DE102022129097B3

DE102022129097B3 - Luftfahrzeugstruktur mit einer verbesserten Einlassöffnung für Triebwerksluft

Info

Publication number: DE102022129097B3
Application number: DE102022129097.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Ritter; Robert Ehrmayr; Robert Osterhuber
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2022-11-03
Filing date: 2022-11-03
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2042-11-04
Also published as: US20250257688A1; EP4365085A1; EP4365085B1

Abstract

Es ist eine Luftfahrzeugstruktur (10) mit einem Rumpf (20), einem Triebwerk (70) und einem Lufteinlass (100) zum Aufnehmen von Luft für das Triebwerk angegeben. Der Lufteinlass weist eine Umhausung auf, die eine Einlassöffnung umgibt. Der Lufteinlass weist weiter eine Kompressionsfläche (102) und eine Übergangsschulter (104) auf. Der Lufteinlass (100) weist zusätzlich eine Strömungsleitfläche (110) auf, die als lokale Erhöhung in einem Bereich der Übergangsschulter (104) angeordnet ist und sich in die Einlassöffnung hinein erstreckt. Diese als lokale Erhöhung ausgestaltete Strömungsleitfläche trägt dazu bei, dass die Verdrängung der Grenzschicht eines entlang der Luftfahrzeugstruktur strömenden Fluids an dem Lufteinlass verbessert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Beschreibung betrifft eine Luftfahrzeugstruktur, insbesondere für ein Überschallflugzeug, und bezieht sich insbesondere auf die Ausgestaltung eines Lufteinlasses zum Aufnehmen von Luft für ein Triebwerk.
Technischer Hintergrund
Strahltriebwerke werden mit Luft und einem Brennstoff versorgt, um daraus eine Antriebsenergie für ein Luftfahrzeug zu erzeugen. Die Luft wird aus der Umgebung des Luftfahrzeugs aufgenommen und wird über eine Einlassöffnung zu dem Strahltriebwerk zugeführt.
Für hohe Leistungen bzw. eine hohe Antriebsleistung des Strahltriebwerks ist es vorteilhaft, wenn die Einlassströmung, d.h. die in die Einlassöffnung aufgenommene Luft, eine hohe Energie aufweist. Um dies zu erreichen, können Erhöhungen (sog. Bumps) an der Außenfläche des Luftfahrzeugs angeordnet sein, welche in Bezug zu den Einlassöffnungen so platziert sind, dass die an der Außenhaut des Luftfahrzeugs erzeugte Grenzschicht der Strömung von der Einlassöffnung weggelenkt wird. Die Strömungsgrenzschicht weist typischerweise eine niedrigere Energie auf als eine von dem Luftfahrzeug beabstandete Luftströmung. Indem also das Grenzschichtfluid von der Einlassöffnung weggelenkt wird, wird eine Luftströmung mit höherer Energie in die Einlassöffnung aufgenommen, um dem Strahltriebwerk zugeführt zu werden.
US 5 779 189 A und DE 697 14 977 T2 beschreiben ein Strahlflugzeug mit einer Einlassöffnung für Triebwerksluft. Die Einlassöffnung ist entweder seitlich an dem Rumpf des Strahlflugzeugs und vor der Tragfläche oder an einer Unterseite der Tragfläche und beabstandet von dem Rumpf des Strahlflugzeugs angeordnet. An oder kurz vor der Einlassöffnung ist eine Erhöhung, ein sog. Bump, angeordnet, welcher das Grenzschichtfluid der an dem Strahlflugzeug anliegenden Luftschicht von der Einlassöffnung weglenkt.
EP 3 871 980 A1 und DE 10 2020 004 273 A1 beschreiben eine Flugzeugstruktur mit einer Einlassöffnung für Triebwerkluft, bei der ein Lufteinlass eine Erhöhung aufweist, die in einem Übergangsbereich zwischen einer Tragfläche und dem Rumpf angeordnet ist, und bei der die Erhöhung zwischen der Oberfläche der Tragfläche und der Oberfläche des Rumpfes asymmetrisch verläuft.
US 2007 / 0 136 032 A1 beschreibt einen ablenkungsfreien Hyperschalleinlass (DHI) für ein luftatmendes Hochgeschwindigkeits-Antriebssystem, das die angesaugte Grenzschichtströmung, den Luftwiderstand und das Gewicht reduziert und für eine hohe Einfangfläche für Hyperschallanwendungen sorgt. Ein Vorderkörpersegment erzeugt und fokussiert ein System mehrerer stromaufwärts gerichteter Schockwellen mit gewünschten Stärken und Winkeln, um die erforderlichen Einlass- und Triebwerksluftstrombedingungen zu erleichtern. Die Kontur des Vorderkörpers leitet die Grenzschichtströmung zu den Einlassseiten um, wodurch die Dicke der Grenzschicht, die vom Einlass aufgenommen wird, effektiv reduziert wird, während die vom Hyperschallantriebssystem benötigte Auffangfläche erhalten bleibt. Die Fläche ist so geformt, dass sie sich in das Stoßdämpfersystem des Vorderkörpers und den dünneren Grenzschichtbereich einfügt.
US 2007 / 0 181 743 A1 beschreibt einen Lufteinlass mit einer stoßerzeugenden Form. Die stoßerzeugende Form kann aus einer oder mehreren Oberflächen bestehen, je nach der Anzahl der stromaufwärts gerichteten schrägen Stöße, die erforderlich sind, um die gewünschten Strömungseigenschaften am Einlass zu erzeugen. Anschließend wird eine Blende entsprechend den Anforderungen an die Formgebung definiert. Diese gewünschte Blende wird auf die vordersten und hintersten schrägen Stöße des Strömungsfeldes projiziert. Der projizierte Teil der Öffnung wird dann stromabwärts vom hintersten schrägen Stoß versetzt, damit die Luft durch den Einlass „verschüttet“ werden kann.
US 2016 / 0 288 917 A1 beschreibt einen Triebwerkseinlass. Der Triebwerkseinlass hat sowohl bei der Auslegungs-Machzahl als auch bei anderen Machzahlen eine feste Kompressionsfläche und eine Vorderkante, die sich variabel über die feste Kompressionsfläche ausdehnen lässt, um gleichzeitig die Einfangfläche, die Kompression und die Position der Stoßwelle zu variieren.
DE 697 15 303 T2 beschreibt eine Ablenkvorrichtung von Luftgrenzschichten. Ein Einlasssystem ohne Ablenker ist vorgesehen, welches einen „Vorsprung“ bzw. „Bump“ einschließlich einer isentropischen Kompressionsfläche mit einer nach vorn gepfeilten, hinten schließenden Windhaube vereinigt. Der Vorsprung ist eine Oberfläche, die aus dem Körper bzw. Rumpf des Flugzeugs nach außen erhaben ist. Die Windhaube bzw. der Mantel schafft die Verbindung zum Rumpf des Flugzeugs und bildet die äußeren Flächen des Einlasses. Die Windhaube schließt gegen den Rumpf des Flugzeugs an den hintersten Stellen der Einlassöffnung. Der Vorsprung und die Windhaube arbeiten zusammen, um Grenzschichtluft abzulenken und zu verhindern, dass im Wesentlichen die ganze Grenzschichtluft mit niedrigerer Energie während des Betriebs des Flugzeugs durch den Einlass strömt.
WO 2022/ 095 163 A1 beschreibt ein intern-extern strömungsentkoppeltes Hochgeschwindigkeits-Flugzeug mit zwei Flügeln, das einen Flugzeugkörper umfasst. Ein Bump-Vorderteil ist an der oberen Oberfläche des Flugzeugkörpers vorgesehen, ein Hochleistungs-Waverider ist an dessen unterer Oberfläche vorgesehen, und ein Lufteinlasskanal, eine Verbrennungskammer und eine Düse sind im Inneren des Flugzeugkörpers vorgesehen, wobei der Lufteinlasskanal ein Innen-Waverider-Lufteinlasskanal mit hohem Außenkompressions-Verhältnis ist. In dem entkoppelten Dual-Waverider-Hochgeschwindigkeits-Flugzeug mit internerexterner Strömung sind der Lufteinlasskanal und der Waverider jeweils an der Ober- und Unterseite des Flugzeugkörpers angeordnet, und die pneumatische Entkopplung eines Waverider-Strömungsfeldes und eines Einlassströmungsfeldes des Lufteinlasskanals wird mittels der Entkopplung in einer geometrischen Anordnung erreicht.
CN 1 09 899 178 A beschreibt einen Lufteinlass für Überschallflugzeuge mit eine Vorkompressionsstufe.
CN 1 04 384 288 A beschriebt einen Lufteinlass mit einer zusätzlichen Erhöhung auf einer Strömungsfläche hinter einer Lufteinlassöffnung.
US 2016 / 0 376 018 A1 beschreibt einen Grenzschichtumlenker mit gepfeiltem Gradienten für ein Flugzeug. Das Flugzeug umfasst einen Rumpf und einen Lufteinlass für ein Triebwerk des Flugzeugs, wobei der Lufteinlass eine Verkleidung an einer Vorderkante des Einlasses umfasst. Der Umlenker umfasst einen V-förmigen Rampenabschnitt, der im Rumpf in einem Bereich in der Nähe und vor der Verkleidung ausgebildet ist, wobei sich der Rampenabschnitt von einer Außenfläche des Rumpfes nach unten in Richtung des Inneren des Flugzeugs erstreckt. Die Umlenkeinrichtung umfasst auch einen V-förmigen Rinnenteil, der in den Rumpf eingeformt ist und angrenzend an den Rampenteil zwischen dem Rampenteil und dem Lufteinlass angeordnet und mit diesem verbunden ist. Luft, die über den Rumpf strömt, wird durch den Rampenabschnitt und den Rinnenabschnitt ausgedehnt und komprimiert, so dass Druckgradienten entstehen, die Wirbel erzeugen, um die Grenzschichtluftströmung um den Lufteinlass herum umzulenken.
DE 34 47 141 A1 beschreibt einen Lufteinlass für Überschallflugzeuge mit Turbinen-Luftstrahlantrieb, der als stationärer Zweischock-Diffusor ausgebildet ist, wobei die Ränder der Lufteinlassöffnung durch einen geschlossenen Kurvenzug mit zwei Abschnitten gebildet werden, die konstruktiv in der Ebene des ersten, schrägen Druckstoßes liegen, wobei der eine Abschnitt weiterhin durch eine rechtwinklig zur Strömungsrichtung liegende Gerade und der andere Abschnitt durch einen Kurvenzug gebildet wird, der den ersten Abschnitt an zwei Stellen schneidet und in den Teil der Ebene des Druckstoßes hineinreicht, der in Strömungsrichtung vor dem geraden Abschnitt liegt, und der erste Abschnitt eine abgeschrägte Eintrittskante bildet, der zweite Abschnitt jedoch eine scharfe Kante bildet, an die sich eine innere Wandfläche des Einlasses derart anschließt, dass die Bahnen aller vertikalen Querschnittsebenen des geradlinigen Abschnitts und der inneren Wandfläche mit der Anströmrichtung gleich große Winkel einschließen, die der Größe der mit dem ersten schrägen Druckstoß verbundenen Ablenkung der Strömung aus der Anströmrichtung entsprechen.
Beschreibung der Erfindung
Es kann als Aufgabe betrachtet werden, den Lufteinlass für das Triebwerk einer Luftfahrzeugstruktur zu verbessern, insbesondere indem die Verdrängung der Grenzschicht an dem Lufteinlass verbessert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Eine Luftfahrzeugstruktur ist angegeben. Erfindungsgemäß weist die Luftfahrzeugstruktur einen Rumpf, ein Triebwerk und einen Lufteinlass auf. Der Lufteinlass beinhaltet eine Einlassöffnung zum Aufnehmen von Luft für das Triebwerk und eine die Einlassöffnung umgebende Umhausung. Der Lufteinlass weist weiterhin eine Kompressionsfläche und eine Übergangsschulter auf, welche dazu angeordnet und ausgestaltet sind, eine Grenzschicht einer Luftströmung im Betrieb der Luftfahrzeugstruktur von der Einlassöffnung möglichst verlustarm und effizient abzulenken. Der Lufteinlass weist weiterhin eine Strömungsleitfläche auf, wobei die Strömungsleitfläche als lokale Erhöhung in einem Bereich der Übergangsschulter angeordnet ist und sich in die Einlassöffnung hinein erstreckt. Die Strömungsleitfläche zeichnet sich in einer Querschnittsansicht (z-y-Ebene) der Luftfahrzeugstruktur durch eine Breite und eine Höhe bezogen auf die Übergangsschulter aus. Die Strömungsleitfläche bildet in der Querschnittsansicht (z-y-Ebene) zusammen mit der Übergangsschulter eine erste Konturlinie in Querrichtung (d.h. eine Konturlinie in Umfangsrichtung des Rumpfes). Die erste Konturlinie an der Strömungsleitfläche zeichnet sich durch einen Wechsel des Krümmungsverlaufs aus.
Die Luftfahrzeugstruktur eignet sich insbesondere für die Verwendung an einem Strahlflugzeug. Die Beschreibung hierin gilt allgemein für eine Luftfahrzeugstruktur und ein Strahlflugzeug mit einer solchen Luftfahrzeugstruktur bzw. ein Strahlflugzeug, dessen Struktur gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien ausgestaltet ist.
Auch wenn vorliegend nur der Aufbau eines einzelnen Lufteinlasses auf einer Seite der Luftfahrzeugstruktur beschrieben ist, sollte verstanden werden, dass an der Luftfahrzeugstruktur auch mehrere solcher Lufteinlässe angeordnet sein können, die nach denselben Prinzipien aufgebaut sind, also von denen jeder mindestens eine hier beschriebene Strömungsleitfläche als lokale Erhöhung aufweist.
Der Lufteinlass kann als sog. Baucheinlass oder Seiteneinlass ausgestaltet sein. Der Baucheinlass ist an der Unterseite der Luftfahrzeugstruktur angeordnet. Als Unterseite ist diejenige Oberfläche zu verstehen, welche während einer typischen Ausrichtung der Luftfahrzeugstruktur im Flug oder auch in einer Parkposition nach unten zeigt, wobei in diesem Koordinatensystem die Richtungsangaben oben/unten sich auf den Vektor der Erdanziehungskraft beziehen. Die Richtungsangabe „unten“ weist in Richtung der Erdoberfläche, „oben“ weist davon weg.
Der Lufteinlass kann seitlich oder an einer oberen Fläche des Rumpfes angeordnet sein, oder auch an der Tragfläche oder an einem Übergangsbereich zwischen Tragfläche und Rumpf.
Der Lufteinlass ist ausgestaltet, um Luft aus der Umgebung aufzunehmen und einem Triebwerk, insbesondere einem Strahltriebwerk, zuzuführen und in Kombination mit einem Brennstoff oder Treibstoff Antriebsenergie für das Luftfahrzeug zu erzeugen. Die Luft wird über geeignete und im Prinzip bekannte Mechanismen von dem Lufteinlass zu dem Triebwerk geführt.
Als Lufteinlass wird vorliegend die Gesamtheit der strukturellen und funktionalen Elemente bezeichnet, die einzeln und/oder in ihrem Zusammenwirken dafür sorgen, Luft aus der Umgebung aufzunehmen und der weiteren Verwendung in dem Triebwerk zuzuführen. Insbesondere gehören zu dem Lufteinlass eine Kompressionsfläche und eine Übergangsschulter, welche sich mit Bezug zu der Oberfläche des Rumpfes abheben. Die Funktion der Kompressionsfläche und der Übergangsschulter ist es, ein Grenzschichtfluid einer sich an der Außenfläche der Luftfahrzeugstruktur im Flug bildenden Grenzschicht mit niedriger Energie von einer Öffnung des Lufteinlasses abzulenken. Die Grenzschicht enthält eine Luftströmung niedriger Energie. Für ein Strahltriebwerk ist es vorteilhaft, Luftströmung mit höherer Energie zuzuführen, um die Leistung des Strahltriebwerks zu verbessern. Weil die Kompressionsfläche und die Übergangsschulter die Luft der Grenzschicht (das Grenzschichtfluid) um die Öffnung des Lufteinlasses herum lenken oder von der Öffnung des Lufteinlasses weglenken, kann Luftströmung höherer Energie in die Öffnung eindringen.
Zusätzlich zu der Kompressionsfläche und der Übergangsschulter ist eine Strömungsleitfläche als lokale Erhöhung zumindest auf der Übergangsschulter angeordnet, was zur Verbesserung der Verdrängung des Grenzschichtfluids beiträgt.
Die Kompressionsfläche und die Übergangsschulter werden durch Verformungen der Oberfläche des Rumpfes gebildet. Diese Verformungen beeinflussen die Strömung der Grenzschicht. Die Kompressionsfläche und die Übergangsschulter können durch Verformung der Oberfläche entstehen, ohne ein zusätzliches Element an oder auf der Oberfläche des Rumpfes anzuordnen. Prinzipiell können die Kompressionsfläche und die Übergangsschulter aber auch unabhängig von der Luftfahrzeugstruktur individuell geformt und als zusätzliches Element an Rumpf und/oder Tragfläche angebracht und geeignet befestigt werden.
Im Zusammenhang mit Überschallflugzeugen können die Kompressionsfläche und die Übergangsschulter auch die Funktion haben, zu dem Verlangsamen der Luftströmung für das Triebwerk auf Unterschallgeschwindigkeit beizutragen.
Die Strömungsleitfläche stellt eine zusätzliche lokale Erhöhung auf der Oberfläche der Übergangsschulter dar. Diese lokale Erhöhung verursacht eine Veränderung des Druckgradienten des strömenden Fluids an der Oberfläche der Übergangsschulter, weil die Strömungsleitfläche eine zusätzliche verdrängende Wirkung auf das strömende Fluid hat.
Die zusätzliche Strömungsleitfläche hat den Vorteil, dass die Grenzschichtverdrängung verbessert wird. Somit kann die Einlassöffnung des Lufteinlasses kleiner dimensioniert werden im Vergleich zu einem Lufteinlass ohne diese zusätzliche Strömungsleitfläche.
Im Wesentlichen bildet der Rumpf eines Luftfahrzeugs in Querrichtung einen Krümmungsverlauf, bei dem die äußere Oberfläche eine äußere Konturlinie formt. In der besagten Querrichtung bzw. in einer Querschnittsansicht ist die Konturlinie im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch. Die Querschnittsansicht ist durch eine Schnittebene in der sog. z-y-Ebene definiert und kann auch als Lateralschnitt bezeichnet werden.
Durch die zusätzliche Strömungsleitfläche auf der Übergangsschulter verändert sich der Krümmungsverlauf. So findet bei dem Übergang von Übergangsschulter zu der Strömungsleitfläche ein Wechsel des Krümmungsverlaufs statt. Wenn beispielsweise der Krümmungsverlauf der Konturlinie an der Übergangsschulter nach links erfolgt, gibt es beim Übergang zu der Strömungsleitfläche einen Wechsel in einen rechtsgekrümmten Abschnitt, um die Höhe der Strömungsleitfläche zu bilden. Dann folgt erneut ein linksgekrümmter Abschnitt, um die Strömungsleitfläche an die Oberfläche der Übergangsschulter anzunähern. Geht die Strömungsleitfläche dann wieder in die Oberfläche der Übergangsschulter ein, so erfolgt dies erneut über einen rechtsgekrümmten Abschnitt, bevor die äußere Konturlinie dann von der Übergangsschulter gebildet wird.
In der Querschnittsansicht ist die Strömungsleitfläche beispielsweise in der Nähe oder an dem Scheitelpunkt der Übergangsschulter angeordnet. Die von der Strömungsleitfläche gebildete Erhöhung ist in Querrichtung begrenzt, d.h. dass die Strömungsleitfläche eine vorgegebene Breite hat.
Insbesondere ist die Erhöhung so ausgestaltet, dass ihre Höhe mindestens der erwarteten Grenzschichtdicke im Flugbetrieb entspricht.
Die Strömungsleitfläche kann beispielsweise in der Symmetrieebene des Lufteinlasses angeordnet sein. Dies ist insbesondere für Lufteinlässe an einer Unterseite des Luftfahrzeugrumpfes vorteilhaft. Bei an der Seite des Luftfahrzeugrumpfes angeordneten Lufteinlässen kann die Strömungsleitfläche auch außerhalb der Symmetrieebene des Lufteinlasses angeordnet sein.
Erfindungsgemäß ändert die erste Konturlinie entlang der Übergangsschulter und über die Strömungsleitfläche ihre Krümmungsrichtung mindestens einmal.
Die Krümmungsrichtung ändert sich insbesondere entlang der ersten Konturlinie an einem Übergang von der Übergangsschulter zu der Strömungsleitfläche und an einem Übergang von der Strömungsleitfläche zurück zu der Übergangsschulter.
Erfindungsgemäß ist die erste Konturlinie an der Strömungsleitfläche stärker gekrümmt als an der Übergangsschulter.
Dies bedeutet, dass die lokale Erhöhung sich entlang der ersten Konturlinie durch einen höheren Krümmungswert auszeichnet als die Übergangsschulter links und rechts neben der Strömungsleitfläche. Als Krümmungswert wird vorliegend die Abweichung der Konturlinie von einer Geraden verstanden. Je stärker diese Abweichung ist, desto größer ist der Krümmungswert. Im Ergebnis bildet also die Strömungsleitfläche eine lokale Erhöhung auf der Übergangsschulter, welche in Querrichtung bzw. in einer Querschnittsansicht des Rumpfes stärker gekrümmt ist als dieselbe Konturlinie entlang der Übergangsschulter. Eine Konturlinie in Querrichtung des Rumpfes erstreckt sich in der sog. z-y-Ebene eines Flugzeugs. Wenn vorliegend von derselben Konturlinie gesprochen wird, bezieht sich das auf eine Konturlinie, die in einer z-y-Ebene entlang der Oberfläche des Rumpfes inkl. des Lufteinlasses und der die Einlassöffnung begrenzenden Flächen verläuft.
Erfindungsgemäß erstreckt sich die Strömungsleitfläche in einer Längsschnittansicht der Luftfahrzeugstruktur in die Einlassöffnung hinein.
Die Strömungsleitfläche erstreckt sich damit im Wesentlichen entlang der Längsrichtung des Rumpfes der Luftfahrzeugstruktur. Die Strömungsleitfläche bildet eine auf der Oberfläche der Übergangsschulter angeordnete längliche (in Längsrichtung des Rumpfes erstreckende) lokale Erhöhung.
Die Längsschnittansicht ist durch eine Schnittebene in der sog. z-x-Ebene definiert und kann auch als Vertikalschnitt bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß ragt ein vorderes Ende der Strömungsleitfläche in der Längsschnittansicht der Luftfahrzeugstruktur über eine Vorderkante der Umhausung aus der Einlassöffnung heraus.
Das bedeutet, dass das vordere Ende der Strömungsleitfläche in Flugrichtung weiter vorne angeordnet ist als die Vorderkante der Umhausung des Lufteinlasses. In einer anderen Ausführungsform ist das vordere Ende der Strömungsleitfläche in der Längsschnittansicht der Luftfahrzeugstruktur in etwa auf Höhe der Vorderkante der Umhausung oder kurz dahinter.
Die Umhausung weist insbesondere eine nach vorne gepfeilte Vorderkante auf, ohne jedoch auf dieses Design beschränkt zu sein. Diese Vorderkante kann auch nach hinten gepfeilt oder gar nicht gepfeilt sein. Das vordere Ende der Strömungsleitfläche ist insbesondere weiter vorne angeordnet als der vorderste Punkt der Vorderkante der Umhausung.
Erfindungsgemäß bildet die Strömungsleitfläche in der Längsschnittansicht zusammen mit der Kompressionsfläche und der Übergangsschulter eine zweite Konturlinie in Längsrichtung, wobei sich die zweite Konturlinie an dem vorderen Ende der Strömungsleitfläche und entlang der Längsachse der Luftfahrzeugstruktur durch einen zunehmenden Betrag der Neigung auszeichnet.
In Längsrichtung beginnt die lokale Erhöhung der Strömungsleitfläche an deren vorderen Kante und erwächst aus der Kompressionsfläche oder der Übergangsschulter. Innerhalb der Breite der Strömungsleitfläche erfährt die Oberfläche des Rumpfes eine lokale Erhöhung und eine ansteigende Neigung, die höher ausfällt als links und rechts neben (in der Lateralschnittansicht) der Strömungsleitfläche.
Erfindungsgemäß hat die zweite Konturlinie eine vergrößerte Oberflächenneigung am Übergang von der Kompressionsfläche zu der Übergangsschulter, verglichen zu einer Konturlinie in Längsrichtung, die sich außerhalb der Breite der Strömungsleitfläche befindet.
Die Vorderkante der Strömungsleitfläche bzw. der Bereich, in welchem die Strömungsleitfläche aus der Kompressionsfläche oder der Übergangsschulter erwächst und die Erhöhung bildet, trägt zu einer aufstauenden Wirkung der Strömung bei, wodurch sich der Verdrängungseffekt des Grenzschichtfluids verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform weitet sich die Strömungsleitfläche in einer Unteransicht der Luftfahrzeugstruktur in Strömungsrichtung auf.
Die Unteransicht wird in der sog. x-y-Ebene definiert. In dieser Ebene kann auch eine Schnittansicht betrachtet werden, welche als Horizontalschnitt bezeichnet werden kann. In diesem Horizontalschnitt weitet die Strömungsleitfläche in Strömungsrichtung auf, je weiter sich die Strömungsrichtung nach hinten erstreckt. In anderen Worten nimmt die Breite, auf welche in der Querschnittansicht Bezug genommen wurde, in Richtung des hinteren Endes und entlang der Längsachse der Luftfahrzeugstruktur zu.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat die Strömungsleitfläche eine Längsachse, wobei die Längsachse der Strömungsleitfläche parallel zu einer Strömungsrichtung der Luft in der Einlassöffnung verläuft.
Die lokalen Strömungsbedingungen im Lufteinlass sind unter anderem von der Positionierung des Lufteinlasses an dem Luftfahrzeug abhängig (z.B. Baucheinlauf, Seiteneinlauf). Die Ausrichtung der Strömungsleitfläche (Orientierung der Längsachse der Strömungsleitfläche gegenüber der lokalen Strömungsrichtung) ist insbesondere so gestaltet, dass sich unter allen Flugbedingungen eine möglichst strömungsparallele Ausrichtung der Strömungsleitfläche zu der Strömungsrichtung ergibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Lufteinlass einen Strömungsteiler auf, wobei der Strömungsteiler in der Einlassöffnung angeordnet ist und die Einlassöffnung in zumindest zwei Bereiche unterteilt, wobei die Strömungsleitfläche an einem vorwärtigen Ende des Strömungsteilers angeordnet ist.
In dieser Variante ist die Strömungsleitfläche an dem Strömungsteiler angeordnet. Allerdings kann die Strömungsleitfläche auch ohne Strömungsteiler verwendet werden.
Der Strömungsteiler unterteilt die Einlassöffnung in einen linken Bereich und einen rechten Bereich, so dass die eine Einlassöffnung in zwei Bereiche unterteilt ist. In der Einlassöffnung erstreckt sich der Strömungsteiler als flächiges Element entlang der Längsrichtung des Rumpfes der Luftfahrzeugstruktur. Der Strömungsteiler kann vorwärts gepfeilt, rückwärts gepfeilt, oder gar nicht gepfeilt sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Details werden mit Bezug zu den Figuren beschrieben. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Luftfahrzeugstruktur in der Draufsicht.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Luftfahrzeugstruktur mit einem Lufteinlass an der Unterseite.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Luftfahrzeugstruktur mit einem Lufteinlass, der eine Strömungsleitfläche enthält.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Lateralschnitts einer Luftfahrzeugstruktur mit einer Übergangsschulter und einer darauf angeordneten Strömungsleitfläche.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Luftfahrzeugstruktur mit einer Kompressionsfläche und einer Übergangsschulter sowie einer auf der Übergangsschulter angeordneten Strömungsleitfläche.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Unteransicht auf eine Luftfahrzeugstruktur mit einer Kompressionsfläche und einer Strömungsleitfläche.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Luftfahrzeugstruktur mit einer Kompressionsfläche und einer Übergangsschulter sowie einer auf der Übergangsschulter angeordneten Strömungsleitfläche.
8 zeigt eine schematische Darstellung zweier verschiedener Konfigurationen einer Unteransicht auf eine Luftfahrzeugstruktur mit einer Kompressionsfläche und einer Strömungsleitfläche.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine Luftfahrzeugstruktur 10 mit einem Rumpf 20 und zwei Tragflächen 30, die seitlich an gegenüberliegenden Seiten des Rumpfes 20 angeordnet sind. Die Längsachse 40 der Luftfahrzeugstruktur 10 erstreckt sich in der Darstellung der 1 von oben (Spitze der Luftfahrzeugstruktur, vorne im Sinne der Flugrichtung) nach unten (Heck der Luftfahrzeugstruktur, hinten im Sinne der Flugrichtung). Quer zu der Längsachse 40 und von Tragfläche zu Tragfläche erstreckt sich die Querachse 50 der Luftfahrzeugstruktur.
Die Luftfahrzeugstruktur 10 weist ein oder mehrere Triebwerke 70 auf. Die Triebwerke können an verschiedenen Positionen an der Luftfahrzeugstruktur angeordnet sein. Die Darstellung der 1 ist lediglich exemplarisch zu sehen. Die Triebwerke 70 werden mit Luft aus der Umgebung der Luftfahrzeugstruktur versorgt. Die Luft wird zusammen mit einem Brennstoff verwendet, um Antriebsenergie bereitzustellen.
Die Luftfahrzeugstruktur 10 der 1 kann Teil eines Luftfahrzeugs sein, insbesondere eines Flugzeugs mit Strahltriebwerk, weiter insbesondere eines Überschallflugzeugs.
Die Darstellung der Luftfahrzeugstruktur 10 in 1 ist insoweit exemplarisch, als dass der hier beschriebene Lufteinlass mit seinen Komponenten in verschieden konfigurierten Luftfahrzeugstrukturen Verwendung finden kann. Der hierin beschriebene Lufteinlass mit seinen Komponenten kann auch in Luftfahrzeugstrukturen verwendet werden, die von der in 1 gezeigten Struktur abweichen.
2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines beispielhaften Lufteinlasses 100 an der Unterseite eines Rumpfes 20. In dieser Darstellung sind die Koordinaten x, y, z, welche den drei Raumachsen entsprechen, gezeigt. Diese Koordinaten definieren die Längsachse (x, in 1 mit dem Bezugszeichen 40 gezeigt), die Querachse (y), und die Hochachse (z).
Die Unterseite des Rumpfes 20 wird von der Oberfläche 21 gebildet. Im Flug strömt Luft entlang der Oberfläche 21. An der Oberfläche 21 bildet sich ein Grenzschichtfluid. Dieses Grenzschichtfluid gilt es, von dem Lufteinlass bzw. dessen Einlassöffnung 107 (siehe 3) weg zu lenken. Zu diesem Zweck ist eine Kompressionsfläche 102 und eine Übergangsschulter 104 vorgesehen, welche auf der Oberfläche 21 relative Erhöhungen bilden, die entlang der Längsachse x vor der Einlassöffnung angeordnet sind.
In dem Beispiel der 2 weist der Lufteinlass 100 eine Umhausung 106 auf, welche die Einlassöffnung umgibt. In der Einlassöffnung ist ein Strömungsteiler 108 angeordnet.
2 zeigt zum Verständnis einen Lufteinlass einer Luftfahrzeugstruktur. Es ist jedoch zu verstehen, dass die hierin beschriebene Strömungsleitfläche nicht nur mit einem Lufteinlass wie in 2 beschrieben verwendet werden kann. Vielmehr kann die Strömungsleitfläche auch in einem Lufteinlass ohne Strömungsteiler verwendet werden.
3 zeigt einen um die Strömungsleitfläche 110 ergänzten Lufteinlass 100 aus 2. In diesem Beispiel ist die Strömungsleitfläche 110 an einem vorwärtigen Ende 109 des Strömungsteilers 108 angeordnet und bildet an dieser Stelle eine lokale Erhöhung auf der Übergangsschulter 104.
Der Strömungsteiler 108 teilt den Lufteinlass so auf, dass zwei Lufteinlassöffnungen 107 gebildet und von dem Strömungsteiler 108 innerhalb der Umhausung 106 voneinander abgegrenzt werden.
Die Vorderkante 132 der Umhausung 106 ist in diesem Beispiel vorwärts gepfeilt. Ebenso ist der Strömungsteiler 108 bzw. sein vorwärtiges Ende 109 in diesem Beispiel vorwärts gepfeilt.
Die als lokale Erhöhung auf der Übergangsschulter 104 ausgebildete Strömungsleitfläche 110 wird nun mit Bezug zu den 4 bis 8 detaillierter beschrieben.
4 zeigt eine Querschnittsansicht bzw. einen Lateralschnitt in der z-y-Ebene der Luftfahrzeugstruktur 10. Je nachdem, wo entlang der Längsachse x der Querschnitt gebildet wird, befindet sich die Strömungsleitfläche 110 in der Schnittfläche oder nicht. In 4 ist jedenfalls die Schnittfläche so positioniert, dass der Schnitt durch die Strömungsleitfläche 110 verläuft. Die Strömungsleitfläche 110 hat eine Breite 112 (Erstreckung in y-Richtung) und eine Höhe 114 (Erstreckung in z-Richtung ausgehend von der Oberfläche der Übergangsschulter).
Die äußere Linie der Übergangsschulter 104 und der Strömungsleitfläche 110 bildet die erste Konturlinie 131. Diese erste Konturlinie verläuft in Umfangsrichtung der Luftfahrzeugstruktur. Diese erste Konturlinie 131 hat einen wechselnden Krüm m ungsverlauf.
Beginnend auf der linken Seite der 4 und dann entgegen dem Uhrzeigersinn bewegend folgt die erste Konturlinie einer Linkskrümmung. An dem Punkt, an dem die Strömungsleitfläche 110 aus der Kompressionsfläche 102 oder der Übergangsschulter 104 erwächst, bildet sich die von der Strömungsleitfläche geformte Erhöhung und die erste Konturlinie geht in eine Rechtskrümmung über. Sodann wechselt erneut die Krümmungsrichtung zu einer Linkskrümmung, die auch den höchsten Punkt der Strömungsleitfläche 110 bildet. Nun geht die erste Konturlinie wieder in eine Rechtskrümmung über und nähert sich der Übergangsschulter 104, wobei die Übergangsschulter 104 dann weiter einer Linkskrümmung folgt. Ohne die Strömungsleitfläche bildet die Übergangsschulter 104 in der Querschnittdarstellung eine Linkskrümmung, ohne die Krümmungsrichtung zu ändert. Durch die Änderung der Krümmungsrichtung wie hierin beschrieben, wird eine lokale Erhöhung auf der Übergangsschulter 104 gebildet.
Am Übergang von der Kompressionsfläche 102 zu der Übergangsschulter 104 liegt, in der y-z-Ebene lieg links und rechts neben der Strömungsleitfläche und außerhalb der Breite 112 der Strömungsleitfläche 110, in x-Richtung eine Abnahme des Betrags der Neigung der zweiten Konturlinie vor, wohingegen sich an dem vorderen Ende der Strömungsleitfläche die Neigung der zweiten Konturlinie zunächst erhöht, um die Erhöhung der Strömungsleitfläche 110 zu bilden.
Dieser Aufbau kann dazu beitragen, in Umfangsrichtung des Luftfahrzeugrumpfes einen verbesserten Druckgradienten zu erreichen. Durch die lokale Erhöhung der Strömungsleitfläche 110 wird ein Druckgefälle, welches für einen Verdrängungseffekt der Strömung sorgt, verstärkt.
Wie der 4 entnommen werden kann, kann sich die Strömungsleitfläche 110 in der Querschnittsansicht in der Nähe des Scheitelpunktes der Übergangsschulter 104 befinden. Die Strömungsleitfläche 110 kann aber auch seitlich versetzt von dem Scheitelpunkt angeordnet sein.
Die Oberfläche der Strömungsleitfläche 110 ist in Umfangsrichtung stärker gekrümmt als die Oberfläche der Übergangsschulter 104. Dies verhindert, dass die Grenzschicht in der Nähe des Scheitelpunkts aufdickt und verhindert, dass sich die Grenzschicht auf der Strömungsleitfläche 110 ansammelt.
5 zeigt eine Längsschnittansicht bzw. einen Vertikalschnitt der Luftfahrzeugstruktur in der z-x-Ebene. Die Oberfläche der Kompressionsfläche 102, der Übergangsschulter 104 und des Strömungsleitfläche 110 bilden entlang der Längsachse x die zweite Konturlinie 134.
In Richtung der Längsachse x verläuft die zweite Konturlinie 134 entlang der Kompressionsfläche 102, zu der Übergangsschulter 104 und über die Strömungsleitfläche 110. Je nachdem, wo das vordere Ende 133 der Strömungsleitfläche 110 mit Bezug zu der Kompressionsfläche 102 und der Übergangsschulter 104 angeordnet ist, kann es sein, dass die zweite Konturlinie 134 von der Kompressionsfläche 102 direkt auf die Strömungsleitfläche 110 übergeht. D.h. dass die Strömungsleitfläche 110 ihr vorderes Ende 133 an dem Übergang von Kompressionsfläche 102 und Übergangsschulter 104 haben kann, oder auch vor oder hinter diesem Übergang.
Durch diesen Aufbau wird ein verbesserter Druckgradient in Längsrichtung bzw. Strömungsrichtung, also stromwärtig, erreicht. Eine Grenzschichtverdrängung findet über eine größere Lauflänge statt.
Die stromwärtige Erstreckung (Erstreckung entlang der x-Achse, gekennzeichnet mit I₁) der Strömungsleitfläche 110 entspricht in diesem Beispiel in etwa der stromwärtigen Erstreckung (Erstreckung entlang der x-Achse, ebenfalls gekennzeichnet mit I₁) der vorwärts gepfeilten Vorderkante 132 der Umhausung 106 (die Vorderkante 132 ist gestrichelt gezeichnet).
6 zeigt eine Unteransicht auf einen Lufteinlass 100, um die Struktur der Strömungsleitfläche 110 aus dieser Perspektive zu veranschaulichen. Die Strömungsleitfläche 110 ist entlang der x-Achse weiter hinten angeordnet als die Kompressionsfläche 102, wobei das vordere Ende der Strömungsleitfläche 110 nahezu auf derselben Höhe angeordnet ist, wie die Vorderkante der Umhausung 106, welche gestrichelt gezeigt ist.
In dieser Perspektive ist zu erkennen, dass die Breite der Strömungsleitfläche 110 in x-Richtung zunimmt, nach hinten weitet sich die Strömungsleitfläche 110 auf. Beispielsweise ist die Strömungsleitfläche in der Unteransicht keilförmig.
7 zeigt eine detaillierte Darstellung eines Längsschnitts in der z-x-Ebene, ähnlich wie 5. In 7 ist die zweite Konturlinie gezeigt, die von der Kompressionsfläche 102 und ab dem Übergang 103 von der Strömungsleitfläche 110 gebildet wird. Diese Schnittansicht der 7 verläuft durch die Strömungsleitfläche 110. Eine Schnittansicht, die in y-Richtung so platziert ist, dass sie nicht durch die Strömungsleitfläche 110 verläuft, hat eine hiervon abweichende zweite Konturlinie, die nur von der Kompressionsfläche 102 und der Übergangsschulter 104 (ohne Strömungsleitfläche 110) gebildet wird. Diese abweichende zweite Konturlinie kann der 7 ebenfalls entnommen werden, weil auch die Übergangsschulter 104 eingezeichnet ist.
Die Strömungsleitfläche 110 bildet eine lokale Erhöhung, die sich von der Übergangsschulter 104 abhebt. An der vorderen Kante der Strömungsleitfläche 110, also an dem Übergang 103, vergrößert sich die Oberflächenneigung, wie von den beiden gestrichelten Linien gezeigt. Dies hat auf das Grenzschichtfluid eine aufstauende Wirkung und verbessert den Verdrängungseffekt auf das Grenzschichtfluid.
8 zeigt in einer Unteransicht (y-x-Ebene der Luftfahrzeugstruktur) und einer Seitenansicht (y-z-Ebene der Luftfahrzeugstruktur) zwei unterschiedliche Ausrichtungen der Längsachse 116 der Strömungsleitfläche 110 bezogen auf die Längsachse x der Luftfahrzeugstruktur. Zur Orientierung ist hier noch jeweils die Kompressionsfläche 102 gezeigt.
In der oberen Darstellung der 8 verläuft die Längsachse 116 der Strömungsleitfläche 110 parallel zu der Längsachse x der Luftfahrzeugstruktur. Die Ausrichtung der Strömungsleitfläche 110 (also die Orientierung der Längsachse der Strömungsleitfläche 110 gegenüber der lokalen Strömungsrichtung) ist insbesondere so gestaltet, dass sich unter allen Flugbedingungen eine möglichst strömungsparallele Ausrichtung der Strömungsleitfläche 110 zu der Strömungsrichtung ergibt. Diese Strömungsrichtung 120 wird maßgeblich von der Position und Ausrichtung des Lufteinlasses an dem Rumpf der Luftfahrzeugstruktur beeinflusst.
In der unteren Darstellung verläuft die Längsachse 116 der Strömungsleitfläche 110 schräg zu der Längsachse x der Luftfahrzeugstruktur, weil der Lufteinlass so an dem Rumpf angeordnet ist, dass die Strömungsrichtung 120 an dem Lufteinlass nicht parallel zu der Längsachse x des Rumpfes ist, sondern hiervon abweicht.
Es ist allerdings vorteilhaft, wenn die Längsachse 116 der Strömungsleitfläche 110 parallel zu der Strömungsrichtung 120 des Luftstroms verläuft.
Liste der Bezugszeichen

10: Luftfahrzeugstruktur
20: Rumpf
21: Oberfläche
30: Tragfläche
40: Längsachse
50: Querachse
70: Triebwerk
100: Lufteinlass
102: Kompressionsfläche
103: Übergang
104: Übergangsschulter
106: Umhausung
107: Einlassöffnung
108: Strömungsteiler
109: vorwärtiges Ende
110: Strömungsleitfläche
112: Breite
114: Höhe
116: Längsachse
120: Strömungsrichtung
131: erste Konturlinie, Konturlinie in Querrichtung
132: Vorderkante der Umhausung
133: vorderes Ende der Strömungsleitfläche
134: zweite Konturlinie, Konturlinie in Längsrichtung
x: Längsrichtung
y: Querrichtung
z: Vertikalrichtung

Claims

Luftfahrzeugstruktur (10), aufweisend: einen Rumpf (20); ein Triebwerk (70); einen Lufteinlass (100) mit einer Einlassöffnung (107) zum Aufnehmen von Luft für das Triebwerk (70) und einer die Einlassöffnung (107) umgebenden Umhausung (106); wobei der Lufteinlass (100) eine Kompressionsfläche (102) und eine Übergangsschulter (104) aufweist, welche dazu angeordnet und ausgestaltet sind, eine Grenzschicht einer Luftströmung im Betrieb der Luftfahrzeugstruktur (10) von der Einlassöffnung (107) abzulenken; wobei der Lufteinlass (100) weiterhin eine Strömungsleitfläche (110) aufweist; wobei die Strömungsleitfläche (110) als lokale Erhöhung in einem Bereich der Übergangsschulter (104) angeordnet ist und sich in die Einlassöffnung (107) hinein erstreckt; wobei sich die Strömungsleitfläche (110) in einer Querschnittsansicht (z-y) der Luftfahrzeugstruktur (10) durch eine Breite (112) und eine Höhe (114) bezogen auf die Übergangsschulter (104) auszeichnet; wobei die Strömungsleitfläche (110) in der Querschnittsansicht (z-y) zusammen mit der Übergangsschulter (104) eine erste Konturlinie (131) in Querrichtung (y) bildet; wobei sich die erste Konturlinie (131) an der Strömungsleitfläche (110) durch einen Wechsel des Krümmungsverlaufs auszeichnet; wobei die erste Konturlinie (131) entlang der Übergangsschulter (104) und über die Strömungsleitfläche (110) ihre Krümmungsrichtung mindestens einmal ändert; wobei die erste Konturlinie (131) an der Strömungsleitfläche (110) stärker gekrümmt ist als an der Übergangsschulter (104); wobei sich die Strömungsleitfläche (110) in einer Längsschnittansicht (z-x) der Luftfahrzeugstruktur (10) in die Einlassöffnung (107) hinein erstreckt; wobei ein vorderes Ende (133) der Strömungsleitfläche (110) in der Längsschnittansicht (z-x) der Luftfahrzeugstruktur (10) über eine Vorderkante (132) der Umhausung (106) aus der Einlassöffnung (107) herausragt; wobei die Strömungsleitfläche (110) in der Längsschnittansicht (z-x) zusammen mit der Kompressionsfläche (102) und der Übergangsschulter (104) eine zweite Konturlinie (134) in Längsrichtung (x) bildet; wobei sich die zweite Konturlinie (134) an dem vorderen Ende (133) der Strömungsleitfläche (110) und entlang der Längsachse der Luftfahrzeugstruktur (10) durch einen zunehmenden Betrag der Neigung auszeichnet; wobei die zweite Konturlinie (134) eine vergrößerte Oberflächenneigung am Übergang von der Kompressionsfläche (102) zu der Übergangsschulter (104) hat, verglichen zu einer Konturlinie in Längsrichtung, die sich außerhalb der Breite der Strömungsleitfläche (110) befindet.
Luftfahrzeugstruktur (10) nach Anspruch 1, wobei die Strömungsleitfläche (110) sich in einer Unteransicht (y-x) der Luftfahrzeugstruktur (10) in Strömungsrichtung (120) aufweitet.
Luftfahrzeugstruktur (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Strömungsleitfläche (110) eine Längsachse (116) hat; wobei die Längsachse (116) der Strömungsleitfläche (110) parallel zu einer Strömungsrichtung (120) der Luft in der Einlassöffnung (107) verläuft.
Luftfahrzeugstruktur (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Lufteinlass (100) einen Strömungsteiler (108) aufweist; wobei der Strömungsteiler (108) in der Einlassöffnung (107) angeordnet ist und die Einlassöffnung (107) in zumindest zwei Bereiche unterteilt; wobei die Strömungsleitfläche (110) an einem vorwärtigen Ende (109) des Strömungsteilers (108) angeordnet ist.