DE4132665C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Tragflügel für Flugzeuge mit Kurzstart- bzw. Kurzlande­ eigenschaften, vorgesehen für Reisefluggeschwindigkeiten bis etwa 800 km/h.

Bei Flugzeugen der genannten Art ist es im Hinblick auf die gegenwärtige und im Hinblick auf die zukünftig zu erwartende Energiesituation in erhöhtem Maße erforderlich, nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei hohen Leistungsforderungen zu suchen. Zur Erfüllung hoher Leistungs­ forderungen kommt der Ausbildung der Profilform der Flugzeugtragflügel wesentliche Bedeutung zu.

In der Vergangenheit war es üblich, Profile für Flugzeugtragflügel der allge­ meinen Luftfahrt Profilkatalogen zu entnehmen. Solche Kataloge enthalten Zusammenstellungen von Profilreihen, so z. B. die, welche von der NACA aufgestellt worden sind. Für die Zusammenstellung einer Profilreihe wurde eine bestimmte Bezeichnungsweise festgelegt, aus der bestimmte Unter­ scheidungsmerkmale entnommen werden können.

So enthält die Zusammenstellung einer Profilreihe nach einer Bezeichnung z. B. Angaben über die Profilwölbung in Prozent, der Wölbungsrücklage in Zehnteln der Profiltiefe und der Profildicke in Prozent der Profiltiefe.

Bei einer anderen Profilreihe sind zu den festgelegten Maßen für die Wölbung der Profile, der doppelte Wert der Wölbungsrücklage in Zehnteln der Profil­ tiefe, die Form der Skelettlinie und Werte für die Ausbildung der Profile, be­ züglich der Profildicke in Prozent der Profiltiefe festgelegt.

In neuerer Zeit herrscht zunehmend - auch bei neueren NACA-Entwicklungen - die Tendenz vor, nach rein aerodynamischen Gesichtspunkten von vorgege­ benen Druck- bzw. Geschwindigkeitsverteilungen auf der Saug- und Druck­ seite der Profile auszugehen. Ziel der angegebenen Entwicklungen ist es, Profilausbildungen zu ermitteln, die bestimmte Aufgaben optimal lösen.

Vergleiche der entsprechend der Energiesituation an Profile gestellten Lei­ stungsforderungen mit Leistungen bisher bekannter Profilausführungen las­ sen erkennen, daß zur Optimierung eine Erhöhung des Maximalauftriebes der Profile mit und ohne Verwendung von Hochauftriebsmitteln in Form von Klappen angestrebt werden muß.

Zur Vermeidung höheren Gewichtes und Verminderung des Widerstandes sind Klappenanordnungen, wenn überhaupt, mit nur einem Spalt zu bevor­ zugen.

Der Maximalauftrieb bestehenden Profilreihen entnommener Laminarprofile ist aufgrund des für die Laminarhaltung der Strömung relativ gering zu be­ messenden Nasenradius relativ niedrig. Demgegenüber ist der Mindestwider­ stand der genannten Laminarprofile unter Ausnutzung der Laminardelle sehr gering.

Die vorliegende Erfindung geht nicht von Laminarprofilen aus, und zwar aus Gründen, die sich aus der Fertigungstechnik hinsichtlich nicht vermeidbarer Unstetigkeiten der Profilober- bzw. Profilunterseite an bestimmten Stellen über die Profiltiefe, z. B. im Bereich des Anschlusses des Nasenkastens am Vorderholm (z. B. bei einer Ausführung im Bereich von 17% der Profiltiefe) ergeben und der Tatsache, daß zumindest ein Abschnitt der freien Tragflügeloberseite durch Propeller- bzw. Treibgasstrahlen der Triebwerke umströmt wird.

Unter Berücksichtigung der genannten Fakten, wurde zur Schaffung gegenüber bekannten, aus Profilkatalogen entnommenen Profilen (z. B. NACA-Profilen), verbesserter Profile, in bezug auf den Maximalauftrieb und den sich aus dem Verhältnis von Widerstandskraft zur Auftriebskraft ergebenden Gleitwinkeln, eine stärkere Wölbung der Profilnase und eine stärkere Wölbung des Profils im rückwärtigen Abschnitt der Profiloberseite vorgesehen.

Wird zur Erzielung einer verbesserten Widerstandsfähigkeit im Hinblick auf die über die Flügelstruktur aufzunehmenden Belastungen (Biegemomente) eine strukturelle Veränderung (Verstärkung) des Tragflügelaufbaues vorgesehen, so resultiert daraus zwangsläufig eine Änderung des Tragflügelprofils.

Solche Maßnahmen können erforderlich werden, wenn Veränderungen des Gewichts vom Tragflügel aufzunehmender Komponenten, z. B. von Außenlasten gefordert sind.

Ferner kann eine Veränderung der Tragflügelstruktur notwendig sein, wenn das Volumen der vom Tragflügel aufgenommenen Treibstofftanks z. B. zur Er­ höhung der Reichweite des Flugzeuges vergrößert werden soll, oder aus Gründen der Erzielung verbesserter aerodynamischer Leistungen des Trag­ flügels (hohes ca_max bei gleichzeitiger Verringerung des kopflastigen Nick­ momentes), mit daraus resultierender höherer Flügelbelastung.

Solche Veränderungen der Flügelstruktur (Verstärkung) sind, insbesondere für den Innenflügelbereich, d. h. für den Bereich zwischen der Flügelwurzel bis hin zum Bereich, innerhalb dem die Aufnahme von Außenlasten oder Anbau­ ten, wie z. B. der Triebwerksanlagen vorgesehen ist und, bezogen auf die Er­ streckung des Flügels in Richtung der Profiltiefe, der Bereich zwischen dem vorderen und hinteren Holm, zweckmäßig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Profile für die Tragflügel von Flug­ zeugen der angegebenen Kategorie zu schaffen, die trotz einer Veränderung der Flügelstruktur zum Zweck der Aufnahme erhöhter Belastungen, mit den daraus zwangsläufig resultierenden Profiländerungen, zumindest die Aufrecht­ erhaltung bisher erreichter, sehr guter aerodynamischer Eigenschaften er­ möglichen.

Erreicht ist dieses Ziel durch die Gestaltung eines Tragflügelprofils der ge­ nannten Art durch Kombination der besonderen Dickenverteilung über die Profiltiefe und einer besonderen Wölbungsverteilung mit einem Skelettlinien­ verlauf mit einem ausgeprägten, horizontalen oder der Horizontalen angenä­ herten mittleren Abschnitt bzw. mit einem Wendepunkt mit horizontaler oder der Horizontalen angenäherten Tangente nach den Merkmalen des Patent­ anspruches 1 und in weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung des Haupterfindungsgedankens nach den Merkmalen der dem Anspruch 1 folgenden Patentansprüche.

So ausgebildete Tragflügel weisen gegenüber bereits vorgeschlagenen Profilierungen zumindest unter Beibehaltung der erhöhten Werte des erreichbaren Maximalauftriebs und einer Verringerung des kopflastigen Nickmoments eine fülligere Dickenverteilung, d. h. eine größere Dicke über einen Bereich insbesondere im Bereich des Vorderholmes und bzw. oder des Hinterholmes, d. h. gegenüber der bereits früher vorgeschlagenen Ausbildung (DE-PS 32 08 970) auf.

Die erfindungsgemäße Profilausbildung ermöglicht trotz der insgesamt fülligeren Dickenverteilung die Erzielung verbesserter Schnellflugeigenschaften. Ferner wird die Fähigkeit, Außenlasten und andere Anbauten, z. B. Triebwerksgondeln bzw. Triebwerke an den Tragflügeln aufzunehmen, verbessert, hinsichtlich der wirksamen Biegemomente, ohne dadurch die aerodynamischen Eigenschaften gegenüber dem Bekannten zu verschlechtern, was bei Ausbildungen des Profils von Tragflügeln der genannten Kategorie nach dem bisherigen Stand der Technik bei einfacher Aufdickung die Folge ist.

Der z. B. durch die DE-OS 27 12 717 bekannten Profilausbildung liegt eine Auslegungsmachzahl M≈0,76 zugrunde, bei einer Profildicke von d/l=13%, mit entsprechenden Druckverteilungen auf der Profilober- bzw. Profilunterseite und unterscheidet sich damit wesentlich von Profilauslegungen für geringere Auslegungsmachzahlen, z. B. bis etwa 800 km/h. Eine Anpassung der für weit höhere Geschwindigkeiten ausgelegten Profile läßt sich jedoch nicht durch eine Aufdickung erzielen. Dies würde in erster Linie zu einer Verschlechterung der Schnellflugeigenschaften führen. Andererseits sind Profile mit einer Dicke um 13%, insbesondere im Bereich des Vorder- und Hinterholms gegenüber Profilen größerer Dicke im Hinblick auf Belastbarkeit der Struktur des Tragflügels, z. B. für die Aufnahme von Außenlasten oder Triebwerke oder andere Anbauten, nachteilig. Außerdem reduziert sich bei Tragflügeln geringerer Dicke auch das Tankvolumen. Wesentlich ist auch, daß die bekannte Profilausbildung im vorderen Profilbereich keine Wölbung aufweist, woraus nachteiligerweise ein verringertes "Frontloading", ein höheres kopflastiges Nickmoment und ein geringerer Mamimalauftrieb resultiert.

Die ebenfalls bekannte Profilausbildung nach der DE-OS 26 08 414 betrifft ebenfalls ein überkritisches Transonic-Profil geringer Profildicke mit den gleichen vorangehend geschilderten Kriterien bzw. Nachteilen gegenüber Profilen nach dem Oberbegriff bzw. den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 der Erfindung.

Ferner wird mit der erfindungsgemäßen Ausbildung bei der Verwendung von Hochauftriebsklappen ein günstiger Übergang von der Kontur des Profils der Tragflügel auf die Kontur der Klappen, sowohl in eingefahrenem als auch in ausgefahrenem Zustand zur Erzielung optimaler Strömungsverhältnisse er­ reicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem Tragflügel mit einer in der Art einer Einfachspaltklappe ausgebildeten Hochauftriebsklappe vorge­ sehen, daß die Klappe eine Tiefe von 30% der Gesamttiefe des Tragflügels aufweist und die maximale Rücklage des Klappendaches im Größenbereich von 83% der Gesamttiefe liegt.

Infolge der Klappenprofilierung, entsprechend dem Tragflügelprofil mit einem relativ kleinen Nasenradius mit relativ starker Wölbung im Nasenbereich und einer starken rückwärtigen Wölbung, wird eine Druckverteilung, ähnlich der am Tragflügel mit den dort genannten vorteilhaften Wirkungen, erzielt.

Das hintere Profilteil im Bereich der Spaltklappe - die im eingefahrenen Zu­ stand das Tragflügelprofil selbst darstellt - ist vorteilhafterweise so gestaltet, daß die Spaltklappe auch in ausgefahrenem Zustand eine sehr gute aero­ dynamische Wirkung aufweist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Profilie­ rung dargestellt und nachfolgend im einzelnen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisiert die Profilierung eines Flugzeugtragflügels in zwei­ dimensionaler Darstellung, in Verbindung mit der Profilierung einer Einfachspaltklappe, dargestellt in Einfahrstellung und

Fig. 2 in einem Diagramm den Wölbungsverlauf der Skelettlinie der Profile und den Dickenverlauf des der Skelettlinie über die Profiltiefe überlagerten Profiltropfens, wobei für den Dicken­ verlauf ein anderer Maßstab gewählt ist und die Werte des Verhältnisses von Profildicke zur Profiltiefe die relative Halb­ dicke angeben.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel eine Tragflügelprofilform gemäß der Erfin­ dung in einem Koordinatensystem dargestellt, wobei auf der Abszisse x die relative Profiltiefe x/l mit der Profilsehnenlänge l und auf der Ordinate y die relative Profilhalbdicke y/l aufgetragen ist.

Die Kontur des Tragflügelprofils 1 nach Fig. 1 und 2 ist bestimmt durch die symmetrische Dickenverteilung nach dem vorgegebenen Profiltropfen, der der gewölbten Skelettlinie S zwischen den Punkten b₁ bis b₇ des Diagramms überlagert ist.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 das Tragflügelprofil und mit 2 das mit dem Tragflü­ gelprofil in einer Schnittebene liegende Profil der Spaltklappe bezeichnet. Ferner ist die Profilvorderkante mit 9, die Profilhinterkante mit 6 sowie die Profilober- bzw. die Profilunterseite mit 3 bzw. 4 bezeichnet. Des weiteren stel­ len dar 3′ bzw. 4′ die Profilober- bzw. die Profilunterseite der Spaltklappe und 8 das Klappendach am Tragflügelprofil 1.

Nach dem Diagramm gemäß Fig. 2 ist die Profilkontur beschrieben durch die Wölbungsverteilung y_W des Verlaufs der Skelettlinie S über die Profiltiefe l bzw. die relative Profiltiefe x/l und durch die Dickenverteilung y_D, die der Skelettlinie S überlagert ist. Dabei ist der Wölbungsverlauf mittels einer durchgehenden Linie und die Dickenverteilung mittels einer gestrichelten Linie dargestellt. Die Werte der Dickenverteilung sind als Halbdicke in das Diagramm eingetragen.

Charakterisiert ist die erfindungsgemäße Wölbungsverteilung y_W der Profilausbildung durch einen vorderen Punkt b₁ mit einem am Profil relativ weit vorn liegenden, steilen Anstieg der Wölbung zur Unterstützung der Ausbildung des sogenannten "front loading"-Effekts.

Ferner ist die Wölbungsverteilung y_W charakterisiert durch einen Punkt b₂ und einen weiteren Punkt b₃. Diese beiden Punkte b₂ und b₃ schließen über die Profiltiefe l einen Bereich B des Verlaufes der Skelettlinie S ein, innerhalb dem die Skelettlinie S einen horizontalen oder annähernd horizontalen Verlauf besitzt.

Weiterhin ist der Verlauf der Skelettlinie S gekennzeichnet durch den weiteren Punkt b₄, der einen Wendepunkt darstellt, von dem aus die Größe der des Anstieges der Wölbungsverteilung y_W im Anschluß an den Punkt b₃ abnimmt. Mit den Werten des Punktes b₄ ist ein Wendepunkt des Skelettlinienverlaufes und mit Punkt b₅ dessen Maximum gemeinsam mit den Werten des Punktes b₆ festgelegt, wobei die Steigung der Skelettlinie S negative Werte aufweist.

Nach Fig. 2 weist der Verlauf der Skelettlinie S im hinteren Abschnitt (Punkt b₆), beginnend mit dem Wölbungsmaximum (Punkt b₅) einen starken Abfall gegen die Profilhinterkante 6 auf, was zur Erzielung des allgemein als "rear loading" bezeichneten Effektes des Druckverlaufes an der Profilunterseite 3 führt.

Der mittlere Bereich B zwischen den Punkten b₂ und b₃ bzw. der Bereich B′ zwischen den Punkten b′₂ und b′₃ der Kennlinie mit der Wölbungsverteilung y_W mit horizontalem oder annähernd horizontalem Verlauf führt in Verbin­ dung mit der Dickenverteilung y_D zur Ausbildung einer Profiloberseite 3, mit der eine vorzeitige Ablösung der Grenzschicht vermieden wird und ein weit nach hinten in Richtung auf die Profilhinterkante 6 verlagerter, wirksamer Unterdruckbereich geschaffen ist.

Schließlich ist beim Profilendpunkt b₇ noch eine endliche Dicke y_D für das Profil vorgesehen. Der Profilendpunkt b₇ fällt mit der Hinterkante 6 des Pro­ fils zusammen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ein Bereich B′ zwischen Punkten b′₂ und b′₃ gemäß dem Dia­ gramm vorgesehen, innerhalb dem die Skelettlinie S horizontalen Verlauf aufweist.

Der Bereich B′ schrumpft bei dieser Ausführungsform auf einen Punkt b′′₃ mit horizontaler Tangente des Verlaufs der Skelettlinie S zusammen. Der Punkt b′′₃ ist ein Wendepunkt im Verlauf der Skelettlinie S mit horizontaler Tan­ gente.

Die angegebenen Punkte für die Wölbungsverteilung y_W der Skelettlinie S gelten entsprechend den angegebenen Werten gemäß der Merkmale der Patentansprüche auch für den Verlauf der Dickenverteilung y_D im Diagramm gemäß der Fig. 2.

Im vorderen Bereich der relativen Profiltiefe x/l, ausgehend vom Wert Null (Profilvorderkante 9) bis ca. 0,25 der Einteilung ergibt sich aus dem relativ kleinen Nasenradius r/l und der relativ großen Wölbung, der allgemein als "front loading" bezeichnete Effekt des Druckverlaufes an der Profilunterseite 4. Daraus resultieren die geforderten günstigen Trimmwiderstände im Reiseflug mit teilweiser Kompensation des unerwünschten Nickmomentenef­ fektes infolge des "rear loading"-Effekts im hinteren Bereich des Profils.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist als Ausführungsbeispiel der Trag­ flügel 1, wie in Fig. 1 gezeigt, mit einer in der Art einer Einfachspaltklappe ausgebildeten Hochauftriebsklappe 2 versehen, wobei die Klappe eine Tiefe von 30% der Gesamttiefe des Tragflügels 1 aufweist und die maximale Rück­ lage des Klappendaches 8 im Größenbereich von 83% der Gesamttiefe vor­ gesehen ist.

Infolge der Klappenprofilierung mit einem relativ kleinen Nasenradius r und relativ starker Wölbung im Nasenbereich, sowie einer starken, rückwärtigen Wölbung, an der Spaltklappe eine Druckverteilung, ähnlich der am Tragflügel 1 ohne eine solche Spaltklappe mit den dort erreichbaren, vorteilhaften Wir­ kungen, erzielt.

Die Wölbung von Klappendach 8 des Tragflügels 1 und der Spaltklappe 2 führt zu einer starken Druckabsenkung im Bereich des Klappendaches 8 und zu einer fülligen Belastung der Klappe 2 insgesamt. Aus der Klappenprofilie­ rung ergibt sich bei relativ kleinem Klappenausschlag ein relativ hoher Maxi­ malauftrieb. Daraus resultiert eine außerordentlich hohe Gleitzahl.

Claims (6)

1. Tragflügel für Flugzeuge mit Kurzstart- bzw. Kurzlandeeigenschaften, vorgesehen für Reisefluggeschwindigkeiten bis etwa 800 km/h, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Verlauf der Skelettlinie (S) des Tragflügelprofils über die Profiltiefe (l) einen vorderen Punkt (b₁) bei ca. x/l = 0,05 mit der Größe von ca. y_W/l=0,0106 und einer Steigung von ca. 6,12° besitzt,
• - daß ein Bereich B mit horizontalem oder nahezu horizontalem Verlauf zwischen ca. x/l=0,275 (Punkt b₂) und x/l=0,45 (Punkt b₃) und zwischen y_W/l= 0,0165 und y_W/l=0,0185 vorgesehen ist,
• - daß der Verlauf einen Wendepunkt (b₄) bei ca. x/l=0,615 mit einer Größe von ca. y_W/l=0,0201 mit der Tangentensteigung von ca. 1,14° und
• - ein Maximum (b₅) bei ca. x/l=0,715 mit der Größe von ca. y_W/l= 0,0214 und einen hinteren Punkt (b₆) bei ca. x/l=0,878 mit der Größe von ca. y_W/l=0,0139 und einer Steigung von ca. -5,21° einschließt und daß
• - der Skelettlinie (S) ein Profiltropfen überlagert ist mit einer Dickenverteilung (y_D), die charakterisiert ist durch einen vorderen Punkt bei ca. x/l=0,05 von ca. y_D/y_{D max} = 49,36%,
• - einen Punkt bei ca. x/l=0,374 von ca. y_D/y_{D max} 99,19%,
• - einen Punkt bei ca. x/l=0,615 von ca. y_D/y_{D max} 84,16%,
• - einen weiteren Punkt bei ca. x/l = 0,715 von ca. y_D/y_{D max} = 63,35%,
• - einen Punkt bei ca. x/I = 0,878 von ca. y_D/y_{D max} = 22,89% und
• - einen Profilendpunkt (b₇) bei ca. x/l = 1,0 von ca. y_D/y_{D max} = 1,73%.

2. Tragflügel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Skelettlinie (S) des Tragflügelprofils (1) über die Profil­ tiefe (l) einen zweiten Punkt (b′₂) bei ca. x/l = 0,35 mit der Größe von ca. y_W/l= 0,0179 und mit horizontaler Tangente, und einen sich nach hinten anschließenden horizontalen Bereich (B′) bis ca. x/l = 0,41 (b′₃) aufweist.

3. Tragflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Skelettlinie (S) des Tragflügelprofils über die Profiltiefe (l) einen Wendepunkt (b′′₃) bei ca. x/l = 0,374 mit der Größe von ca. y_W/l= 0,0179 mit horizontaler Tangente aufweist, wobei der Bereich (B) zwischen den Punkten (b2) und (b3) in diesem Wendepunkt (b′′₃) vereinigt ist.

4. Tragflügel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Skelettlinie (S) ein Profiltropfen überlagert ist mit einer Dickenver­ teilung (y_D), die charakterisiert ist durch einen vorderen Punkt bei ca. x/l = 0,05 von ca. y_D/l = 0,0427, einen Punkt bei ca. x/l = 0,374 von ca. y_D/l= 0,0858, einen Punkt bei ca. x/l = 0,615 von ca. y_D/l= 0,0728, einen weiteren Punkt bei ca. x/l = 0,715 von ca. y_D/l= 0,0548, und einen hinteren Punkt bei ca. x/l = 1,0 von ca. y_D/l= 0,0015, wobei die angegebenen Werte von y_D/l die relative Halb­ dicke bezeichnen.

5. Tragflügelprofil nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil mit einem Nasenradius (r) von ca. r/l = 0,0161 ausgeführt ist.

6. Tragflügelprofil nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, mit einer in der Art einer Einfachspaltklappe ausgebildeten, hinteren Hochauftriebsklappe, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (2) eine Tiefe von 30% der Gesamttiefe des Tragflügelprofils (1) aufweist und die maximale Rücklage des Klappendaches (8) im Größenbereich von 83,0% der Gesamttiefe (l) des Profils vorgesehen ist.