DE19653851C2 - Aerodynamischer Körper mit innenliegenden Stellantrieben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen aerodynamischen Körper mit innenliegenden, als Aktuatoren ausgebildeten Stellantrieben, gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

Ein solcher Körper ist u. a. aus der US 4 349 169 bekannt, wobei die Krafter­ zeugung in den Aktuatoren mittels elastischer, befüll- und entleerbarer Schläu­ che bzw. Rohre erfolgt. Der Vorderkantenbereich eines Flügels oder Ruders ist mit einer elastisch nachgiebigen Außenhaut versehen, welche durch die Aktua­ torkinematik auf Biegung beansprucht wird. Da die Haut auf beiden Profilsei­ ten form- bzw. stoffschlüssig mit dem starren Körperteil verbunden ist, muß sie bei Verformung auch eine Art "Rollstrumpfbewegung" ausführen. Für eine reversible, elastische Verformung mit mäßigen Stellkräften müßte die Außen­ haut demzufolge so nachgiebig sein, daß sie wiederum für hohe aerodynami­ sche Belastungen nicht geeignet wäre, da sie knicken, beulen bzw. sich an­ derweitig unkontrolliert verformen würde.

Die US 3 179 357 beschreibt einen aerodynamischen Körper mit variabler Dicke und variabler Wölbung. Die elastische Außenhaut ist saugseitig nahe der Hinterkante unterbrochen und überlappend ausgeführt, so daß eine Relativver­ schiebung möglich ist. Die vorgesehene Kinematik mit Kniehebeln, Lenkern und Gleitführungen stützt die Haut nur an wenigen Stellen ab, so daß auch hier die Gefahr unkontrollierter Verformungen unter hohen Luftlasten besteht.

Die US 2 650 047 befaßt sich mit Tragflügeln, deren Wölbung veränderbar ist. Dabei sind die Flügelvorder- und -hinterkante in Relation zum Flügelmittelteil nach unten, d. h. einseitig, auslenkbar. Die durchgehende Flügelhaut auf der Oberseite/Saugseite wird dabei örtlich stark auf Biegung beansprucht. Die Flügelhaut der Unterseite/Druckseite ist jeweils im Gelenkbereich unter­ brochen und wird dadurch praktisch nicht verformt. Die sich dabei ergebenden Knickstellen und Spalte auf der Druckseite sowie die stark gekrümmten Berei­ che auf der Saugseite sind strömungstechnisch ungünstig.

Die US 4 247 066 zeigt einen aerodynamischen Körper mit veränderbarer Wölbung, dessen Verstellung über mehrgliedrige, gelenkige Gewindespindeln und Muttern erfolgt, welche abwechselnd mit der oberen und unteren Außen­ haut des Körpers verbunden sind. Die saug- und die druckseitige Außenhaut sind im Bereich der Körperhinterkante formschlüssig aber relativ verschiebbar verbunden, so daß praktisch nur Biegebelastung auftritt. Die erzielbare Profil­ verformung ist weitgehend kontinuierlich und somit strömungsgünstig. Aller­ dings ist die Kinematik extrem aufwendig, schwer und störungsanfällig.

Der Artikel "Adaptive Composite Wing" von John W. Holtrop in "Navy Technical Disclosure Bulletin Vol. 10, No. 4, June 1985" beschreibt einen Flügel mit va­ riabler Krümmung aus Faserverbundwerkstoffen. Der Flügel umfaßt drei ka­ stenartige, steife Zonen im Bereich seiner Vorderkante, seiner Mitte und seiner Hinterkante sowie zwei biegeelastische Zonen zwischen diesen. Gebogen wird in einer Zone die obere Haut, in der anderen Zone die untere Haut des Flügels, wobei die Aktuatoren diesen Hautbereichen gegenüberliegen und an Wänden der starren Zonen angreifen. Die beiden "Aktuatorkammern" sind zur Außen­ strömung hin einseitig mit dünnen, elastischen Wandelementen abgedeckt, welche stromaufwärts fest, stromabwärts auf der Außenhaut gleitend ange­ ordnet sind. Die Verformung des Flügelprofils ist somit konstruktiv bedingt nicht gleichmäßig. Weiterhin ist das Verformungsverhalten der Abdeckelemen­ te unter Luftlasten undefinierbar (Abheben, Beulen etc.).

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen aerodynami­ schen Körper der eingangs genannten Art möglichst strömungsgünstig, einfach und funktionssicher auszubilden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit den erfindungsgemäßen Stellantrieben kann die Profilform eines aerody­ namischen Körpers mit geringer Arbeitsenergie durch die Aktuatoren kontinu­ ierlich verstellt werden. Dabei werden die Profilschalen auf Biegung belastet und nehmen aufgrund ihrer geometrischen Form nur eine geringe elastische Energiemenge auf. Somit ist nur eine geringe Stellarbeit mit den Aktuatoren, die auch die Längskräfte aufnehmen, zu erbringen. Die Aktuatoren werden zweckmäßig in jedem Segment des aerodynamischen Körpers in der Nähe der Hinterkante angeordnet. Die Profilschalen können mit Hilfe von Schwalben­ schwanzführungen aufeinander gleiten, wobei diese die Querkräfte aufneh­ men.

Um eine hohe Formsteifigkeit zu erreichen, sind in dem Raum zwischen den Profilschalen vor dem Aktuator die Profilschalen ganz oder teilweise mit Schaumwerkstoff verbunden, der bei Verstellung auf Schub belastet wird. Ge­ biete hoher Schubverformung durch die Wölbung des aerodynamischen Kör­ pers können von Schaumwerkstoff frei gehalten werden, um eine übermäßige elastische Kraftentwicklung und Materialversagen zu vermeiden. Wenn nötig, können die Profilschalen in diesem Gebiet verstärkt werden bzw. mit Stringern versteift werden, um ein unzulässiges Ausbeulen senkrecht zur Profilsehne des Körpers unter Luftlast zu verhindern. Bei sehr großen und steifen aerodynami­ schen Körpern können noch zwei weitere die Wölbung mitbewirkende Aktua­ toren in dem Raum zwischen dem Aktuator an der Hinterkante und einem in der Vorderhälfte des Körpers angeordneten Holm angeordnet werden, die wechselseitig mit den Profilschalen und dem Holm verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Hinterkante eines Segmentes eines aerodynamischen Körpers mit einem eingebauten Aktuator in Schnittdarstellung;

Fig. 2 ein gesamtes Segment des Körpers nach Fig. 1 mit nach oben ge­ wölbte Hinterkante;

Fig. 3 das Segment nach Fig. 2 mit nach unten gewölbter Hinterkante und

Fig. 4 ein Segment eines aerodynamischen Körpers, in dem zwei weitere Aktuatoren in der Mitte angeordnet sind.

In der Hinterkante eines Segmentes 1 eines aerodynamischen Körpers ist eine obere Profilschale 2 und eine untere Profilschale 3 vorhanden, die mit Schwal­ ben­ schwanzführungen 4 und 5 aufeinander gleiten können. Die untere Profilschale 3 bildet durch einen Ansatz 3a mit der oberen Profilschale 2 einen Hohlraum 6, in dem ein Aktuator 7 gelagert ist. Der Aktuator 7 hat an beiden Enden Ar­ beitskolben 8 und 9, die beispielsweise hydraulisch ausfahrbar sind, wobei sie in Öffnungen 11 und 12 der Profilschalen 3 und 2 eingreifen. Wenn der Ar­ beitskolben 9 ausgefahren wird, wie in der Fig. 2 dargestellt, wird die Profil­ schale 2 nach oben gedrückt, wodurch sich der aerodynamische Körper 1 nach oben wölbt. Beim Ausfahren des Arbeitskolbens 8 wirkt dieser auf die Profil­ schale 3, wodurch entsprechend Fig. 3 das Segment 1 des aerodynamischen Körpers sich nach unten wölbt. In beiden Fällen gleiten die Profilschalen 2 und 3 mittels der Schwalbenschwanzführungen, die zugleich als Lager dienen, auf­ einander.

Aus den Fig. 2 und 3 ist weiterhin ersichtlich, daß in dem Raum zwischen den Profilschalen 2 und 3 vor den Aktuatoren 7 Lager 13 bis 17 aus Schaumwerk­ stoff angeordnet sind, die bei Verstellung der Profilschalen 2 und 3 auf Schub beansprucht werden. Zweckmäßig ist der Raum 18 hoher Schubbelastung hin­ ter dem Aktuator 7 frei gehalten. Die Profilschalen 2 und 3 sind im Vorderteil des Segmentes 1 mit einem Holm 19 verbunden.

Fig. 4 zeigt ein Segment 20 eines weiteren aerodynamischen Körpers, bei dem außer dem Aktuator 7 an der Hinterkante noch zwei weitere Aktuatoren 21 und 22 in den Raum 23 in der Mitte des Segmentes 20 eingebaut sind. Die Aktua­ toren 21 und 22 stützen sich auf einer Seite mit Stangen 24 und 25 am Holm 19 ab und haben verlängerte Arbeitskolben 26 und 27, mit denen sie auf die Pro­ filschalen 2 und 3 zur Erzeugung der gewünschten Profilwölbung einwirken können. Das Segment 20 ist noch mit einer Aussteifung 28 versehen.

Claims (5)

1. Aerodynamischer Körper mit innenliegenden, als Aktuato­ ren ausgebildeten Stellantrieben, die an beiden Enden mit je einem Ar­ beitskolben versehen sind, zur Erzeugung von variablen Wölbungen, wo­ bei der eine Arbeitskolben auf eine obere Profilseite und der andere Ar­ beitskolben auf eine untere Profilseite wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (7) in einem in der Nähe der Hinterkante des aerodyna­ mischen Körpers (1) befindlichen Hohlraum (6) gelagert ist, der durch ei­ nen die obere Profilschale (2) berührenden Ansatz (3a) der unteren Profil­ schale (3) und einem die untere Profilschale (3) berührenden, eine Verstär­ kung bildenden Ende der oberen Profilschale (2) gebildet ist, wobei der eine Arbeitskolben (8) des Aktuators (7) in eine Bohrung (11) in dem An­ satz (3a) der unteren Profilschale (3) und der andere Arbeitskolben (9) des Aktuators (7) in eine Bohrung (12) in der Verstärkung der oberen Profil­ schale (2) eingreift, und daß die Profilschalen (2, 3) an den miteinander in Berührung stehenden Stellen verschiebbar zueinander gelagert sind.

2. Aerodynamischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aktuator (7) pro Körpersegment (1) in der Nähe der Hinterkante ange­ ordnet ist.

3. Aerodynamischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilschalen (2, 3) mit Hilfe von Schwalbenschwanzführungen (4, 5) aufeinander gleiten können.

4. Aerodynamischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum vor dem Aktuator (7) die Profilschalen (2, 3) ganz oder teil­ weise mit Schaumwerkstoff (13 bis 17) verbunden sind, wobei ein Raum (18), der bei einer Wölbung des Segmentes (1) am meisten gekrümmt wird, frei von Schaumstoff ist.

5. Aerodynamischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung des einen Aktuators (7) an der Hinterkante eines Seg­ mentes (20) zwei weitere Aktuatoren in einem Raum (23) in der Mitte des Segmentes (20) vorhanden sind, die wechselseitig mit den Profilschalen (2, 3) und einem vorderen Holm (19) verbunden sind.