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Flugzeugantrieb für vertikale und horizontale Flugrichtung Der Vortrieb
bzw. Auftrieb eines Flugkörpers im lufterfüllten Raum ist eine Funktion der Beschleunigung
von Luftmassen während der Zeitdauer ihrer Berührung mit dem Flugkörper.
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Für den Vortrieb bei Normalflug und den Auftrieb bei Hubschraubern
und senkrecht startenden Düsenmaschinen ist die axial gerichtete Beschleunigungskomponente
der im Propellerkreis oder im Strahltriebwerk bewegten Luftmassen maßgebend.
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Für den Auftrieb bei Normalflug ist die vertikale Beschleunigungskomponente
der an den Tragflächen vorbeistreichenden Luft entsprechend der Fluggeschwindigkeit
und des spezifischen Auftriebes der Tragflächen bestimmend.
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Bester Wirkungsgrad wird dann erzielt, wenn die Relativgeschwindigkeit
des Flugzeuges gegenüber den bewegten Luftmassen nicht wesentlich größer ist als
die Fluggeschwindigkeit. Daher erklärt sich die - vor nachstehender Erfindung -
nicht gemeisterte Schwierigkeit, mit einem Flugzeugantrieb sowohl die langsamen
Start- und Landegeschwindigkeiten wie die hohen Reisegeschwindigkeiten technisch
und wirtschaftlich zu beherrschen.
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Untersucht man die bisher bekannten Flugzeugantriebe, Versuche und
Patente auf ihre gleichzeitige Eignung für Start und Landung wie für Normalflug,
so ergibt sich folgendes Bild: 1. Propellerantrieb: Die Vortriebs- und Auftriebsverhältnisse
bei Normalflug sind gut. Verstellpropeller einerseits und Verstellflächen andererseits
ermöglichen heute in weitem Bereich eine Veränderung der Fluggeschwindigkeit. Start
und Landung sind aber nach wie vor kritische Situationen. Lange Start- und Landebahnen
sind besonders für schnelle Maschinen unerläßlich. Starthilfen durch Raketen u.
dgl. sind nur Behelf. Jalousie-Flugzeuge sind stark in ihrer Geschwindigkeit beschränkt.
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Propeller-Wandelflugzeuge, welche a) durch Kippen der Triebwerke um
90°, b) durch Kippen von Triebwerk und Tragwerk um 90°, oder c) durch Kippen des
ganzen Flugzeuges um 90° senkrecht starten und landen können, nehmen bewußt den
schlechten Wirkungsgrad sowie die ungünstigen technischen und fliegerischen Verhältnisse
in Kauf. Das Patent eines Nurflügelflugzeuges sieht schräg stehende Gebläse mit
herkömmlichem Antrieb in der Tragfläche vor. Die Tragfläche wird sperrig. Ein Vertikalflug
kann nicht erzielt werden.
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2. Strahlantrieb: Es gilt im wesentlichen das über Propellerantrieb
gesagte. Der Bereich der Einsatzmöglichkeit und Wirtschaftlichkeit ist aber nach
höheren Geschwindigkeiten hin verschoben. Die Start- und Landebahnen sind noch länger.
Sonderbauformen wie Strahlklappen-Flugzeuge,Superzirkulations-Flugzeuge und Strahl-Wandelflugzeuge
einschließlich Tailsitter und Coleopter sind flugtechnisch oder wirtschaftlich mit
den gleichen Schwierigkeiten behaftet wie die entsprechenden Propellertypen. Hinzu
kommt, daß - der Feuerstrahl der Düsentriebwerke bei Start und Landung die gesamte
Umgebung gefährdet.
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3. Hubschrauber: Der gute Wirkungsgrad für den Auftrieb bei Start
und Landung wird durch die Geschwindigkeitsbeschränkung im Normalflug erkauft. Sonderbauarten,
wie z. B. Strahl- und Staustrahl-Hubschrauber, Gasturbinen-Hubschrauber, Raketen-Hubschrauber
und Flugschrauber, bringen zwar einige Vorteile, nähern sich aber noch lange nicht
dem erstrebten Zustand. Von den Projekten der Verwandlungs-Hubschrauber entspricht
das mit schwenkbaren Rotoren der Methode des Propeller-Wandelflugzeuges. Das Projekt
eines Verwandlungs-Hubschraubers mit einziehbarem Rotor scheint aussichtsreicher,
muß aber noch erprobt werden. Bei einem anderen Projekt ist der Hubpropeller in
eine scheibenförmige Tragfläche eingebaut. Bei Start und Landung kann die Luft durch
entsprechende Klappen vertikal durchtreten. Bei Horizontalflug wird die Luft durch
den Propellersog an einer Öffnung im Bug angesaugt und durch eine Düse am Heck ausgestoßen.
Der Auftrieb bei Start und Landung ist relativ gut, der Wirkungsgrad nur um die
Klappenverluste verschlechtert. Beim Vortrieb muß mit höheren Verlusten durch wiederholte
Umwandlung von Druck- und Bewegungsenergie gerechnet werden. Die Trafläche kann
wegen der erforderlichen Bauhöhe nicht schnittig ausgeführt werden. Die Ausführung
nach dem Patent ist einmotorig. Das auftretende Drehmoment wirkt störend. Der herkömmliche
Antrieb bedingt bei mehrmotorigen Flugzeugen besondere Motorenkanzeln. -4. Flugscheiben:
Scheibenförmige (sogenannte »Untertassen«) und flügellose Flugkörper (Aerodyne
)
sind erst im Entwicklungs- oder Erprobungsstadium. Die Flugeigenschaften sind noch
umstritten oder geheimgehalten. Bei den »Untertassen« wird aus sternförmig angeordneten
Brennkammern eines Strahltriebwerkes oder aus zentralen Öffnungen Gas radial entlang
der Unter- oder Oberseite des Flugkörpers geblasen, um durch Änderung der Druckverhältnisse
(Coanda-Effekt) einen Auftrieb zu erzielen. Bei Start und Landung wird aber nur
die relativ geringe vertikale Beschleunigungskomponente der großen, ohne Effekt
bewegten Luftmenge ausgenutzt.
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Die bisher bekannten Flugzeugantriebe haben -wie vorstehend gezeigt
- ihren ganz speziellen Anwendungsbereich. Aber selbst bei optimalen Verhältnissen
sind die Wirkungsgrade aller Triebwerke relativ schlecht, und zwar vom 40/o bei
Strahltriebwerken mit intermittierendem Strahl, über 300/o bei Überschallturbinentriebwerken,,
bis 400/o bei Propellertriebwerken. Raketen erreichen 450/o. Das Staustrahlrohr
hat den günstigsten Wirkungsbereich mit 500/o bei hoher Überschallgeschwindigkeit.
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Es ist naheliegend, die zukünftige Entwicklung des Flugzeugantriebes
unter Verwendung dieses so einfachen, preiswerten und wirkungsvollen Staustrahlrohres
voranzutreiben.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Methode, die gute Leistung eines
mit hoher Geschwindigkeit durchströmten Staustrahlrohres auch bei Start, Landung,
Vertikalflug und jeder beliebigen, praktisch vorkommenden Fluggeschwindigkeit auszunutzen.
Hierbei wird die dem Gasstrahl innewohnende kinetische Energie nach Bedarf teilweise
in potentielle Energie übergeführt und zum Antrieb eines Spezialgebläses verwendet,
welches bei Horizontalflug als Radialgebläse den erforderlichen Schub mit einer
der Fluggeschwindigkeit angepaßten Ausströmgeschwindigkeit erzeugt und bei Vertikalflug
in Art des Hubschrauberantriebes als Axialgebläse arbeitet.
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Nach der Erfindung wurde ein Flugzeugantrieb für vertikale und horizontale
Flugbewegungsrichtung von Tragflächenflugzeugen und Flugscheiben gefunden, welcher
unter Ausnutzung der aerodynamischen Gesetze allen erdenklichen Forderungen gerecht
wird: a) Senkrechter Start und senkrechte Landung mit beliebig kleiner Geschwindigkeit
auf kleinstem Raum ohne Gefährdung der Umgebung; b j Horizontalflug hoher Geschwindigkeit
und kontinuierlicher Übergang zwischen vertikaler und horizontaler Flugform; c)
hohe Wirtschaftlichkeit bei Herstellung und Betrieb durch günstige Formgebungsmöglichkeit
und Verwendung von unkomplizierten Staustrahltriebwerken, welche unabhängig von
der Fluggeschwindigkeit stets im Bereich günstiger Wirkungsgrade arbeiten können;
d) leichte Bedienung, da der Start- und Landevorgang - bisher die schwierigste Flugoperation
-nunmehr fast ausschließlich mit der Antriebsdrehzahl zu bewältigen ist; e) stabile
Fluglage auch bei Vertikal- und Langsamflug, da der Schwerpunkt - wie am Fallschirm
-an den auftriebserteilenden Gebläsen hängt; f) erhöhte Betriebssicherheit durch
die Verwendung zahlreicher kleiner, unabhängig voneinander arbeitender Staustrahltriebwerke,
welche auch im ungünstigsten Fall nicht gleichzeitig durch einen technischen Schaden
ausfallen können; g) Notlandefähigkeit (bei Brennstoffmangel) durch Segelstellung
der Gebläseschaufeln. Der Flugzeugantrieb nach der Erfindung wird vorgenannten Bedingungen
durch die neuartige, mit überraschenden Wirkungen ausgezeichnete Verwendung und
Zusammenstellung bekannter und in anderen Zusammenhängen erprobter Bauelemente gerecht:
Beispielsweise wurden bisher im Flugzeugbau Radialgebläse kaum verwendet - bestenfalls
als letzte Kompressorstufe im Turbinentriebwerk. Bei den bisherigen Antriebsmethoden
erschienen auch Radialgebläse wenig geeignet, da man sie in den herkömmlichen Flugzeugformen
schlecht unterbringen konnte. Die technischen Entwicklungen der jüngsten Zeit -hauptsächlich
bei Bergwerkslüften - zeigten, aber, daß mit Radialgebläsen Wirkungsgrade von annhernd
900/o zu erzielen sind. Da beim Flugzeugantrieb auchdie kinetische Energie weitgehend
auszunutzen ist, kann hier ebenso ein guter Wirkungsgrad erwartet werden.
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Die erfindungsgemäße Verwendung und die dazugehörenden Veränderungen
und Ergänzungen des Radialgebläses ermöglichen es, bisher bestehende Vor-
gebläse 1 (Abb. I) mit vertikaler Achse 2 angebracht. Infolge der schmalen Bauform
verschwinden die Laufräder 3 völlig im Innern auch relativ schlanker Tragflächenprofile,
wobei die Außenhaut der Tragfläche die Gehäusewand des Radialgebläses darstellt.
Die Schaufeln 4 des Laufrades 3 sind etwas schräg gestellt, so daß angesaugte Luft
nicht nur radial, sondern auch axial nach unten befördert werden kann. Große, verschließbare
Ansaug- und Austrittsöffnungen 5 an der Ober- bzw. Unterseite der Tragfläche unmittelbar
am Laufrad 3 ermöglichen je nach der vorgesehenen Flugrichtung entweder in geöffnetem
Zustand einen vertikalen Durchtritt 6 oder bei geschlossenen Öffnungen mit Hilfe
einiger Umlenkungen einen horizontalen Durchtritt 7 der transportierten Luftmassen
durch die Tragfläche. Sinngemäß wird bei diesem Vorgang entweder ein Vertikalschub
8 oder ein Horizontalschub 9 erzeugt (Abb. I).
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Um einen gefahrlosen und kontinuierlichen Übergang vom Horizontalflug
zum Vertikalflug und umgekehrt zu gewährleisten, geschieht das Öffnen und Schließen
der großen, vertikalen Ansaug- und Austrittsöffnungen 5 weitgehend ohne Veränderung
der Strömungsverhältnisse an der nicht durch Gebläse
richtung liegende Achsen 11 nach außen - auch einzeln und unvollständig - geöffnet.
In geschlossenem Zustand passen sich die Klappen 10 innen der Gebläsewand und außen
der Außenhaut der Tragfläche an. Ein allmähliches Öffnen der Klappen 10 setzt dem
Fahrtwind keinen nennenswerten Widerstand entgegen. Die Horizontalgeschwindigkeit
vermindert sich hauptsächlich durch Verkleinerung des Vortriebes. Der normale Auftrieb
der Tragfläche wird allmählich durch den Vertikalschub 8 der Radiälgebläse 1 mit
schräg stehenden Schaufeln 4 abgelöst. Durch sinnvolle Bedienung der Klappen 10
- auch einzeln und unsymmetrisch - und durch Variation der Gebläsedrehzahlen können
zahlreiche Landemanöver durchgeführt werden, welche selbst bei böigen Winden- eine
Punktlandung
in schwierigstem Gelände ermöglichen. Beim Start erfolgt sinngemäß der Übergang
vom Vertikalflug zum Horizontalflug durch allmähliches Schließen der Klappen 10.
Beim Horizontalschub 9 wird die Luft an einer nach vorn weisenden Öffnung 12 an
der Oberseite der Tragfläche horizontal angesaugt. Leitbleche ermöglichen einen
wirbelarmen Übergang der geradlinig anströmenden Luft in die drehende und radiale
Bewegung im Laufrad 3. Die äußere Gestaltung der Öffnung 12 dient sowohl der windschnittigen
Ableitung der nicht angesaugten, vorbeistreichenden Luft als auch der stabilen Aufhängung
der Radialgebläse 1 in der Tragfläche. Die im Laufrad 3 radial beschleunigten Luftmassen
werden im Leitgehäuse 13 gesammelt und der hintenliegenden, horizontalen; düsenartigen
Abstrahlöffnung 14 zugeführt (Abb. II).
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Die für den axialen bzw. vertikalen Transport der Luft erforderliche
Schrägstellung der Schaufeln 4 hat ihre Grenzen bei einer Verschlechterung der Wirkungsweise
für radialen Transport. Nach der Erfindung erzielt man für beide Förderungsarten
der Luft gute Wirkungsgrade durch veränderliche Anstellwinkel. Die Schaufeln 4 verlaufen
annähernd radial und lassen sich gleich einem Verstellpropeller um ihre Längsachse
15 verdrehen. Bei Horizontalschub 9 stellt man einen Anstellwinkel von annähernd
+ 90° ein. Bei Vertikalschub 8 ist der Anstellwinkel wie bei einem entsprechenden
Propeller normal positiv und in Segelstellung schwach negativ. Auf diese Weise ergibt
sich nicht nur ein guter innerer Wirkungsgrad des Gebläses, sondern ebenso ein guter
äußerer Wirkungsgrad des Flugzeugantriebes bei allen Flugbedingungen: Bei Horizontalschub
9 werden relativ kleine Luftmengen mit annähernd Fluggeschwindigkeit vorn angesaugt
und mit stark erhöhter Geschwindigkeit hinten wieder ausgestoßen. Bei Vertikalschub
8 werden relativ große Luftmengen mit geringer Geschwindigkeit oberhalb des Flugzeuges
angesaugt und mit relativ wenig erhöhter Geschwindigkeit nach unten befördert (Abb.
III).
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Um eine stabile Fluglage auch bei den geringen Geschwindigkeiten von
Start und Landung zu erzielen, werden nach der Erfindung die Gebläse 1 mitsamt den:
sie umschließenden Tragflächen so hoch wie möglich eingebaut (Hochdecker bzw. Schulterdecker)
und so verteilt, daß der Schwerpunkt 16 des Flugzeuges daran hängt, und zwar auf
einer vertikalen Achse 17 durch den Schubmittelpunkt 18 aller vertikalen Antriebe.
Eine etwaige ungleichmäßige Auftriebsverteilung wirkt sich dann nur in einer Schräglage
des Flugzeuges aus, welche leicht zu korrigieren ist (Abb. I).
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In der bisher beschriebenen Form könnte der Flugzeugantrieb auch von
herkömmlichen Flugmotoren getrieben werden, welche in besonderen Motorgondeln unterzubringen
wären. Die Erfindung sieht aber vor, daß das Laufrad 3 jedes Gebläses 1 direkt von
mehreren, zentralsymmetrisch an seinem Umfang angeordneten Staustrahltriebwerken
19 angetrieben wird. Die Zuführungsrohre 20 für Verbrennungsluft laufen radial von
innen nach außen. Die Abstrahldüsen 21 blasen tangential und verleihen dem Laufrad
das gewünschte Drehmoment. Entgegen der bekannten Art, (Hub-)Propeller direkt anzutreiben,
erzielt die Erfindung die Drucksteigerung in dem Verbrennungsraum 24 nicht allein
durch Diffusorwirkung, sondern vornehmlich durch Ausnutzung der Zentrifugalkraft
in den Zuführungsrohren 20. Letztere sind aus strömungstechnischen Gründen in den
hohlen Schaufeln 4 untergebracht und dienen zugleich als Längsachse 15 für die Veränderung
des Anstellwinkels der Schaufeln 4. Die Schaufeln 4 einschließlich Zuführungsrohren
20 haben an der vorderen, oberen Kante in der Nähe der Gebläsenabe 22 Lufteintrittsöffnungen
23. Die Verbrennungsluft wird wie in einem Radialgebläse transportiert. Durch geschickte
Führung des Luftstromes unter Berücksichtigung der Mach-Zahl lassen sich wesentlich
höhere Verbrennungsdrücke erzielen als bei vergleichbaren, frei durchströmten Staustrahltriebwerken
(Abb. III).
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Die austretenden Treibstrahle 26 haben den entgegengesetzten Drehsinn
der mittels des Radialgebläses 1 transportierten Luftmassen im Leitgehäuse 13. Feststehende
Umlenkschaufeln 25 am Umfang des Radialgebläses 1 nehmen die Treibstrahle 26 auf
und lenken sie um in den Drehsinn der rotierenden Luftmassen. Die kinetische Energie
der mit hoher Geschwindigkeit austretenden Treibstrahle 26 wird weitgehend zum Erzeugen
eines Drehmoments benutzt. Der Rest verbleibt kinetische Energie und wird in richtigem
Drehsinn den rotierenden Luftmassen im Leitgehäuse 13 zugeführt (Abb. III).
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Die Brennstoffzufuhr zu jedem einzelnen Gebläse ist regulierbar. Der
Zufluß zu den Staustrahltriebwerken 19 erfolgt durch eine Bohrung 28 in der feststehenden
Gebläseachse 2, welche in eine ringförmige Sammelrinne 30 in der Gebläsenabe 22
mündet, und von hier aus durch radiale, in den Schaufeln 4 liegende Brennstoffleitungen
31 zu den Verbrennungsräumen 24. Auf diese Weise kann der Zufluß des Brennstoffes
bis zu der Gebläsenabe 22 fast drucklos erfolgen, was Schwierigkeiten mit Stopfbuchsen
ausschließt. Innerhalb der Brennstoffleitungen 31 im Laufrad 3 erfolgt der Transport
und die Pressung wie im Laufrad einer Kreiselpumpe (Abb. III).
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Alle Bauelemente des Laufrades 3 sind infolge der hohen Umdrehungszahl
starken Fliehkräften ausgesetzt. Um die Zündeinrichtung diesen besonderen Verhältnissen
anzupassen, werden die Brennstoffleitungen als hohle elektrische Heizwiderstände
29 ausgeführt, mittels derer der Brennstoff bis zum Flammpunkt erhitzt werden kann
(Abb. III).
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Um die Staustrahltriebwerke 19 zünden zu können, müssen diese eine
Mindest-Eigengeschwindigkeit erreicht haben. Eine oder mehrere von einem Kleinkompressor
versorgte Anlaßdruckluftdüsen 32 an jedem Laufrad 3 erzeugen das dazu erforderliche
Anlaßdrehmoment. Die Zufuhr der Preßluft erfolgt ähnlich wie beim Brennstoff durch
eine Bohrung 27 in der Gebläseachse 2 und eine ringförmige Rinne 29 in der Gebläsenabe
22 (Abb. III).
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Der beschriebene Flugzeugantrieb wäre unvollkommen ohne die Verwendung
einer Nachverbrennung. Bei Horizontalschub 9 wird im Nachverbrennungsraum 33, welcher
zwischen Leitgehäuse 13 und Abstrahlöffnung 14 geschaltet ist, durch zusätzliche
Verbrennung von Brennstoff der Schub aus der Abstrahlöffnung 14 vergrößert (Abb.
II).