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Die
Erfindung betrifft ein steuerbares Flugzeug mit einem Rumpf, mindestens
einem Tragflügel am
Rumpf zum Erzeugen des Auftriebs sowie mit mindestens einer Schubeinrichtung
zur Erzeugung eines Schubstrahls, wobei die mindestens eine Schubeinrichtung
nicht an dem mindestens einen Tragflügel angeordnet ist.
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Auf
der Suche nach leistungsfähigen
Flugzeugen haben sich zwei Typen im allgemeinen Gebrauch bewährt. Zum
einen sind dies die leitwerkgesteuerten Flugzeuge (auch Leitwerkler
genannt) und zum anderen die gepfeilten Nurflügler (auch Schwanzlose genannt).
Um einen geringen aerodynamischen Widerstand und damit eine hohe
Leistungsfähigkeit
von Flugzeugen zu realisieren, wird versucht, den durch den Auftrieb
hervor gerufenen, sog. induzierten Widerstand gering zu halten.
Dies wird durch eine nahezu elliptische Auftriebsverteilung am Flügel erreicht,
die bei Leitwerklern relativ einfach erzielt werden kann. Hierzu
wird der Flügel
von einem Leitwerk mit einem Höhen-
und Seitenruder in Position gehalten, welches es dem Flügel erlaubt, entkoppelt
von Stabilisierungsmaßnahmen
optimalen Auftrieb zu erzeugen.
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Die
schwanzlosen Flugzeuge haben gegenüber den Leitwerklern den Vorteil,
daß sie
aufgrund des fehlenden Leitwerks geringere Luftwiderstände aufweisen.
Jedoch ist eine optimale Auftriebsverteilung aus Konstruktionsgründen kaum
zu erreichen, da bei sämtlichen
Steuervorgängen
der Flügel
als Steuerorgan fungieren muß.
Das notwendige Verändern
des Flügelprofils
führt hierbei
zu unvermeidlichen, nicht erwünschten
Widerständen.
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Nachteilig
bei den genannten Flugzeugtypen ist, daß jede ihre eigenen aufgezeigten
Schwächen besitzt.
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Demgegenüber ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flugzeug der eingangs
genannten Art vorzuschlagen, welches eine präzise Steuerung mit gleichzeitig
geringen Luftwiderständen
vereint.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Flugzeug der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß kein
Höhenruder
und/oder Seitenruder vorgesehen ist und daß der Schubstrahl relativ zum
Rumpf lageveränderlich
zur Steuerung des Flugzeugs einstellbar ist.
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Die
Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß eine Schubstrahl- bzw. Schubvektorsteuerung
mit Abstand vom mindestens einen Flügel realisiert wird. Der Schubstrahl
kann auf diese Weise zur Steuerung des Flugzeugs verwendet werden
und so das Höhenruder
in seiner Steuerfunktion ersetzen. Der Antriebsstrahl, der von mindestens
einem Propeller oder mindestens einer Düse erzeugt werden kann, dient
also nicht nur zur Schuberzeugung, sondern auch zur Ausübung eines
Steuermoments auf das Flugzeug, ohne daß hierfür ein Höhen- und/oder Seitenruder und/oder
eine der Steueraufgabe jeweils angepaßte Profiländerung des Flügels notwendig
wären.
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Zwar
sind Schubvektorsteuerungen beispielsweise von Kampfflugzeugen her
schon bekannt, um eine größere Wendigkeit
zu realisieren. Allerdings weisen diese Kampfjets alle ein Höhen- und ein
Seitenruder zur Steuerung und Dämpfung
auf. Demgegenüber
kann bei der vorliegenden Erfindung auf das Höhen- und/uder das Seitenruder
verzichtet werden. Wenn zudem kein Höhen- und/oder Seitenleitwerk
(an dem überlicherweise
das Höhenruder bzw.
das Seitenruder angeordnet sind) vorgesehen ist, kann wegen der
dann geringeren Luftwiderstände der
Treibstoffverbrauch erheblich reduziert werden.
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Somit
können
beispielsweise bei Passagierflugzeugen längere Flugstrecken geflogen
werden.
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Falls
auf das Höhen-
und/oder Seitenleitwerk gänzlich
verzichtet wird, trägt
die erfindungsgemäße Schubvektorsteuerung
kaum zu einer Dämpfung bzw.
Stabilisierung des Flugzeugs bei, die ansonsten von den Leitwerkflächen hervorgerufen
wird. Eine Stabilisierung ist dann bevorzugt durch entsprechende
Profilierung des Flügels
(einschl. Schränkung) und/oder
durch aktives Gegensteuern mittels der Schubvektorsteuerung zu realisieren.
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Nach
dem oben Gesagten kann ein Flugzeug mit der erfindungsgemäßen Schubvektorsteuerung
prinzipiell mittels zweier Stabilisierungstechniken stabilisiert
werden, wenn kein Leitwerk vorgesehen ist. Zum einen kann mittels
entsprechender Formung und/oder Schränkung ein das Flugzeug stabilisierender
Flügel
verwendet werden, wobei die Steuerung durch den mindestens einen
Schubvektor vorgenommen wird. Bei einer diesbezüglichen Variante kann alternativ
oder zusätzlich
eine Stabilisierung auch durch ein fest stehendes Höhenleitwerk
(ohne Höhenruder)
realisiert werden.
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Zum
anderen kann der Flügel
instabil ausgelegt sein, wobei dann mittels des oder der Schubvektoren
ständig
Stabilisierungskorrekturen vorgenommen werden müssen (ähnlich wie beim Lenken eines Fahrrads).
Auch sind Konstruktionen möglich,
die einen Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen einschlagen.
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Je
weiter sich der Schubstrahl vor oder hinter dem Flügel befindet,
desto mehr wird die Steuerung von der Auftriebsleistung des Flügels entkoppelt
und desto besser kann der Flügel
die erwünschte
Auftriebsverteilung erreichen.
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Die
mindestens eine zur Steuerung verwendbare Schubeinrichtung ist vorteilhafterweise
im Bereich des Rumpfendes angeordnet, beispielsweise di rekt am Rumpfende.
Eine weitere, diesbezügliche
Möglichkeit
ist, beispielsweise je einen Motor zu beiden Seiten des Rumpfendes
anzuordnen. Bei einer Alternative ist die mindestens eine Schubeinrichtung
im Bereich der Rumpfnase vorgesehen. Alternative Anordnungen – mit ebenfalls
einer räumlichen Trennung
von der mindestens einen Schubeinrichtung von dem mindestens einen
Tragflügel – sind möglich.
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Die
besagte mindestens eine Schubeinrichtung ist bevorzugt um eine horizontale
Achse verschwenkbar (bezogen auf den Geradeausflug des Flugzeugs).
Bei einer derartigen Ausgestaltung übernimmt die mindestens eine
Schubeinrichtung die Steuerfunktion des Höhenruders, das gemäß einer bevorzugten
Variante der Erfindung nicht notwendig ist.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Schubeinrichtung auch um eine Vertikalachse verschwenkbar ausgebildet
sein, um zumindest teilweise die Funktion des Seitenruders zu übernehmen.
Ist die mindestens eine Schubeinrichtung um zwei zueinander senkrechte
Achsen – bevorzugt
eine horizontale und eine vertikale Achse bezogen auf den Geradeausflug des
Flugzeugs – verschwenkbar,
können
alle Steuerelemente eines Leitwerks ersetzt werden. Es bietet sich
hierbei beispielsweise eine kardanische Aufhängung an.
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Wenn
außer
der den Vortrieb als auch die (zumindest teilweise) Steuerung übernehmenden Schubeinrichtung
keine weitere Schubeinrichtung vorgesehen ist, kann die Steuerung
nur während
des Antriebs gelingen. Sobald das Flugzeug ohne Antrieb fliegt,
wird es bevorzugt wie ein konventioneller Nurflügler gesteuert.
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Zur
Umgehung dieses Problems kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform
mindestens eine weitere Schubeinrichtung vorgesehen sein, die lediglich
zum Antrieb des Flugzeugs dient.
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Um
sehr enge Kurven zu fliegen (je enger die Kurve, desto größer muß der Auftrieb
sein), reicht das Steuermoment der erfindungsgemäßen Schubvektorsteuerung ggf.
nicht aus. Um den Flügel
bzw. das Flugzeug dennoch eine sehr enge Kurve fliegen zu lassen,
kann gemäß einer
bevorzugten Variante das Stabilitätsmaß (d.h. der Abstand zwischen Schwerpunkt
und dem dahinter liegenden Neutralpunkt des Flugzeugs) relativ gering
gewählt
werden. Auf diese Weise läßt sich
das Flugzeug leichter in die Kurve steuern.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung ist das Stabilitätsmaß in Abhängigkeit
vom Schubvektor lageveränderbar.
Für den
Kurvenflug kann das Stabilitätsmaß insbesondere
verringert werden, während
zur Gewährleistung
eines ruhigen Geradeausflugs das Stabilitätsmaß erhöht wird. Eine derartige Schwerpunktverschiebung
kann im Falle der Ausbildung des erfindungsgemäßen Flugzeugs als Elektromodellflugzeug
beispielsweise durch Verschieben eines oder mehrerer Ladezellen
(Akkus) entlang des Rumpfes realisiert werden. Prinzipiell kann
auch der Rumpf gegenüber
den Flügeln
verschoben werden. Allgemein existieren verschiedenste Möglichkeiten
zur dynamischen und reversiblen Veränderung des Stabilitätsmaßes während des
Fluges. Angemerkt sei, daß durch
Treibstoffverbrauch eine (nicht reversible) Schwerpunktverschiebung auftreten
kann, die bei der dynamischen Einstellung des Stabilitätsmaßes vorteilhafterweise
berücksichtigt
werden kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1a, 1b, 1c eine
Aufsicht, eine Seitenansicht und eine Rückansicht eines erfindungsgemäßen Flugzeugs;
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2a, 2b eine Seitenansicht und eine Aufsicht
eines verschwenkbaren Propellers am Rumpfende, und
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3 eine Aufsicht auf ein
schematisch dargestelltes Flugzeug mit kurzem Rumpf.
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In
den 1a, 1b und 1c ist
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Flugzeugs 1 wiedergegeben.
Das abgebildete Flugzeug 1 kann beispielsweise im Modellflug
eingesetzt werden. An einem Rumpf 2 ist ein Tragflügel 3 mit
Querrudern 4 angebracht. Im hinteren Rumpfbereich ist oberseitig ein
Seitenleitwerk 5 vorgesehen, welches in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
keine Steuerfunktion übernimmt.
Am Rumpfende 2a ist ein Propellermotor 6 mit Propellerkreis 7 (nur
teilweise dargestellt) angeordnet, der um eine horizontale Achse 8 steuerbar verschwenkbar
ist (s. Doppelpfeil f1 in 1c und 2a).
In den 2a, 2b ist das sich gabelförmig aufspreizende
Rumpfende 2a genauer dargestellt, wobei der Propellermotor 6 in
der Gabelöffnung
angeordnet ist.
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Einerseits
wird das Flugzeug 1 mittels des Propellermotors 6 angetrieben,
andererseits dient der Motor 6 zur Steuerung des Flugzeugs 1 um
die Querachse, übernimmt
also die Funktion des nicht vorhandenen Höhenruders mittels des vom Propellermotor 6 erzeugten
Schubvektors.
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Die
Flugstabilität
des Flugzeugs 1 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
durch den stabilisierend ausgebildeten Tragflügel 2 erreicht. Alternativ
könnte
der vom Motor 6 erzeugte Schubstrahl auch zur Stabilisierung
des Flugzeugs 1 herangazogen werden. Bei einem entsprechend
instabil ausgelegten Flügel 2 wäre dies
sogar notwendig. In einer weiteren nicht dargestellten Alternative
ist ein Höhenleitwerk
(ohne Höhenruder)
vorgesehen, welches zur Dämpfung
bzw. Stabilisierung verwendet wird bzw. hierzu beiträgt.
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Um
eine große
Kurvenwendigkeit des Flugzeugs 1 zu realisieren, ist sein
Stabilitätsmaß gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 1 dynamisch verstellbar.
Die hier gewählte
Ausgestaltung erlaubt es, mittels eines nicht näher dargestellten Antriebs
die Ladezellen 11 im vorderen Rumpfbereich in Richtung auf
den durch einen kleinen Vollkreis angedeuteten Neutralpunkt 9 und
von diesem weg zu verschieben (s. Doppelpfeil f2).
Hiermit verschiebt sich auch der Schwerpunkt 10 relativ
zum Neutralpunkt 9, allerdings in geringerem Maße (s. Doppelpfeil
f3). Rückt der
Schwerpunkt 10 näher
zum Neutralpunkt 9 bedeutet dies ein geringeres Stabilitätsmaß, und das Flugzeug 1 kann
engere Kurven fliegen. Bei Geradeausflug wird für eine stabilere Fluglage ein
größeres Stabilitätsmaß benötigt, so
daß die
Ladezellen 11 wieder in Richtung der Rumpfnase verschoben
werden. Andere Möglichkeiten
zur dynamischen Stabilitätsmaßanpassung
sind selbstverständlich
möglich.
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In
einer nicht dargestellten Alternative kann auch das Seitenleitwerk 5 durch
eine Schubeinrichtung wie den Motor 6 ersetzt werden. Hierbei
ist der Motor 6 zusätzlich
um eine vertikale Achse verschwenkbar anzuordnen, um das Flugzeug 1 um
die Hochachse steuern zu können.
Auch ist eine Ausführung
möglich,
bei der die Steuerung um die Hochachse mittels eines Schubvektors
möglich
ist, auch wenn ein Seitenleitwerk (ohne Seitenruder) vorhanden ist.
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Bei
dem Flugzeug 101 gemäß der 3 ist der Rumpf 102 sehr
stark verkürzt,
so daß das
Flugzeug nahezu die Form eines Nurflüglers annimmt. Am Rumpfende 102 ist
eine Schubeinrichtung 106 angeordnet, welche beispielsweise
als Düsenantrieb ausgebildet
ist.
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Weiterhin
sind Ausführungen
möglich,
bei denen mehrere Schubeinrichtungen zum Steuern eines Flugzeugs
verwendet werden können,
beispielsweise eine Schubeinrichtung links und eine rechts von der
Rumpflängsachse.
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Die
Erfindung läßt sich
bei den verschiedensten Flugzeugen einsetzen, so z.B. in bemannten Flugzeugen
(Passagier-, Militärflugzeugen)
und Modellflugzeugen (beispielsweise Elektroflugzeugen zum Einsatz
in z.B. Pylon-Rennen).
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird auf das Leitwerk weitestgehend
verzichtet, um den Luftwiderstand herabzusetzen und somit Treibstoffkosten
zu senken.
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Ist
im Rahmen dieser Offenbarung von „mindestens einer Schubeinrichtung" die Rede, sind hiermit
bei entsprechend ausgebildeten Ausführungsformen auch ggf. nur
die den Schub erzeugenden Einzelelemente betroffen. Wenn beispielsweise
vom Verschwenken der mindestens einen Schubeinrichtung die Rede
ist, ist hiermit auch der Fall des Schwenkens lediglich des Propellerkreises
bzw. – allgemein
ausgedrückt – der den
Trieb- bzw. Schubwerkstrahl erzeugenden kleinsten Einheit eingeschlossen.
Hierbei umfaßt
die Erfindung auch eine entsprechend ausgebildete Schubeinrichtung.