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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Luftfahrt und bezieht sich insbesondere auf den Aufbau von Flügeln und Flugzeugen unter Gewährleistung eines vertikalen Startens und Landens.
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An die Positionierung von Schubdüsen an den Flügeln eines vertikal startenden und landenden Flugzeugs sind spezielle Anforderungen gestellt. So muss der Schubvektor während des Startens und Landens vertikal und während des Reiseflugs horizontal sein. Eine der Möglichkeiten, um diesen Anforderungen Genüge zu tun, besteht in einem Einsatz von Schubdüsen mit variablem Schubvektor, wie es bei der vorliegenden Erfindung implementiert ist.
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Aus der
US 2 964 264 A ist eine Auftriebshilfe (Flap) für Flugzeuge bekannt. Um die erforderliche Geschwindigkeit beim Starten und Landen zu verringern, sind die Strahltriebwerke am ersten Abschnitt einer doppelt gelenkigen Auftriebshilfe (Flap) montiert. Die Triebwerke verlagern sich während des Startens und Landens oberhalb der Flügelfläche und erzeugen bei ihrem Betrieb einen zusätzlichen Auftrieb aufgrund der folgenden Umstände:
- 1. Der Winkel zwischen der Erstreckungsrichtung des Schubvektors und der Horizontalen ist groß, weil die Antriebe am ersten Abschnitt der Auftriebshilfe (Flap) angeordnet sind, welche während des Startens und Landens ausgelenkt wird;
- 2. Der Abgasstrom der Triebwerke erzeugt einen Unterdruck oberhalb des zweiten Abschnittes der Auftriebshilfe (Flap), wodurch die Druckdifferenz unterhalb und oberhalb des Flügels vergrößert wird.
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In anderen Flugbetriebsweisen sind die Strahltriebwerke in den Abschnitt der Auftriebshilfe (Flap) eingefahren, um keinen zusätzlichen Luftwiderstand zu verursachen. Der erforderliche Schub in Horizontalrichtung wird von dem Haupttriebwerk am vorderen Abschnitt des Flügels erzeugt.
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Ein Nachteil des Flügeldesigns gemäß der vorgenannten Patentschrift besteht darin, dass dieses Design kein vertikales Starten und Landen des Flugzeugs ermöglicht, sondern lediglich die minimale Fluggeschwindigkeit verringert. Darüber hinaus werden die Strahltriebwerke nur während des Startens und Landens genutzt, während sie in anderen Flugbetriebsweisen inaktiv sind somit eine zusätzliche Last des Flugzeugs bedeuten.
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Aus der
US 10 597 133 B2 ist ein Flügel für ein Flugzeug bekannt, welcher einen an dem Rumpf befestigten ersten Hubkörper und einen umlenkbaren Abschnitt als zweiten Hubkörper aufweist, welcher schwenkbar an dem ersten Hubkörper festgelegt ist. In dem zweiten Hubkörper ist ein Satz von elektrisch angetriebenen Mantelpropellern angeordnet, so dass zwei extreme Auslenkpositionen existieren:
- - vertikales Starten, bei welchen die Mantelpropeller senkrecht angeordnet sind; und
- - Reiseflug, bei welchem der zweite Abschnitt mit den Mantelpropellern eine horizontale Position einnimmt (nicht ausgelenkt).
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Der Nachteil dieses Ausgangsbaumusters besteht darin,
- - dass keine Möglichkeit einer zusätzlichen Einstellung der Parameter des Druckes und der Geschwindigkeit des Luftstrahls am Auslass der Triebwerke besteht, wobei die Einstellung lediglich über die Geschwindigkeitssteuerung der Propeller erfolgt; und
- - dass keine Möglichkeit einer zusätzlichen Einstellung der Richtung des Luftstrahls am Auslass der Triebwerke besteht.
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Die
US 2017/0203839 A1 beschreibt einen Hybridantrieb eines vertikal startenden und landenden Flugzeugs, welches einen Rumpf aufweist, an welchem zwei Paare von vollbeweglichen Flächen in Form von primären Flügelsätzen und Entenflügelsätzen montiert sind. Die vollbeweglichen Flächen sind von Mantelpropellersätzen gebildet und umfassen zusätzliche Steuerflächen an den Flügelhinterkanten, welche hinter den oberen und unteren Rändern der Mantelpropeller angeordnet sind.
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Der Nachteil des Flugzeugs gemäß der vorgenannten Druckschrift besteht im Nichtvorhandensein einer starr an dem Rumpf befestigten, tragenden aerodynamischen Fläche, welche einen zusätzlichen Auftrieb während der Reiseflug- und Startstadien infolge eines Unterdruckes oberhalb ihrer oberen Fläche bewirkt.
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Das aus der
US 10 597 133 B2 bekannte, vertikal startende und landende Flugzeug weist einen Rumpf auf, welcher zwei Paare von aerodynamischen Flächen aufweist, welche symmetrisch an beiden Seiten des Rumpfes angeordnet sind. Die aerodynamischen Flächen sind von Flügelkonsolen und Entenflügeln gebildet, welche einen starr an dem Rumpf befestigten ersten Hubkörper und einen zweiten Hubkörper aufweisen, welcher schwenkbar an dem ersten Hubkörper festgelegt ist und einen Satz Mantelpropeller umfasst. Das Flugzeug gemäß dieser Druckschrift lässt sich als Ausgangsbaumuster der vorliegenden Erfindung interpretieren.
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Ein weiterer Nachteil dieses als Ausgangsbaumuster dienenden Flugzeugs besteht darin, dass zusätzlich zu den Nachteilen in Bezug auf den Flügel eines solchen Flugzeugs, d.h. in Bezug auf die Unmöglichkeit einer zusätzlichen Steuerung der Parameter und der Richtung des Luftstrahls der Triebwerke, ein nur geringer Grad an Kontrollierbarkeit des Flugzeugs bei geringen Fluggeschwindigkeiten gegeben ist.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Flügelkonsole mit schwenkbaren Schubdüsen vorzuschlagen, welche in der Start-/Landeposition einen zum vertikalen Starten/Landen erforderlichen Schub in Vertikalrichtung erzeugen, während sie in der Reiseflugposition einen hinreichenden Schub in Horizontalrichtung erzeugen, wie er für den Horizontalflug mit hohen Geschwindigkeiten erforderlich ist.
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Dis Flügelkonsole umfasst Elemente, welche eine zusätzliche Steuerbarkeit von beidem zur Verfügung stellen: der Richtung und des Druckes/der Geschwindigkeit des Abgasstromes der Schubdüsen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein vertikal startendes und landendes Flugzeug vorzuschlagen, welches einen hohen Grad an Kontrollierbarkeit bei geringen Horizontalfluggeschwindigkeiten bietet und die Vorteile eines Flugzeugs mit jenen eines Hubschraubers kombiniert. Genauer: die Möglichkeiten eines vertikalen Startens und Landens, eines Schwebens in der Luft, eines Fliegens mit geringen Geschwindigkeiten wie ein Hubschrauber sowie eines Horizontalfluges mit hohen Geschwindigkeiten unter wirksamer Nutzung der aerodynamischen Flächen wie ein Flugzeug.
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Das erste Ziel der Erfindung wird mittels einer Flügelkonsole eines Flugzeugs erreicht, welche einen tragenden Abschnitt und einen hieran mittels eines Gelenks befestigten ersten Mechanisierungsabschnitt aufweist, welcher elektrisch angetriebene Schubdüsen umfasst, welche oberhalb des Flügelprofils angeordnet sind. Eine Umlenkung des ersten Mechanisierungsabschnittes verändert die Richtung des Schubvektors. Erfindungsgemäß umfasst die Flügelkonsole einen zweiten Mechanisierungsabschnitt, welcher mittels eines Gelenks an dem ersten Mechanisierungsabschnitt befestigt und
- - oberhalb der Schubdüsen - im Falle einer ersten Ausführungsform;
- - unterhalb der Schubdüsen - im Falle einer zweiten Ausführungsform;
- - oberhalb und unterhalb der Schubdüsen (zwei aerodynamische Flächen) - im Falle einer dritten Ausführungsform angeordnet ist.
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Darüber hinaus kann der zweite Mechanisierungsabschnitt bei allen vorgenannten Ausführungsformen in zwei Abschnitte entlang der Flügelspannweite unterteilt sein, wobei ein jeweiliger Abschnitt als Auftriebshilfe (Flap) oder Flügelklappe (Flaperon) zu wirken vermag. Der zweite Mechanisierungsabschnitt sorgt für die Fähigkeit, die Druck- und Geschwindigkeitsparameter des Abgasstromes der Schubdüse ebenso zusätzlich zu steuern wie die Richtung des Schubvektors.
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Das zweite Ziel wird mittels eines vertikal startenden und landenden Flugzeugs erreicht, welches einen Rumpf sowie zwei Paare von aerodynamischen Flächen in Form von Flügelkonsolen und Steuerruderkonsolen aufweist. Die Steuerruderkonsolen umfassen einen starr an dem Rumpf befestigten Abschnitt sowie einen hiermit gelenkig verbundenen einteiligen Flügel mit einem Schubdüsensatz, so dass die Rotationsachse des Schubdüsensatzes mit der Profilsehne des Flügels zusammenfällt. Das Flugzeug ist erfindungsgemäß mit einem Flügel der vorgenannten Art ausgestattet und ermöglicht in Verbindung mit den freibeweglichen Steuerruderkonsolen ein vertikales Starten, ein Schweben sowie einen Horizontalflug mit hohen Geschwindigkeiten. Durch Umlenken des zweiten Mechanisierungsabschnittes der Flügelkonsole wird ein hohes Maß an Kontrollierbarkeit des Flugzeugs bei geringen Horizontalfluggeschwindigkeiten sichergestellt.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine Flügelkonsole;
- 2 einen Querschnitt der Flügelkonsole gemäß einer ersten Ausführungsform in Reiseflugposition;
- 3 einen Querschnitt der Flügelkonsole gemäß einer zweiten Ausführungsform in Reiseflugposition;
- 4 einen Querschnitt der Flügelkonsole gemäß einer dritten Ausführungsform in Reiseflugposition;
- 5 eine Draufsicht auf eine Flügelkonsole, bei welcher der zweite Mechanisierungsabschnitt in zwei Abschnitte - außen und innen - unterteilt ist;
- 6 einen Querschnitt der Flügelkonsole, bei welcher der zweite Mechanisierungsabschnitt oberhalb und unterhalb der Schubdüsen angeordnet ist und als Flügelklappe wirkt, in Start-/Landposition;
- 7 eine Draufsicht auf eine Steuerruderkonsole;
- 8 einen Querschnitt der Steuerruderkonsole;
- 9 ein Flugzeug mit Flügel- und Steuerruderkonsolen in Start-/Landeposition; und
- 10 das Flugzeug mit Flügel- und Steuerruderkonsolen in Reiseflugposition.
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Während sich die 1 bis 6 auf die Beschreibung einer Flügelkonsole 1 beziehen, betreffen die 7 bis 10 die Beschreibung eines vertikal startenden und landenden Flugzeugs mit einer solchen Flügelkonsole.
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Die Flügelkonsole 1 (1) eines vertikal startenden und landenden Flugzeugs 2 umfasst einen tragenden Abschnitt 3 sowie einen ersten Mechanisierungsabschnitt 4, welcher mittels eines Gelenks 5 an dem tragenden Abschnitt 3 befestigt ist und einen oberhalb der Flügelkonsole 1 angeordneten Schubdüsensatz 6 aufweist. Ein zweiter Mechanisierungsabschnitt 7 ist erfindungsgemäß mittels eines Gelenks 8 an dem ersten Mechanisierungsabschnitt 4 befestigt.
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In der 2 ist ein Querschnitt I-I der Flügelkonsole 1 gemäß einer ersten Ausführungsform in Reiseflugposition wiedergegeben, bei welcher der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 oberhalb des Schubdüsensatzes 6 angeordnet ist.
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In der 3 ist ein Querschnitt I-I der Flügelkonsole 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform in Reiseflugposition wiedergegeben, bei welcher der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 unterhalb des Schubdüsensatzes 6 angeordnet ist.
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Die 4 zeigt einen Querschnitt I-I der Flügelkonsole 1 gemäß einer dritten Ausführungsform in Reiseflugposition, bei welcher der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 zwei aerodynamische Flächen 7 und 9 umfasst, welche einerseits oberhalb und andererseits unterhalb des Schubdüsensatzes 6 angeordnet sind.
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Bei jeder dieser Ausführungsformen vermag der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 (sowie im Falle der dritten Ausführungsform auch die Fläche 9) als Auftriebshilfe (Flap) oder Flügelklappe (Flaperon) zu wirken. Er kann ferner in zwei sich entlang der Flügelspannweite erstreckende Abschnitte unterteilt sein, so dass ein als Auftriebshilfe (Flap) wirkender innerer zweiter Mechanisierungsabschnitt 7' (und die Fläche 9' im Falle der dritten Ausführungsform) sowie ein als Flügelklappe (Flaperon) wirkender äußerer zweiter Mechanisierungsabschnitt 7'' (und die Fläche 9'' im Falle der dritten Ausführungsform) gebildet ist. Die 5 zeigt eine Draufsicht auf die Flügelkonsole 1, bei welcher der zweite Mechanisierungsabschnitt in zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei der Querschnitt II-II der 6 entspricht und der Querschnitt I-I dem in der 4 dargestellten Querschnitt ähnelt, bei welchem die Positionen 7 und 9 den Positionen 7' und 9' entsprechen.
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Zur Betätigung der ersten 4 und zweiten Mechanisierungsabschnitte 7 umfasst die Flügelkonsole 1 einen von der Art des zweiten Mechanisierungsabschnittes 7 abhängigen Auftriebshilfen-Stellantrieb 11 und/oder Flügelklappen-Stellantrieb 12. Im Falle des Auftriebshilfen-Stellantriebs 11 entspricht jede Position des ersten Mechanisierungsabschnittes 4 einer bestimmten Position des zweiten Mechanisierungsabschnittes 7. Im Falle des Flügelklappen-Stellantriebs 12 besteht die Möglichkeit eines separaten Drehens des zweiten Mechanisierungsabschnittes 7 (und der Fläche 9 im Falle der dritten Ausführungsform) in Bezug auf die Anfangsposition um einen zusätzlichen Winkel α an beiden Seiten (vgl. die 6).
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Das vertikal startende und landende Flugzeug 2 umfasst einen Rumpf 13 und zwei Paare von aerodynamischen Flächen in Form von Flügelkonsolen 1 (welche gemäß einer beliebigen der obigen Ausführungsformen ausgestaltet sein können) sowie Steuerruderkonsolen 14, welche einen starr an dem Rumpf 13 befestigten feststehenden Abschnitt 15 sowie eine mittels einer Welle 18 an dem feststehenden Abschnitt 15 befestigte, vollbewegliche aerodynamische Fläche 16 mit einem Schubdüsensatz 17 (7) umfassen.
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Der Schubdüsensatz 17 bildet eine Erweiterung der vollbeweglichen aerodynamischen Fläche 16, so dass die Rotationsachse des Schubdüsensatzes 17 mit der Profilsehne 19 dieser Fläche 16 zusammenfällt. Um die Richtung der Schubdüse zu verändern, lassen sich die Steuerruderkonsolen 14 in entsprechender Weise auslenken wie die Flügelkonsolen 1. Auf diese Weise ermöglichen die Steuerruderkonsolen 14 gemeinsam mit den Flügelkonsolen 1 ein vertikales Starten/Landen des Flugzeugs (9), einen Schwebflug sowie einen horizontalen Reiseflug des Flugzeugs bei hoher Geschwindigkeit 10).
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Das Wesen der Erfindung betrifft die speziellen Merkmale des Betriebs des Flugzeugs in sämtlichen Flugstadien, d.h. während des Startens/Landens, während des Übergangs und des Reiseflugs.
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Es existieren zwei extreme Auslenkpositionen der ersten 4 und zweiten Mechanisierungsabschnitte 7 der Flügelkonsolen 1 sowie der vollbeweglichen aerodynamischen Flächen 16 - Start-/Landeposition und Reiseflugposition. In der Start-/ Landeposition ist die Mechanisierung der Flügelkonsole gänzlich ausgelenkt, so dass ein Schub in vertikaler Richtung gewährleistet ist, wohingegen in der Reiseflugposition die Mechanisierung ihre unausgelenkte Position einnimmt, so dass ein Schub in horizontaler Richtung gewährleistet ist. Nach dem vertikalen Start dreht sich die Mechanisierung sukzessive von der Start-/Landeposition in die Reiseflugposition, wobei die horizontale Fluggeschwindigkeit erhöht wird.
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Der Vorteil der Ausgestaltung der Flügelkonsole 1 gemäß der ersten Ausführungsform besteht in einem hohen Grad an Kontrollierbarkeit der Richtung des Abgasstromes des Schubdüsensatzes 6. Während des Startens/Landens wird der erste Mechanisierungsabschnitt 4 mit dem Schubdüsensatz 6 nicht vertikal positioniert, wobei der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 eine zusätzliche Umlenkung des Abgasstromes bewirkt. Die Position des Schubdüsensatzes 6 führt zu einer Erhöhung des Auftriebs infolge der Erzeugung eines zusätzlichen Unterdruckes oberhalb der Fläche des tragenden Abschnittes 3. Der Nachteil besteht in der Komplexität des Aufbaus der Auftriebshilfen-Stellantriebs 11 bzw. des Flügelklappen-Stellantriebs 12.
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Der Vorteil der Ausgestaltung der Flügelkonsole 1 gemäß der zweiten Ausführungsform besteht in einem durch den zweiten Mechanisierungsabschnitt 7 bewirkten zusätzlichen Auftrieb während des Reisefluges aufgrund dessen, dass der Abgasstrom des Düsensatzes 6 einen Unterdruck oberhalb der Fläche des zweiten Mechanisierungsabschnittes 7 erzeugt. Der Nachteil besteht darin, dass der zweite Mechanisierungsabschnitt 7 den Abgasstrom während des Startens/Landens nicht unter einem signifikanten Winkel im Vergleich mit der ersten Ausführungsform umzulenken vermag, so dass der Abgasstrom zum Strömungsabriss neigt. Aus diesem Grund wird der Düsensatz 6 in einem annähernd vertikalen Winkel positioniert, was den zusätzlichen Auftrieb infolge eines leichten Unterdruckes oberhalb des tragenden Abschnittes 3 verringert.
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Der Vorteil der Ausgestaltung der Flügelkonsole 1 gemäß der dritten Ausführungsform besteht in einem zusätzlichen Auftrieb ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die aerodynamischen Flächen 7 und 9 gemeinsam einen Auslassquerschnitt S des Abgasstromes des Düsensatzes 6 bilden. Wenn der zweite Mechanisierungsabschnitt ausgelenkt ist, verändert sich die Fläche des Auslassquerschnittes S in Abhängigkeit der Position der aerodynamischen Flächen 7 und 9, was zu einer Änderung der Druck-/Fluggeschwindigkeitsparameter führt. Da der zweite Mechanisierungsabschnitt zwei Flächen 7 und 9 umfasst, ist jedoch eine Verbindungsstange 10 erforderlich, um für die notwendige gegenseitige Kinematik zu sorgen.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen aerodynamischen Flugzeugen, bei welchen Flächen gesteuert werden, die nur bei einer Fluggeschwindigkeit oberhalb eines bestimmten Grenzwertes effizient ihre Wirkung zu entfalten vermögen, weist die Flügelkonsole 1 des erfindungsgemäßen Flugzeugs 2 einen zweiten Mechanisierungsabschnitt 7 auf, welcher als Flügelklappe (Flaperon) zu wirken vermag und sich stets in einem durch den Düsensatz 6 erzeugten Luftstrom hoher Geschwindigkeit befindet. Die Flügelklappen (Flaperons) vermögen daher sowohl Gierbewegungen des Flugzeugs 2 während des Startens und Landens als auch eine wirksame Steuerung des Flugzeugs 2 hinsichtlich Gier- und Rollbewegungen bei geringen horizontalen Fluggeschwindigkeiten zu bewirken. Darüber hinaus besteht im Falle der dritten Ausführungsform der Flügelkonsole 1 die Möglichkeit, die Druck- und Geschwindigkeitsparameter des Abgasstromes des Düsensatzes 6 zusätzlich zu verändern, indem die Fläche des Auslassquerschnittes S verändert wird. Das Flugzeug 2 ist folglich in allen Flugstadien und bei allen Fluggeschwindigkeiten gut beherrschbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2964264 A [0003]
- US 10597133 B2 [0006, 0010]
- US 20170203839 A1 [0008]