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Drehflügel für Verwandlungsflugzeug Die Erfindung betrifft Verwandlungsflugzeuge,
die neben Drehflügeln starre Tragflächen besitzen. Solche Verwandlungsflugzeuge
können starten und landen wie ein Hubschrauber. Es wird erstrebt, daß sie im Reiseflug
wie ein Drachenflugzeug fliegen und dann auch genauso leicht steuerbar sind. Im
Flugzustand für Vorwärtsflug mit Reisegeschwindigkeit darf der Drehflügel keine
oder doch nur eine sehr geringe aerodynamische Wirkung ausüben. Der Übergang von
einem zum anderen Flugzustand muß stetig verlaufen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Drehflügel so
auszubilden, daß er während des Vorwärtsfluges zum Stillstand gebracht und während
des Vorwärtsfluges aus dem Stillstand heraus auch wieder in Drehung versetzt werden
kann.
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Wenn man im Vorwärtsflug bei gleichbleibender Fluggeschwindigkeit
v einen Drehflügel von einer anfänglichen Blattspitzen - Umfangsgeschwindigkeit
u bis zum Stillstand der Drehung verzögerte, würden die Drehflügel einen unbegrenzt
hohen Fortschrittsgrad l = v/u erreichen. Wenn im Vorwärtsflug der Drehflügel aus
dem Stillstand zur Umfangsgeschwindigkeit u beschleunigt wird, tritt in gleicher
Weise zu Beginn dieses Vorgangs ein ebenso hoher Fortschrittsgrad auf. Höhere Fortschrittsgrade
als etwa l = 0,5 sind jedoch infolge der auftretenden Rückanströmung an einem großen
Teil der Flügelblätter und wegen starker Schlagbewegungen mit den bekannten Drehflügeln
im freien Flug nicht beherrschbar.
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Die Drehflügel würden im Bereich hoher Fortschrittsgrade so unkontrollierbare
Schlagbewegungen ausführen, daß die Gefahr der Berührung der Drehflügelblätter mit
anderen Teilen des Luftfahrzeuges besteht oder auch, daß der Drehflügel allein durch
die Schlagbewegung zerbricht. , Das Drehflügelblatt muß daher zur Einleitung des
Stillsetzvorganges beim Auftreten hoher Fortschrittsgrade aus dem aerodynamisch
besonders wirksamen äußeren Abschnitt des Rotorkreises nach innen bewegt werden.
Es wurde zu diesem Zweck bereits vorgeschlagen, die Blätter translatorisch radial
zu verstellen. Durch eine solche Verstellung wird jedoch das Trägheitsmoment des
Drehflügelsystems in nachteiliger Weise verändert, wenn nicht relativ große Gewichte
zum Ausgleich angebracht werden. Der mit einer solchen Konstruktion verbundene bauliche
und gewichtsmäßige Aufwand ist groß.
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Nach der Erfindung wird das Drehflügelblatt zur Einleitung des Stillsetzvorganges
für den Drehflügel aus dem aerodynamisch besonders wirksamen äußeren Abschnitt des
Rotorkreises um ein zwischen Rotorarm und Flügelblatt angeordnetes Schwenkgelenk,
dessen Achse parallel zur Rotorachse steht, nach innen geschwenkt. Dabei wird beim
Erreichen höherer Fortschrittsgrade das Blatt in der ersten Phase der Verstellbewegung
von der vom Schwenkgelenk aus vorzugsweise nach außen gerichteten radialen Stellung
in eine vorzugsweise tangentiale Stellung geschwenkt und in einer weiteren Phase
der Bewegung in eine vom Schwenkgelenk aus radial nach innen gerichtete Stellung
gebracht. Die Drehflügeleinrichtung weist in allen Einstellungen ein unverändertes
Trägheitsmoment um die Rotorachse auf. Das wird erreicht durch die Anordnung von
Gegengewichten, die mittels Armen am Blatt so befestigt sind, daß der Schwerpunkt
von Blatt, Arm und Gegengewicht stets in der Schwenkachse liegt.
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Die Erfindung ist insbesondere bei Einblattrotoren ausführbar, sie
läßt sich aber auch für Drehflügel mit zwei Blättern vorteilhaft anwenden. Im nachfolgenden
wird zwecks anschaulicher und einfacher Darstellung nur der Einblattdrehflügel behandelt.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Schlagbewegung
des Rotors durch feste Anschläge oder ein ausschaltbares Dämpfungsglied wahlweise
gefesselt oder freigegeben werden kann.
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Weitere Merkmale sind aus der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Abbildungen dargestellt, und zwar zeigt Abb.
1 eine Drehflügeleinrichtung vereinfacht und teilweise schematisch im senkrechten
Schnitt, Abb. 2 eine Draufsicht zu Abb. 1, Abb. 3 eine Draufsicht der gleichen Einrichtung
mit einer mittleren Schwenkstellung des Blattes, Abb. 4 eine Draufsicht mit völlig
eingeschwenktem Blatt, Abb.5 ein Verwandlungsflugzeug mit der Drehflügeleinrichtung
in der Einstellung für Start und Landung und Horizontalflug mit geringer Geschwindigkeit
und Abb.6 dasselbe Verwandlungsflugzeug mit stillgesetztem, jedoch noch nicht eingezogenem
Rotor im Horizontalflug mit hoher Geschwindigkeit.
Das Drehflügelblatt
11 besitzt einen Auslegerarm 12, an dem ein Gegengewicht 13 angeordnet ist. Eine
Achse 14, die durch den gemeinsamen Schwerpunkt von Blatt 11, Auslegerarm 12 und
Gegengewicht 13 geht, ist in einem am Ende eines Rotorarmes 16 angeordneten Lager
15 gehalten. Um dieses Lager 15 kann das Blatt 11 mit seinem Auslegerarm 12 geschwenkt
werden. Das gegenüberliegende Ende des Rotorarmes 16 trägt ein Gegengewicht 17,
das zum Ausgleich der Unwucht des Einblattsystems dient.
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Der Rotoraum 16 ist ein Teil der Rotornabe 18. Auf der Rotorachse
19 ist ein verstellbarer Anschlag 20 angeordnet, durch den Schlagbewegungen des
Rotors verhindert werden können. Zwischen der Rotornabe 18 und der Rotorachse 19
sind das Schlaggelenk 25 und das Blattverstellgelenk 26 mit dem Kardanring 27 angeordnet.
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Auf der Schwenkachse 14 sitzt ein Schneckenradsegment 21, in das eine
Schnecke 22 eingreift. Die Schnecke 22 ist mit der Welle eines Elektroverstellmotors
23 fest verbunden. Stromzuführungsleitungen 24 für den Verstellmotor werden über
nicht dargestellte Schleifringe zur Stromquelle und den Schaltorganen geführt. Der
Arm 12 hat einen Querschnitt, der kreisförmig oder angenähert kreisförmig ist und
daher unabhängig von seiner Anströmrichtung verschwindend kleine Auftriebskräfte
ergibt.
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Bei der in den Abb. 1 und 2 gezeigten radialen Stellung des Blattes
11 mit von der Rotorachse 19 abgewandter Stellung des Blattendes unterliegt das
Blatt bei gegebener Drehzahl des Rotors einer hohen tangentialen Anströmgeschwindigkeit
und weist eine große Flügelstreckung senkrecht zur Anströmrichtung auf. Dadurch
können bei gegebenem Anstellwinkel des Blattprofils große Luftkräfte erzeugt werden,
die den nötigen Rotorschub zum Tragen des Luftfahrzeuges liefern. Diese Stellung
des Blattes ist vorzugsweise geeignet, bei geringer Horizontalgeschwindigkeit das
Luftfahrzeug als Hub- oder Tragschrauber zu tragen, solange der Drehflügel eine
durch die Gesamtkonstruktion bedingte Mindestdrehzahl nicht unterschreitet.
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In der Stellung in Abb. 3 schließen das Drehflügelblatt 11, 12 und
der Rotorarm 16 einen rechten Winkel ein. Durch diese tangentiale Lage des Blattes
11 wird bei unveränderter Drehzahl des Rotors eine kleinere Anströmgeschwindigkeit
und eine kleinere Flügelstreckung senkrecht zur Anströmrichtung für das Blatt hergestellt
als in der radialen Einstellung. Dadurch kann das Blatt, selbst bei größeren Anstellwinkeln,
keine großen Luftkräfte erzeugen. Die Blätter sind aerodynamisch sehr wenig wirksam.
Das dem Blatt 11 in Anströmrichtung vorauseilende Gegengewicht 13 verleiht ihm eine
ausreichende Stabilität.
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Aus jeder Einstellung, die Auftrieb erzeugen könnte, wird das Blatt
automatisch mit großen Luftkraftmomenten in eine neue Stellung gedreht, die einen
geringeren Auftrieb ergibt. Diese Stellung des Blattes ist vorzugsweise geeignet,
den Drehflügel bei höherem Fortschrittsgrad ohne große Schlagbewegung zu betreiben.
Da keine großen Luftkräfte in Richtung der Rotorachse 19 möglich sind, können auch
keine großen Schubschwankungen auf einen so verstellten Rotor wirken.
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In Abb.4 ist eine weitere Schwenkstellung des Blattes 11 gezeigt.
In dieser radialen Lage befindet sich das Blatt 11 im inneren Bereich des Rotorkreises,
also in der Nähe der Drehachse 19. Dabei wird das Blatt 11 bei gleicher Rotordrehzahl
mit der kleinsten tangentialen Geschwindigkeit angeströmt, und die Luftkräfte sind
daher besonders klein, selbst wenn es mit einem verhältnismäßig großen Winkel gegen
die Strömung eingestellt ist. Die möglichen Luftkraftmomente des Rotors um die Schlagachse
25 werden infolge der kleinen tangentialen Anströmgeschwindigkeiten wesentlich kleiner
als bei der radialen Einstellung nach Abb.2. Dadurch ist es möglich, das Blatt in
seiner Schlagbewegung zu fesseln und das Schlagen mit geringen Kräften zu verhindern,
was durch Hochschieben des Anschlages 20 bewirkt wird. Jeder beliebig hohe Fortschrittsgrad
kann jetzt ohne die Gefahr der Blattberührung für die übrigen Teile des Luftfahrzeuges
durchlaufen werden. An Stelle des in Abb. 1 gezeigten schaltbaren Anschlages 20
kann auch eine verstellbare Dämpfung für den gleichen Zweck dienen.
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Da die Drehflügeleinrichtung in allen Schwenkstellungen das gleiche
Trägheitsmoment um die Rotorachse 19 aufweist, ist es möglich, ohne wesentliche
Energiezufuhr mit kleinen Kräften und ohne Änderung der Rotordrehzahl alle Schwenkverstellungen
des Blattes 11 um die Achse 14 durchzuführen. Bei einem Luftfahrzeug, das eine derartige
Drehflügeleinrichtung mit nach innen schwenkbarem Blatt besitzt, kann, wenn noch
eine zusätzliche feste Tragfläche sowie eine Luftschraube oder andere Vortriebsmittel
vorhanden sind, die Drehflügeleinrichtung im Vorwärtsflug stillgesetzt werden.
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Das Verfahren verläuft folgendermaßen: Die Drehflügeleinrichtung,
die sich in der Einstellung nach Abb. 1 und 2 befindet, erzeugt beim senkrechten
Start den Auftrieb zum Tragen des Verwandlungsflugzeuges. Das Flugzeug kann danach
mit drehendem Rotor in dieser Einstellung solche Fluggeschwindigkeiten erreichen,
wie sie von Drehflüglern heute schon beherrscht werden. Die festen Tragflächen,
die gegebenenfalls - noch mit auftriebserhöhenden Mitteln ausgestattet sind, können
bei dieser Geschwindigkeit bereits den größten Teil des notwendigen Auftriebs herstellen,
so daß der Drehflügel entlastet ist. Nun wird unter Beibehaltung der gleichen Rotordrehzahl
das Blatt 11 in die Stellung nach Abb. 3 geschwenkt. Dies geschieht durch den vom
Pilotensitz aus schaltbaren Verstellmotor 23 über die Schnecke 22 und das Schneckenradsegment
21. Durch weiteres Schwenken des Blattes 11 wird die Stellung nach Abh. 4 erreicht,
in der das Blatt in seiner aerodynamischen Wirkung nahezu ausgeschaltet ist. Jetzt
wird die Schlagbewegung, die um das Schlaggelenk 25 möglich ist, durch eine starke
Dämpfung oder durch Anschläge 20 verhindert. Das radial nach innen geschwenkte Blatt
kann von einer es umgreifenden Gabel 26, die an dem das Gewicht 17 tragenden
Ende des Rotorarmes 16 befestigt ist, noch zusätzlich gehalten werden. Der Drehflügel
kann nun stillgesetzt werden. Das Verwandlungsflugzeug wird dann nur noch von den
festen Tragflächen getragen und folgt den Gesetzen der Flugzeuge mit starren Flügeln.
Der Luftwiderstand des Rotors wird durch das Stillsetzen wesentlich verringert.
Nach dem Stillsetzen kann der Rotor in den Rumpf des Luftfahrzeuges eingezogen werden.
Die Rumpföffnungen können durch Klappen 27 abgedeckt werden.
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Wenn das Verwandlungsflugzeug von der hohen Geschwindigkeit wieder
auf eine geringere Geschwindigkeit verzögert werden soll, wird der Rotor mit nach
innen geschwenktem- Blatt 11 allmählich auf die Betriebsdrehzahl gebracht, wobei
durch den Anschlag eine Schlagbewegung verhindert ist, ohne daß große Luftkraftschwankungen
auftreten. Wenn die Horizontalgeschwindigkeit des Luftfahrzeuges die zulässige
obere
Grenze für Drehflügler unterschritten hat, kann der Rotor über die tangentiale Stellung
nach Abb. 3 in die radiale Stellung nach Abb. 2 gebracht werden, ohne daß der für
die jeweilige Einstellung höchste Fortschrittsgrad überschritten wird. Das Flugzeug
kann dann als Drehflügler senkrecht landen.