Bereich des normal beherrschbaren liegen müßen und andererseits geringe Spannweite bei TJltraleichtflugzeugen mit relativ festliegender Flächenbelastung die Böenempfindlichkeit herabsetzt, so er ibt sich im Sinne der Erfindung für ein einsitziges Flugzeug eine Minimalspannweite von ca. 6 m, wenn ausreichende Flächenbelastung und Raum für eine Pilotenunterbringung im vertikalen Flächenabstand gewährleistet sein sollen.

Werden die Flächenenden im Sinne der Erfindung durch Seitenscheiben verbunden, wird erreicht, daß bei den genannten Parametern effektive Streckungen von 8 und mehr möglich sind, wobei die Gesamtauftriebsverteilung annähernd elliptisch resultiert und von nachteiligen Doppeldeckereffekten weitgehend frei bleibt.

Trotz festigkeitsmäßig günstiger geringer Spannweite und günstiger Flächen-/Massenkonzentration ist damit hohe Flächeneffizienz erreicht. Bei maßstabähnlichen Vergrößerungen, die ebenfalls im Sinne der Erfindung sind, bleiben diese Vorteile bezogen auf llormalkonfigurationen gewahrt.

Durch die so geschaffene Möglichkeit der Anordnung der tragenden, stabilisierenden Rechteckfläche im gekrümmten Stromlinienablauf der oberen Fläche - Ünterseitenstrom -, kann die Stabilisierungsfläche einen etwas stärkeren Auftriebsanstieg über Anstellwinkel aus fehlendem Pfeilungseinfluß aufweisen und damit schnell hohe stabilisierende Momente erzeugen, ohne daß die Gefahr eines Strömungsabrisaes vor Stallpunkt der Pfeilfläche besteht. Aus hier nicht darzulegenden Gründen wird damit auch das sog« hunting vermieden.

Mit dieser hohen, reagiblen Längsstabilität im flächen« gleichen Verbundtändem resultiert aue Vertikälböen zusätzlich effektiver Höhengewinn ohne gr'ößere Bewegungsn um die Längsachse « Mikrodeiphinflug«

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Die notwendige echwache Stabilität um die Hochachse resultiert für die erfindungsgemäße Konfiguration aus den bekannten Wirkungen der Pfeilung sowie aus einem gewissen weathercock-Effekt der Seitenscheiben. Mit dieser Schwachen Hochachsenstabilität in Verbindung mit mäßiger Pfeilung und V-Form erfüllt die Konfiguration die Steuerungsanforderungen, wie sie für Nurflügel gefunden wurden, die gemischt in allen Preiheitsgraden über gemeinsame Höhen-/ Querruder gesteuert werden - komplexe Zweiachssteuerung.

Für das Verbundtandem werden diese Klappen ohne Nachteil am unteren Flügel vorgesehen, wobei aufgrund der geringen Spannweite und zur Vermeidung von negativen Wendemomenten eine innere Lage erreichbar wird. Ein Seitenruder - angeblasen - ist auch für den Start bei Seitenwind entbehrlieh, da über die tief liegende, bodeneffektbelastete hintere Fläche bis zum Rotieren ausreichend Druck auf ein steuerbares Bugrad gegeben werden kann. Für die Landung bei Seitenwind - Ausrichten vor dem Aufsetzen - sind Widerstandsklappen als Bestandteil der Seitenscheiben im Sinne der Erfindung vorgesehen, die, gleichsinnig betätigt über Gleitzahlreduzierung den Slip ersetzen können.

Um den Kriterien des geringstmöglichen baulichen Aufwands Rechnung zu tragen, berücksicht die Erfindung den konfigurationstypischen Umstand, daß ein Verwinden von Flächenteilen im Verbund dem jeweils zugeordneten verbundenen Flächenteil eine Bewegung in der Flächenebene - na-.h vorne oder hinten aufnötigte. Wird eine solche Bewegung mittels Paßdiagonalen innerhalb aller Flächen ausgeschlossen, bleibt auch eine Verwindung ausgeschlossen. Die Flächen sind praktisch unverrückbar torsionssteif.

Um die Biegesteifigkeit auf einfachste Weise zu erhöhen, werden die Diagonalen mit dan jeweiligen Nasen-/ und Endholmen so verbunden - durch Querträger -, daß alle Bauteile Biegelästen aufnehmen*

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Damitjiohe Wurzelbiegespannungen der Einzelflächen _ im Bereich ihrer mittleren Einspannung oder Lagerung - Cockpit-ZFahrverkbereich - vermieden werden, wird die obere Fläche erfindungsgemäß &tgr;&ogr;&eegr; der über Querträger verbundenen Diagonalen zur Systemmitte so abgestielt, daß, bei elastischer aux'hängung der Seitenscheiben, die Biegemonente aus der unteren Fläche ait den Biegemomenten aus der oberen Fläche im Stielpunkt der Fläche einen HuIldurchgang ergeben.

Eine feste Einspannung der Seitenscheiben liegt ebenfalls im Sinne der Konstruktion, venn zugunsten geringeren Widerstands auf Abstielung verzichtet wird und große Momente in der Einspannung in Kauf genommen werden.

Mit dem gezeigten Aufbau der Hauptetruktur wird das Kriterium der Baueffizienz erfindungsgemäß insofern erfüllt, .als die Nachrechnung für die. inf ragekommenden Syatemgrößen eine Rohrdimenaionierung im 45 nm Bereich für mittelfeste Alulegierungen erlaubt, ohne daß bestimmte Anteile erheblich überdimensioniert wären.

Der Vorteil eines einzigen Rohrdurchmessers bzw. eines Rohrtype für halbautomatische Bohrvorrichtungen wird durch den weiteren Vorteil ergänzt, daß bei dieser Auslegung alle Verbindungen mit einem universellen Beschlag, einem einfachen Knotenblech aus gut kaltverformbarem Edelstahl im Bereich von 1,5 mn Stärke vorgenommen werden können, wenn der Beschlag über bekannte Mittel so integriert wird, daß Rohrquetschung und Lochleibung praktisch ausbleiben·

Der Beschlag garantiert darüborhinaus ein Mindestmaß an

Flexibilität um örtlichen hohen Schubspannungen im Bereich der Befestigungselemente - Niet, Bolzen - zu begegnen.

Sie Nachrechnung ergibt auch, daß das zu verwendende Rohr ohne DimeneionierungBSchwierigkeiten in Verbindung mit dem Universalbaschlag den Aufbau dee Fahrwerks, der Motorhalterung und des offenen Cockpits ermöglicht. Damit wird der Gesamtaufwand für die Heroteilung und Wartung sehr gut.

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Die erfindungsgemäße Auslegung der boxwing-Konfiguration, mit der alle Kriterien für eine zufriedenstellende Löeung der aufgezeigten Probleme befriedigend erfüllt werden können, wird im folgenden beispielhaft anhand von Zeichnungen erläutert.

5 Es zeigen:

Zeichnung I die Konfiguration in 3-Seiten-Ansicht

I Zeichnung II die Flächenanschluß-Rohrstruktur

I Zeichnung III ein mögliches Znotenblech.

I Zeichnung I 7.9igt die Hauptflächen 1,2, die verbindenden

ff 10 Seitenscheibeji 5 sowie die Hauptsteuerklappen 4 und die i Widerstandsklappen 5 in. ein^r erfindungsgesiäßen Anordnung.

'f Auf eine genaue Darstellung von Einstellwinkeln, Schrän-

* kungen u.a. wurde hier verzichtet.

I Einseitig ist die im Verbund verwindungsresistente Haupt- I 15 rohretruktur der Flächen mit den Diagonalen 8 und den I Querträgern 8· eingezeichnet. Die Seitenscheiben können

ebenfalls eine Rohrstruktur im Sinne eines klassischen &EEgr;-Stiels aufweisen oder aus flächigem Material bestehen.

Die Seitenscheiben 3 sind elastisch zwischen die Flächen 20 gehängt. Die Biegemomente der Flächen werden über die

I Querträger je auf drei Rohre verteilt. Die Flächenlasten

1; werden über Stielung 9 in der Hähe des HulldurcHgangt» der

" Momentenlinie abgenommen.

"' Die Lage des Motors mit Luftschraube 6 let so vorgesehen₀

: 25 daß eine Abschirmung der LärBemmitiienten Propeller, Aus- &Iacgr; puffmündung durch die untere Fläche und die Seitenscheiben

* im Fluge nach unten gewährleistet iot»

Der Pilotenoitz 7 ist echematisch gekennzeichnet. Der Pilotenaitz kann den Kraftstoffvorrat enthalten! um trimm« 30 frei zu bleiben.

j| Zeichnung II zeigt die Mittelstrüktür, an der diü Flächen

$ angeschlossen werden, der Übersichtlichkeit halber mit

I ffeschnittenem Haupt*A-Rahmen 10.

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Der Haupt-A-Rahmen 10 ist daher doppelt eingezeichnet« Auf eine Darstellung des Pahrwerks wurde hier zUgunseten der Übersichtlichkeit verzichtet.

Nach vorne in Flugrichtung schließen sich an den Haupt· &Agr;-Rahmen der Bugradrahmen 11, ge&bgr;tut&zgr;t durch die Streben 15 sowie die obere Fläohenaufnähme 12* gestützt durch die Streben 15 an» Die Streben 14 begrenzen seitlich den Sitzbereich des Piloten und steifen die Anordnung zusätzlich

Nach hinten schließt sich an den Haupt-A-Rahmen das Zentralrohr fUr die untere Fläohenaufnahne 16 an, das durch die Streben 17 seitlich und die Strebe 18 nach oben und unten fixiert wird. Die Streben 19 stutzen sich am Haupt-A-Rahmen und Strebe 18 so, daß an ihnen die Motorhalterung angeschlossen werden kann, wobei die auftretenden Momente gut abgesetzt werden und die Schubrichtung der vertikalen Schwerpunktlage angepasst werden kann.

Insgesamt ist die gesamte Rohrstruktur so angelegt, daß sich eigensteife Dreieckeverbände ergeben und gelenkig· Anschlüsse leichter Demonteirbarkeit vorgesehen werden können»

Zeichnung III zeigt beispielhaft einen möglichen Univeraalbeschlag 20 als genietetes Knotenblech mit Bolzenverbindung zum anklappbaren Verbindungsrohr.

Claims (6)

Ansprüche

1. Ultraleichtes Tragflügelverbundflugzeug Ih boxwing-Konfiguration mit oben liegender vorderer Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Flugrichtung vordere, obenliegende Tragfläche (1) einen eingeschlossenen Nasenwinkel um 135 Grad bei positiver Pfeilung, ein Verhältnis von äußerer Flächentiefe zu innerer Flächentiefe von 0,4 bis 0,6 sowie eine Schränkung von bis zu -6 Grad bezogen auf die Profilsehne der Halbspannweite aufweist, dabei bezogen auf die Draufsicht so vor einer Rechteckoder Trapezfläche (2) angeordnet ist, daß für fliegbare Anstellwinkel praktisch keine Überschneidungen der Flächen auftreten, wobei bezogen auf die Frontansicht beide Flächen (1,2) geringe V-Stellungen aufweisen können, bei denen sich ein mittleres Verhältnis vertikaler Abstand der Flächen zur Gesamtspannweite von 0,15 *is O.i£ oinotellt, wenn die verbindenden Seitenscheiben (3)im Bereich der größten Spannweite lotrecht angeordnet sind

2. Ultraleichtes Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenscheibw (3) nicht lotrecht angeordnet sind, wobei von der Ausgangskonfiguration nach Anspruch 1 ausgehend die Flächen (1, 2) entsprechend verkürzt oder verlängert sind.

3. Ultraleichtes Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der konstruktive Aufbau ein Rohrverbund ist, der bespannt wird, wobei die Flächen (1, 2, 3) durch Rohr in den Umrissen begrenzt sind und mit Paßdiagonalen (8) sowie alie Flächenlängsrohre verbindenden Querträgern (8·) atisgesteift werden, wobei die Seitenflächen (3) aus flächigem Vollmaterial bestehen können.

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(Ansprüche) -2-

4. Ultraleichtes Tragflügelverbundflugzeug nach Anspruch 1, 2 und 3,

dadurch gekennzeichnet, I daß die Flächen (1, 2) an eine Struktur zur Aufnahme des

? Piloten, des Fahrwerks, des Motors angeschlossen ist, die

aus einem Haupt-A-Rahmen (1O) besteht, an den sich in Flugrichtung nach vorne oben die obere Flügelaufnahme (12) als Rohrrechteck oder als einzelner Mittelstab anschließt, durch die Träger (I3) abgefangen, an den sich

I in Flugrichtung nach vorne unten die V-förmige "Bugradkon-

i figuration (1">) anschließt, abgefangen durch die Träger

I (14) und (15)y und daß sich an den Haupt-A-Rahmen (1O)

I in Flugrichtung nach hinten die Flächenaufnahme (16) an-

I schließt, abgefangen durch die Träger (17) und (18), wo-

&idiagr; bei Träger (18) zusätzlich durch die Motorträger (19)

I zum Haupt-A-Rahmen (1O) filiert ist.

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5. TJltraleichtee Tragflügelverbundf/ugzeug nach Anspruch

'■; 1, 2, 3 und 4,

!' dadurchgekennzeichnet,

daß anstelle von winkelfesten Verbindungen zwischen de«.

Seitenscheiben (3) zu den Flächen (1, 2) zur Verbund-

• fixierung Stiele (9) eingesetzt werden, die ausgehend

I von der Mittelstruktur (10) den oberen Flügel (1) oder

1 den unteren Flügel (2) abstützen sowie Kombinationen

aus Stielen, die der Stützung der Flächen dienen.

6. Ultraleichtes Tragflügelverbundfiugzoug nach Anspruch

s 1, 2, 3» 4 und 5,

^?i dadurchgekennzeichnet,

daß zur Haupteteuerung zwei Klappen (4) am unteren Flügel (2) vorgesehen sind und Widerstandsklappen (5) auf oder an den Seitenscheiben (3) zur Beeinflussung S der Hochachsö«

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* · f * * «4 * · » ·« 1 [Ansprüche) -3-

7, ültraleichtes TragflügelVerbundflügzeug nach Anspruch

1, 2, 3, 4, 5 und 6_t

dadurch gekennzeichnet, daß alle Rohrverbindungen« die eine gemeinsame Ebene aufspannen mittels Knotenblechen einheitlicher Art (2Ö)

vorgenommen Werden»