Anmelderin: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

51147 Köln; Linder Höhe Amtsaktenzeichen: Noch nicht zugewiesen

Priorität: DE 10 2007 026 765.9 (09.06.2007) RHP Ref.: 17926pct /co6 Datum: 05.06.2008

TRAGFLüGEL MIT VERSTELLBAREM SPOILER

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tragflügel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 trifft auf Tragflügel von bekannten Verkehrsflugzeugen und eine große Vielzahl anderer Flugzeuge zu, bei denen der Spoiler durch eine Bremsklappe gebildet wird.

Beim Landeanflug eines Flugzeugs wird dessen Geschwindigkeit auf einen möglichst geringen Wert reduziert, um die erforderliche Länge der Landebahn zu beschränken. Des Weiteren ist es zur Verringerung des Fluglärms am Boden erstrebenswert, den lärmbelästigten Bereich durch einen steilen Landeanflug zu minimieren. Hierfür ist ein hoher Auftriebsbeiwert erforderlich, um einen langsamen Anflug realisieren zu können. Zur Erzielung eines steil und langsam geflogenen Anflugpfads sind neben den hierfür notwendigen Hochauftriebssystemen wirkungsvolle Bremsvorrichtungen erforderlich. Bekannte Hochauftriebssysteme umfassen Flügelvorderklappen, so genannte Slats, und Flügelhinterklappen, so genannte Flaps, wobei letztere auch als Hochauftriebsklappen bezeichnet werden. Im Landeanflug werden sowohl die Flaps als auch die Slats gegenüber der Vorderkante bzw. Hinterkante des jeweiligen Tragflügels ausgefahren und stellen einen im Vergleich zum Reiseflug stark erhöhten Auftriebsbeiwert bereit, durch den eine starke Absenkung der Fluggeschwindigkeit während des Landeanflugs ermöglicht wird. Als Bremsvorrichtungen dienen die bereits erwähnten und hier

auch als Spoiler bezeichneten Bremsklappen, die wie die Flaps an der Hinterkante der Tragflügel angeordnet sind. übliche Bremsklappen werden dabei so betätigt, dass sie mit ihren Hinterkanten um eine im Bereich ihrer Vorderkanten verlaufende Schwenkachse hochgeschwenkt und damit gegen den überströmung der Saugseite der Tragflügel angestellt werden. Aufgrund ihrer Lage direkt auf dem Tragflügel beeinflussen ausgefahrene Bremsklappen maßgeblich die Flügelumströmung und verringern in Folge die auftriebsvergrößernde Wirkung der Hochauftriebsklappen. Zudem wird der Fluglärm durch den so verringerten Auftrieb und die dadurch bedingte höhere Landegeschwindigkeit deutlich vergrößert, da der Flugzeuglärm mit der Fluggeschwindigkeit exponentiell zunimmt. Weiterhin wird durch die erhöhte vertikale Geschwindigkeit des Flugzeugs das Aufsetzen deutlich härter, und durch diese Belastung werden höhere Ansprüche an die Entwurfsphase des Flugzeugs gestellt.

Alternativ zu Bremsklappen an der Saugseite von Tragflügeln ist es bekannt, Bremsklappen am Rumpf eines Flugzeugs anzuordnen, die in die das Flugzeug umgebene Luftströmung hinein ausgelenkt werden können. Nachteilig bei dieser Art von Bremsklappen sind das begrenzte zur Verfügung stehende Einbauvolumen sowie die eingeschränkte Fähigkeit strukturelle Fluglasten im Rumpfbereich aufzunehmen. Die praktische Anwendung solcher Bremsklappen am Rumpf hat zudem gezeigt, dass die auf diese Weise mögliche Erhöhung des Gleitpfadwinkels für eine gewünschte so genannte Steilabstiegprozedur nicht ausreichend ist. Zusätzlich muss mit einem erhöhten Gesamtgewicht des Flugzeugs und einer geänderten Außenform des Rumpfs gerechnet werden. Aus diesen Gründen nimmt durch Bremsklappen am Rumpf auch der Luftwiderstand während des Reiseflugs in unerwünschter Weise zu.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Tragflügel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, dessen Spoiler beim Bremsen ausschließlich den Luftwiderstand des jeweiligen Flugzeugs erhöht, aber nicht dessen Auftrieb reduziert. Zusätzlich soll kein zusätzlicher Reiseflugwiderstand erzeugt werden.

LöSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Tragflügel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Tragflügels sind in den

abhängigen Patentansprüchen 2 bis 9 beschrieben. Der Patentanspruch 10 betrifft ein Flugzeug mit einem Paar von spiegelsymmetrisch an einem Rumpf angeordneten neuen Tragflügeln.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei dem neuen Tragflügel ist eine Vorderkante des Spoilers im Flug über die Saugseite des Tragflügels ausfahrbar, und der ausgefahrene Spoiler ist im Flug mit seiner der Saugseite zugewandten Unterseite gegen die überströmung der Saugseite anstellbar. Gegenüber einer herkömmlichen Landeklappe wird der Spoiler des neuen Tragflügels zum Bremsen in einer entgegengesetzten Richtung angestellt. Dadurch wird zwar eine Erhöhung des Widerstands des Tragflügels, d. h. die gewünschte Bremswirkung erzielt, die überströmung der Saugseite des Tragflügels wird aber nicht in einer den Auftrieb des Tragflügels beeinträchtigenden Weise gestört. Vielmehr wird sogar die Anströmung einer auf den Spoiler folgenden

Hochauftriebsklappe im Sinne eines erhöhten Auftriebs positiv beeinflusst.

Um nach dem Aufsetzen des Flugzeugs Auftrieb schnell und gezielt vernichten zu können, kann der Spoiler des neuen Tragflügels zusätzlich mit seiner Oberseite gegen die überströmung der Saugseite anstellbar sein. Hierzu kann er, aber muss er nicht mit seiner Vorderkante wieder an die Saugseite des Tragflügels eingefahren werden. Um den Reiseflugwiderstand aufgrund des Spoilers bei dem neuen Tragflügel nicht zu erhöhen, ist der Spoiler in eine Stellung einfahrbar, in der er mit seiner Oberseite die Saugseite des Tragflügels fortsetzt. Dies impliziert, dass seine Vorderkante nicht mehr über die Saugseite des Tragflügels übersteht.

Mit dem überstehen der Vorderkante des Spoilers über die Saugseite des Tragflügels ist nicht zwingend gemeint, dass sich die Vorderkante des Spoilers in der Vertikalen über der Saugseite des Tragflügels befindet. Sie liegt aber oberhalb des Verlaufs der Saugseite des Tragflügels, wobei dieser Betrachtung auch eine gedachte Fortsetzung dieses Verlaufs bis unter die Vorderkante zugrunde gelegt werden kann, wenn der Spoiler erst an oder hinter der Hinterkante des Tragflügels beginnt.

Besonders bevorzugt ist eine solche Lage des Spoilers, in der er einen Bereich zwischen der Flügelhinterkante des Tragflügels und einer über diese ausgefahrene Hochauftriebsklappe überspannt. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Spoiler in Richtung seiner überströmung eine überlappung mit der ausgefahrenen Hochauftriebsklappe aufweist. Ein dabei auftretender

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Spalt zwischen der Hinterkante des Spoilers und der Saugseite der Hochauftriebsklappe kann im Flug einen passiven Aufblaseffekt der Grenzschicht auf der Hochauftriebsklappe bewirken werden. Auf diese Weise wird die resultierende aerodynamische Kraft an der Hochauftriebsklappe im krassen Gegensatz zu einer normalen Bremsklappe erhöht. Diese Erhöhung hat sowohl einen erhöhten Auftrieb an der Hochauftriebsklappe als auch einen erhöhten Widerstand zur Folge.

Vorzugsweise wird der Spalt zwischen der Unterseite des Spoilers und der Saugseite der ausgefahrenen Hochauftriebsklappe beim ändern eines Anstellwinkels des Spoilers konstant gehalten, um den genannten Ausblaseffekt unabhängig von der Gesamtbremswirkung des Spoilers möglichst beizubehalten. Hierzu kann der Spoiler um eine längs seiner Hinterkante verlaufende Schwenkachse verschwenkbar sein.

Besonders bevorzugt sind mehrere Spoiler an dem neuen Tragflügel vorgesehen. Dabei sind diese idealer Weise einzeln anstellbar. Wenn mehrere Spoiler vorgesehen sind, müssen aber nicht alle diese Spoiler mit ihrer Vorderkante über die Saugseite des Tragflügels ausfahrbar sein. Vielmehr kann nur einer oder können mehrere solcher erfindungsgemäßen Spoiler neben üblichen Bremsklappen vorgesehen sein. Insbesondere im rumpfnahen Bereich des Tragflügels, d. h. weiter von seiner Flügelspitze entfernt, können solche herkömmlichen Bremsklappen sinnvoll sein, um nach dem Aufsetzen des Flugzeugs Auftrieb zu vernichten, weil im Innenbereich die Auftriebskraft größer ist. Entsprechend ist der Außenbereich des Tragflügels für den Einsatz der erfindungsgemäßen Spoiler bevorzugt, wenn nicht jeder Spoiler alternativ in herkömmlicher Weise gegen die überströmung der Saugseite des Tragflügels angestellt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten

Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Tragflügel in einer Hochauftriebskonfiguration.

Fig. 2 zeigt den Tragflügel gemäß Fig. 1 mit in herkömmlicher Weise angestelltem

Spoiler.

Fig. 3 zeigt den Tragflügel gemäß Fig. 1 , wobei der Spoiler mit seiner Vorderkante ausgefahren und mit seiner Unterseite gegen die überströmung der Saugseite des Tragflügels angestellt ist.

Fig. 4 zeigt die Hinterkante des Tragflügels gemäß Fig. 1 in der Konfiguration gemäß

Fig. 3 mit dem Spoiler und einer Hochauftriebsklappe in vergrößerter Darstellung.

Fig. 5 zeigt Auftriebs- und Widerstandskurven, die für die Konfiguration des Tragflügels gemäß Fig. 2 und Fig. 3 berechnet wurden; und

Fig. 6 zeigt Nickmomentkurven, die ebenfalls für die Konfiguration des Tragflügels gemäß Fig. 2 und Fig. 3 berechnet wurden.

FIGURENBESCHREIBUNG

Der in Fig. 1 in einem Querschnitt dargestellte Tragflügel 1 weist eine Vorderkante 2 eine Hinterkante 3, eine Saugseite 4, eine Druckseite 5, eine Flügelvorderklappe 6 an der

Vorderkante 2 und eine Flügelhinterklappe 7 an der Hinterkante 3 auf. Weiterhin ist in dem übergangsbereich zwischen der Hinterkante 3 und der Flügelhinterklappe 7, die auch als Hochauftriebsklappe 7 bezeichnet wird, ein Spoiler 8 vorgesehen. In der in Fig. 1 dargestellten Hochauftriebskonfiguration des Tragflügels 1 sind die Flügelvorderklappe 6 über die Vorderkante 2 und die Flügelhinterklasse 7 über die Flügelhinterkante 3 ausgefahren, wobei die Hochauftriebsklappe 7 einen von dem Spoiler 8 überspannten Abstand zu der Flügelhinterkante 3 aufweist. Der Spoiler 8 befindet sich dabei in einer Stellung, in der er die Saugseite des Tragflügels mit seiner Oberseite 9 zu der Saugseite 10 der Hochauftriebsklappe 7 hin fortsetzt. Die Hochauftriebskonfiguration des Tragflügels 1 gemäß Fig. 1 mit ausgefahrener Flügelvorderklappe 6 und Flügelhinterklappe 7 stellt ein im Vergleich zum Reiseflug mit eingefahrenen Klappen stark erhöhten Auftriebsbeiwert bereit, durch den eine starke Absenkung der Fluggeschwindigkeit während des Landeanflugs ermöglicht wird.

Wenn der Gleitpfadwinkel des Flugzeugs weiter erhöht werden soll, kann zusätzlich zur Schubreduktion und zum erhöhten Gesamtluftwiderstand aufgrund der ausgefallenen Flügelvorderklappe 6 und der ausgefahrenen Flügelhinterklappe 7 der Spoiler 8 verwendet werden. Dazu kann der Spoiler 8 mit seiner Oberseite 9, wie in Fig. 2 dargestellt ist, gegen eine überströmung 11 der Saugseite 4 des Tragflügels 1 angestellt werden. Diese für eine herkömmliche Bremsklappe übliche Anstellung des Spoilers 8 erhöht zwar den Gesamtluftwiderstand, senkt aber den mit der ausgefahrenen Hochauftriebsklappe 7 erzielten zusätzlichen Auftrieb deutlich ab.

Deshalb ist der Spoiler 8 bei dem neuen Tragflügel 1 so ausgebildet, dass er auch in die in Fig. 3 gezeigt Stellung überführt werden kann, in der er mit seiner Vorderkante 12 über die Saugseite 4 des Tragflügels 1 ausgefahren ist und mit seiner Unterseite 13 gegen die überströmung 11 angestellt ist.

Fig. 4 zeigt die Flügelhinterkante 3, den Spoiler 8 und die Hochauftriebsklappe 7 gemäß Fig. 3 in vergrößerter Darstellung. Hieraus sind eine überlappung 14 des Spoilers 8 und der Hochauftriebsklappe 7 sowie ein Spalt 15 zwischen dem Spoiler 8 und der Hochauftriebsklappe 7 zu erkennen. Die überlappung 14 verläuft im Wesentlichen waagerecht, während der Spalt 15 senkrecht dazu orientiert ist. Eine hier nicht dargestellte Führung für den Spoiler 8 ist so ausgebildet, dass beim Verändern eines Anstellwinkels 16 des Spoilers die überlappung 14 und der Spalt 15 nicht erheblich verändert werden. Durch Variation des Anstellwinkels 16 kann

die aktuelle Bremswirkung des Spoilers 8 variiert werden. Die Form der Vorderkante 12 des Spoilers 8, die auch als Spoilernase bezeichnet wird, die Unterseite 13 des Spoilers sowie die Wölbung 17 an der Hinterkante 3 des Tragflügels 1 können im Hinblick auf aerodynamische, akustische, strukturelle und/oder herstellungsrelevante Aspekte optimiert werden. Eine Krümmung des Spoilers 8 kann auch durch Aktuatoren und/oder elastische Materialien erhöht werden, um den Auftriebsverlust an der Vorderseite des Tragflügels zu mindern.

Vorzugsweise werden bei dem neuen Tragflügel mehrere Spoiler 8 eingesetzt, die neben der Erhöhung des gesamten Luftwiderstands auch zur Steuerung des Flugzeugs eingesetzt werden können, indem sie getrennt voneinander angesteuert werden.

Die vorliegende Erfindung stellt mit dem Spoiler 8 eine Bremsklappe zur Verfügung, die im Vergleich zu herkömmlichen Bremsklappen mit der Anstellung gemäß Fig. 2 eine bessere Bremswirkung bereitstellen, dabei jedoch den Gesamtauftrieb des Flugzeugs weniger stören. Das macht die Erfindung zu einer besseren Luftbremse als herkömmliche Bremsklappen. Die Fig. 5 und 6 beweisen die besseren aerodynamischen Leistungen der erfindungsgemäßen Spoileranstellung gemäß Fig. 3 gegenüber der herkömmlichen Spoiler- bzw. Bremsklappenanstellung gemäß Fig. 2. Die gezeigten Kurven sind mit einer stationären nummerischen CFD- Methode berechnet worden. Fig. 5 zeigt Auftriebs- und Widerstandskurven für den in 5°- Schritten inkrementierten Ausschlag des Spoilers 8 in den in Fig. 2 und Fig. 3 angegebenen Richtungen. Fig. 6 zeigt die entsprechenden Nickmomentkurven.

BEZUGSZEICHENLISTE

Tragflügel

Vorderkante

Hinterkante

Saugseite

Druckseite

Vorderkantenklappe

Hochauftriebsklappe

Spoiler

Oberseite

Saugseite

überströmung

Vorderkante

Unterseite

überlappung

Spalt

Anstellwinkel

Wölbung