Verfahren und Einrichtung zur Strömungskontrolle an einem Hochauftriebssystem am Tragflügel eines Flugzeugs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strömungskontrolle an einem Hochauftriebssystem am Tragflügel eines Flugzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine entsprechende Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.

Hochauftriebssysteme am Tragflügel eines Flugzeugs umfassen typischerweise eine oder mehrere Nasenklappen, die an der in Strömungsrichtung vorderen Seite des Tragflügels angeordnet sind und eine oder mehrere Hochauftriebsklappen, die an der in Strömungsrichtung hinteren Seite des Tragflügels angeordnet sind. Die Klappen sind jeweils mit einem Hauptprofilkörper des Tragflügels in einer solchen Weise verbunden, dass die Klappen unter Vergrößerung der Profilwölbung und unter zusätzlicher Freigabe eines Spaltes ausfahrbar sind, durch den energiereiche Luft von der Unterseite zur Oberseite des Tragflügels strömt. Dieser Spalt liegt dementsprechend entweder zwischen Nasenklappe oder Vorflügel einerseits und Hauptprofilkörper andererseits oder zwischen dem Hauptprofilkörper einerseits und der dahinter befindlichen Hochauftriebsklappe andererseits, je nach betrachteter Hochauftriebsklappe. Die Entwicklung bei modernen Hochauftriebssystemen geht dahin, mit kleineren Flächen, das heißt, einem geringeren Strukturgewicht, mehr Auftrieb zu erzeugen, sogenannte Super- High-Lift-Systeme, wofür ein größerer Klappenwinkel erforderlich ist. Dies kann insbesondere im Extrembereich, das heißt bei hohen Anstellwinkeln und/oder niedrigen Geschwindigkeiten zu einer Strömungsablösung führen und damit den angestrebten Effekt verschlechtern. Die Strömungsablösung erfolgt typischerweise an der Oberseite des bezüglich des durchströmten Spaltes hinten liegenden, also stromabwärtigen Profilkörpers, und ist mit einem signifikanten Rückgang des Auftriebs verbunden.

Aus der Veröffentlichung R. Petz, R. Becker, W. Nietsche, R. King, "Aktive Ablösekontrolle an der Hinterkantenklappe einer generischen Hochauftriebskonfiguration unter Einbeziehung von Regelungskonzepten", Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2005, ist ein Ansatz bekannt, wonach zur Strömungsbeeinflussung an einer Hinterkantenklappe ein dynamisch gepulstes Ausblasen von Druckluft in die Strömung der durch den Spalt von der Unterseite zur Oberseite des Tragflügels geführten Luft erfolgt. Dazu ist im vorderen Teil des Profils der Hinterkantenklappe eine Anzahl von in Spannweitenrichtung nebeneinander angeordneten Luftauslassschlitzen vorgesehen, welche über schnell schaltbare Magnetventile mit Druckluft versorgbar sind. Die eingeblasene Druckluft stellt periodische Störimpulse dar, wodurch die Strömung unter Ausnutzung von bereits vorhandenen Instabilitäten auch bei großen Klappenwinkeln am Profil anliegend gehalten wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Einrichtung zur Strömungskontrolle an einem Hochauftriebssystem am Tragflügel eines Flugzeugs zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiter wird die Aufgabe durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen von Verfahren und Einrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Strömungskontrolle am Hochauftriebssystem keinen erhöhten Druckluftbedarf mit sich bringt und somit energieeffizient ist. Ein weiterer Vorteil ist eine vergleichsweise einfache Systemauslegung, welche auf bestehende Klappentechnologien zurückgreift.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte Querschnittsdarstellung eines Tragflügels eines Flugzeugs mit daran angeordneten Hochauftriebsklappen in Form von Vorflügeln oder Nasenklappen und Hinterkantenklappen;

Fig. 2a) und b) schematisierte Ausschnittsdarstellungen von Fig. 1 zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches die wesentlichen Komponenten zur Strömungskontrolle an dem Hochauftriebssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt; und

Fig. 4a) und b) zwei Ausführungsbeispiele, wie zur Strömungskontrolle vorgesehene bewegliche Bereiche an einem jeweiligen Profilkörper angeordnet sein können.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Tragflügel eines Flugzeugs. Dieser umfasst einen Hauptprofilkörper 1 sowie an diesem angeordnete Hochauftriebsklappen 2, 3. Bezüglich der Strömungsrichtung vor dem Hauptprofilkörper 1 angeordnet ist eine Nasenklappe oder ein Vorflügel 2, in Strömungsrichtung dem Hauptprofilkörper nachgeordnet ist eine Hinterkantenklappe 3 vorgesehen. Die Naseklappe 2 bzw. Hinterkantenklappenkante 3 bilden jeweilige aerodynamisch hoch wirksame Profilkörper. Die Hochauftriebsklappen 2, 3 sind unter

Vergrößerung der Wölbung des Gesamtflügelprofils und unter Freigabe eines energiereiche Luft von der Unterseite des Tragflügels 10 zu dessen Oberseite führenden Spaltes 12 bzw. 22 in an sich wohlbekannter Weise ausfahrbar. So ist zwischen einem Hinterkantenbereich 11 des Hauptprofilkörpers 1 und einem Nasenbereich 33 der stromabwärts dahinter liegenden Hinterkantenklappe 3 ein

Spalt 12 gebildet, und durch einen Hinterkantenbereich 21 der Nasenklappe 2 und einen Nasenbereich 13 des Hauptprofilkörpers 1 ist ein Spalt 22 gebildet. Im ausgefahrenen Zustand der Klappe 2, 3 führen die Spalte 12, 22 energiereiche, d.h. eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisende Luft von der Unterseite 10 des Tragflügels zu seiner Oberseite, wodurch im Zusammenspiel mit der besagten Vergrößerung der Profilwölbung und einer effektiven Verlängerung des wirksamen Profils in Profilsehnenrichtung eine signifikante Erhöhung des Auftriebs stattfindet. Insoweit zeigt Fig. 1 eine an sich bekannte typische Hochauftriebskonfiguration eines modernen Transport- oder Verkehrsflugzeugs.

In den Fig. 2a) und b) sind ausschnittsweise die Spaltbereiche 12 bzw. 22 zwischen dem Hauptprofilkörper 1 und der Hinterkantenklappe 3 bzw. zwischen der Nasenklappe 2 und dem Hauptprofilkörper 1 dargestellt. Wie in Fig. 2a) angedeutet ist, ist ein Teil des Hinterkantenbereichs 11 des stromaufwärts des durchströmten Spaltes 12 befindlichen Hauptprofilkörpers 1 gegenüber letzterem beweglich angeordnet und kann einer oszillatorischen Bewegung unterworfen werden, welche eine Schwingungsanregung der durch den Spalt 12 geführten energiereichen Luft bewirkt. Der bewegliche Teil des Hinterkantenbereiches 11 kann dabei beispielsweise als diskrete, starre Klappe ausgebildet sein.

ähnlich kann, wie in Fig. 2b) angedeutet, der Hinterkantenbereich 21 der stromaufwärts des durchströmten Spaltes 22 befindlichen Nasenklappe 2 beweglich angeordnet sein und einer oszillatorischen Bewegung unterworfen werden, durch die eine Schwingungsanregung der durch den Spalt 22 geführten energiereichen Luft bewirkt wird. Auch hier kann der oszillierende Hinterkantenbereich 21 durch eine schwenkbar an der Nasenklappe 2 angeordnete starre Klappe ausgebildet sein.

In Fig. 3 ist in einem schematisierten Schaltbild eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnete Betätigungs- bzw. Regeleinrichtung dargestellt,

welche am Beispiel einer am Hauptprofilkörper 1 angeordneten Hinterkantenklappe 3 zeigt, wie der bewegliche Hinterkantenbereich 11 des Hauptprofilkörpers 1 zur Erzeugung von dessen oszillatorischer Bewegung angesteuert werden kann. Die Betätigungseinrichtung 40 umfasst einen Aktuator 44, welcher die besagte oszillatorische Bewegung bewirkt. An der Oberseite der Hinterkantenklappe 3 ist ein Sensor 43 angeordnet, der den Druck, Wandschubspannungen, lokale Geschwindigkeit oder andere charakteristische Strömungs- bzw. Grenzschichtgrößen der strömenden Luft in dem hinsichtlich eines Strömungsabrisses kritischen Bereich an der Oberseite der Hinterkantenklappe 3 misst. Ein weiterer Sensor 41 ist im Bereich des durchströmten Spaltes 12 selbst angeordnet. Eine schnelle geschlossene Regelschleife 42 bewirkt eine Ansteuerung des Aktuators 44 in Ansprache auf die von den Sensoren 41 und 43 erhaltenen Signale. Der Aktuator 44 kann ein pneumatischer Aktuator, ein elektromagnetischer Aktuator oder ein piezoelektrischer Aktuator oder ein anderer geeigneter Aktuator sein.

Der Aktuator 44 kann eine Feder 46 enthalten, wie schematisch in Fig. 4a) gezeigt, welche eine solche Steifheit aufweist, dass sie zusammen mit dem beweglichen Hinterkantenbereich 11 ; 21 - hier ausgebildet als separate, starre Klappe - ein schwingungsfähiges System bildet, dessen Eigenfrequenz nahe einer gewünschten Frequenz der oszillatorischen Bewegung des Hinterkantenbereichs 11 ; 21 liegt. Die Frequenz der oszillatorischen Bewegung kann beispielsweise im Bereich zwischen 30Hz und 200Hz liegen, insbesondere beispielsweise im Bereich von etwa 80Hz bis 150Hz, typischerweise bei etwa 100 Hz. Amplitude und Frequenz der oszillatorischen Bewegung werden durch die Betätigungseinrichtung 40 in Ansprache auf die von den Sensoren 41 und 43 erhaltenen Signale so gesteuert, dass ein Strömungsabriss an der Hochauftriebsklappe 2 bzw. 3 so spät wie möglich erfolgt.

Die anhand der Fig. 3 für den Spalt 12 an einer Hinterkantenklappe 3 erläuterte Betätigungseinrichtung 40 kann entsprechend für den Spalt 22 zwischen Nasenklappe 2 und Hauptprofilkörper 1 verwendet werden. Anstelle der beschriebenen Regelung mit einer geschlossenen Schleife kann auch eine Vorwärtssteuerung in Abhängigkeit von Parametern erfolgen, welche den Zustand des Hochauftriebssystems beschreiben. Dies können beispielsweise Fluggeschwindigkeit, Anstellwinkel des Flugzeugs, Ausfahrzustand der Klappe oder andere geeignete Parameter sein.

Es können mehrere in Spannweitenrichtung nebeneinander befindliche Teile des beweglichen Hinterkantenbereichs 11 bzw. 21 vorgesehen sein, die jeweils mittels eines eigenen Aktuators 44 einer eigenen oszillatorischen Bewegung nach Amplitude, Frequenz und ggf. Phase unterworfen werden.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der bewegliche Teil des

Hinterkantenbereichs 11 ; 21 um eine in Spannweitenrichtung verlaufende Achse oder Richtung gegenüber dem Profilkörper 1 ; 2 verstellbar. Dabei kann der bewegliche Teil des Hinterkantenbereichs 11; 21 über ein Gelenk 14; 24 mit dem Profilkörper 1 ; 2 verbunden sein, wie in Fig. 4a) gezeigt. Gemäß eines besonders bevorzugten Ausführungsform wird der bewegliche Teil des Hinterkantenbereichs 11 ; 21 durch eine starre, an den jeweiligen Profilkörper 1 ; 2 angelenkte Klappe gebildet. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der bewegliche Teil des Hinterkantenbereichs 11; 21 über einen flexiblen Bereich 15; 25, wie in Fig. 4b) gezeigt, mit dem Profilkörper 1 ; 2 verbunden. Auch in diesem Fall ist der verstellbare, oszillierende Teil des Hinterkantenbereichs 11 ; 21 starr ausgebildet. Selbstverständlich kann der oszillierende Teil des Hinterkantenbereichs 11 ; 21 auch flexibel (z.B. aus Faserverbundwerkstoff) ausgebildet sein.

Bezugszeichenliste

1 Hauptprofilkörper

2 Nasenklappe

5 3 Hinterkantenklappe

11 ; 21 beweglicher Hinterkantenbereich

12; 22 durchströmter Spalt

13; 23; 33 Nasenbereich

14; 24 Gelenk

10 15; 25 flexibler Bereich

10 Tragflügelunterseite

40 Betätigungseinrichtung

41 Sensor

42 schnelle Regelschleife

15 43 Sensor

44 Aktuator

46 Feder