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Dokumentenidentifikation DE60037459T2 04.12.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001332961
Titel MIT TRAGRUMPF VERSEHENES FLUGZEUG
Anmelder Karklin, Andrey Mikhailovich, Moskau/Moskva, RU;
Kalygina, Galina Vladimirovna, Moskau/Moskva, RU;
Bogdanov, Sergey Ivanovich, Moskau/Moskva, RU;
Jamgarov, Stepan Grigoryevich, Moskau/Moskva, RU
Erfinder JAMGAROV, Stepan Grigoryevich, Moscow 105554, RU
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 10178 Berlin
DE-Aktenzeichen 60037459
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.12.2000
EP-Aktenzeichen 009890716
WO-Anmeldetag 29.12.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/RU00/00542
WO-Veröffentlichungsnummer 2002030743
WO-Veröffentlichungsdatum 18.04.2002
EP-Offenlegungsdatum 06.08.2003
EP date of grant 12.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.12.2008
IPC-Hauptklasse B64C 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Flugkörper, und zwar Flugzeuge, die als Personen- oder Frachtflugzeuge und/oder Fracht-und-Personen-Flugzeuge ausgebildet sind und die Aufgabe der Verbesserung der Flugeigenschaften durch die Erhöhung der aerodynamischer Effizienz, durch Verbesserung des Gesamtaufbaus und durch Vereinfachung der betriebsgemäßen Handhabung lösen.

Verbunden mit einer aufkommenden Anforderung der Fluggesellschaften nach effektiver Kosteneinsparung bei Flügen, lösen zur Zeit viele Flugzeughersteller die Aufgabe der Erhöhung der Effizienz von Fracht- und Personenbeförderung. Die Personen und Transportflugzeuge, welche gemäß traditioneller Bauform über einen schmalen und breiten Rumpf verfügen, und bei welchen eine vergleichsweise große Spannweite eines Flügels die Hauptrolle zur Erzeugung einer Auftriebskraft spielt, dient der Rumpf hauptsächlich dazu, die Passagiere und die Fracht unterzubringen. Eine weitere QA Erhöhung der Beförderungs-Effizienz im Rahmen traditioneller Bauformen ist unmöglich, da eine Erhöhung der Tragfähigkeit solcher Flugzeuge praktisch zur proportionalen Erhöhung der Gesamtdimensionierungen, des Gewichts und des Brennstoffverbrauch führt. Verschiedene Veränderungen, welche für neue Designs eingeführt werden, sind normalerweise mit kleineren Optimierungen des Auftrieb-Widerstands Verhältnisses, also z. B. durch Veränderung des Profils und der Ausdehnung des Flügels verbunden, um die Stromlinieneigenschaften auf diese Weise für eine Anströmung zu verbessern, können die entstandene Situation nicht stark verändern.

Außerdem gelingt es in Rümpfen mit runden Querschnitt oder nahezu rundem Querschnitt nicht, eine hohe Dichte bei der Frachtanordnung zu gewährleisten, wodurch es zu Verlusten großer Netto-Volumina kommt.

Aus dem Stand der Technik sind Flugzeugkonstruktionen mit großer Fracht-Beförderungs-Kapazität bekannt (siehe US 4,925,132, 1990; DE 4116524, 1992; EP 0514650, 1992), in denen große Rumpfvolumina offenbart sind, die nahezu runden Querschnitt besitzen und verschiedene Decks für verschiedene Fracht/Passagierabteilungen aufweisen.

Die konventionellen Auslegungen, die die Aufgabe der Erhöhung des Personenfassungsvermögens und der Frachttonnage lösen, führen zu erheblichen Komplikationen und machen das Flugzeug schwer. Zusätzlich wird ein Betreiben, wie auch eine Wartung der Struktur selbst und/oder der Service der Passagiere erschwert. Zugleich scheint es unmöglich zu sein, die hohen Herstellungskosten von Flugzeugen mit derartigen Bauformen durch deren Betrieb zu kompensieren, weil es nicht gelingt, die Flugeigenschaften des Flugzeugs wesentlich zu verbessern.

Des Weiteren sind auch Flugzeuge bekannt, die nach der sogenannten „Entenflugzeug-Bauform" und „Nur-Flügel-Bauform" ausgeführt sind (siehe zum Beispiel DE 2735652, 1979) und welche ermöglichen, auf einen traditionellen Rumpf zu verzichten und welche ein großes Auftriebs-Widerstands Verhältnis besitzen. Trotzdem erfolgt dadurch keine Reduzierung des Baugewichts und im Fall von Passagier oder Passagier-Frachtflugzeugen mit geringen Abmessungen (bis zu 100 Passagiere) ist ein deutlicher Anstieg des Gewichts bei derartiger Bauform zu beobachten. Bei derartigen Flugzeugen ist ein komplizierter Betrieb im Zusammenhang mit dem Be- und Entladen von Fracht und Passagieren verbunden. Darüber hinaus sind die Flugzeuge, die eine derartige Struktur aufweisen, unter bestimmten Flugbedingungen kompliziert getrimmt und schwer zu kontrollieren.

Die der vorliegenden Erfindung – gemäß den Ansprüchen und wie weiter in der Anmeldung ausgeführt – nächstgelegene Lösung sind diejenigen Flugzeug-Bauformen, welche in den US Patenten 5769358 und 6098922 dargestellt und beschrieben sind und bei denen so genannte „auftriebserzeugenden" Rümpfe einen ausreichend großen Anteil an der Gesamt-Auftriebskraft des Flugzeugs bewirken. Bei den Bauformen gemäß dem Stand der Technik besitzt der Rumpf wie vorgeschlagen im Querschnitt in etwa ein elliptisches Profil mit einer breiten horizontalen Achse. Die Breite des Rumpfes übersteigt dessen Höhe erheblich. Dank der Tragfähigkeit des Rumpfs kann eine Spannweite und dementsprechend auch das Flügelgewicht und die Gesamtabmessungen reduziert werden. Ein hinterer Teil des Rumpfes verfügt über einen auslenkbaren Abschnitt um die Steuerbarkeit zu gewährleisten und eine Oberseite des hinteren Teils verfügt über ein Höhenleitwerk, welches mit horizontal ausgerichteten aerodynamischen Oberflächen ausgestattet ist, die die Funktion der Höhenflossen übernehmen.

Abgesehen von einigen Schwierigkeiten hinsichtlich der Festigkeit des Rumpfes, ermöglicht die vorliegende Bauform die Abmessungen eines Flugzeugs erheblich zu verkleinern. Die Ausgestaltungen des Rumpfes, welche mit einer möglichen Teilung des Rumpfes in längsgerichtete Abteilungen zusammenhängen, sind veränderlich und, noch wichtiger, es können die Vorteile traditioneller Bauformen, welche mit einem zweckmäßigen und bequemen Zusammenbau, dem Betreiben von Systemen und Aggregaten, der Unterbringung von Passagieren und der Auslegung der Triebwerke in Verbindung stehen, in besagter Bauform verwendet werden.

In den bekannten US Patenten 5769358 und 6098922 sind jedoch die äußeren Konturlinien des Rumpfes nicht gut genug ausgearbeitet, um eine wirklich große Auftriebskraft zu bewirken, weil zur Lösung dieser Aufgabe ein elliptischer Querschnitt über die gesamte Länge des Rumpfes nicht die benötigte Stromlinie durch einen Luftstrom sicher gewährleisten kann. Dieses Defizit steht insbesondere in Zusammenhang mit dem Nasenabschnitt eines Flugzeugs, bei dem die Bauform, wie in dem US Patent gezeigt und beschrieben, nicht ein gleichmäßiges Umströmen gewährleistet ohne dass ein Strömungsabriss bei verschiedenen Flugbedingungen einschließlich des Abhebens auftritt.

Um diese Aufgaben zu lösen, wird ein Flugzeug vorgestellt, welches über einen Auftrieb erzeugenden Rumpf verfügt, dessen Breite erheblich dessen Höhe übersteigt, insbesondere ein Verhältnis von Breite des Rumpfes zur Höhe von ≥ 2 besitzt; eine Unterseite des Rumpfes aufweist, deren Querschnittsprofil im mittleren und hinteren Teil in Richtung des Rumpfinnenraums nach innen gewölbt ist; die abgeflachte Unterseite des vorderen Teils des besagten Rumpfs ist in Bezug auf eine längliche horizontale Ebene in einem Winkel angestellt, wobei gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante dieser Winkel ≥ 4 Grad und in einer noch bevorzugteren Ausführungsvariante zwischen 5 und 7 Grad ist; der vordere Teil des Rumpfes besitzt gemäß einer Draufsicht ein gekrümmtes Profil, das von einem schmaleren Nasenbereich in den breiteren Hauptteil des Rumpfes sanft übergeht, wobei der vordere Teil gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante nahezu S-förmig ausgebildet ist; der hintere Teil des Flugzeuges verfügt über zwei Seitenleitwerke, welche an den Seiten des Rumpfes seitlich zu einer vertikalen Längsebene angeordnet sind und in einem Winkel zu der besagten vertikalen Ebene stehen, insbesondere sind die Seitenleitwerke in einem Winkel von ≥ 10° und besonders bevorzugt in einem Winkel ~20° angeordnet; die Längsschnitte des Rumpfes entsprechen normalerweise Tragflächenprofile, die in einem Winkel von ≥ 2° angestellt sind; der hintere Teil des Rumpfes kann über eine Oberfläche verfügen, welche in Bezug auf eine horizontale Rotationsachse auslenkbar ist.

Die Erfindung wird im Weiteren durch die Beschreibung und unter Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren erläutert, von denen:

1 eine Seitenansicht eines Flugzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

2 eine Draufsicht des Flugzeuges gemäß 1 darstellt;

3 eine Vorderansicht des besagten Flugzeugs darstellt;

4 einen Querschnitt des mittleren Teils des Rumpfes darstellt;

5 Längsschnitte des Rumpfes I, II, III gemäß 3 darstellen.

In den Zeichnungen ist ein Flugzeug 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Flugzeug 1 verfügt über einen Rumpf 2, dessen Breite A im Querschnitt dessen Höhe h stark übertrifft.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist ein Verhältnis A/h ≥ 2.

Im Querschnitts des mittleren und hinteren Teils des Rumpfes 2 ist eine Unterseite 3 des Rumpfes 2 in Richtung des Rumpf-Inneren eingewölbt. Diese Einwölbung ist praktisch symmetrisch zu der längs-vertikalen Ebene des Flugzeugs. An den Seiten des Querschnitts geht die Wölbung sanft in die Seitenwände des Rumpfes über. Der Durchmesser des Rumpfes 2 weitet sich in einem vorderen Teil 4 (wobei dieser Teil in etwa durch die gezeigte Linie E abgegrenzt wird) zunächst auf und verjüngt sich dann wieder in verschiedenen Graden ungefähr ab der Mitte der Rumpflänge zum hinteren Teil 5 (dessen Teil normalerweise entsprechend der gezeigten Linie F abgetrennt ist) (siehe 4 und 5). Eine Oberseite 6 des Rumpfes 2 ist seitlich des Rumpfes herkömmlich nach außen gewölbt. Eine abgeflachte Unterseite 7 des vorderen Teils 4 ist gegenüber der horizontalen Ebene des Flugzeugs 1 in einem Anstellwinkel &agr; angebracht, wobei der Ansteliwinkel gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ≥ 4° und besonders bevorzugt zwischen 5 und 7° ist. In der Draufsicht verläuft die Linie der maximalen Breite des schmalen Nasenabschnitts 8 des Rumpfes 2 gekrümmt und geht sanft in den breiten Hauptteil über. Diese Krümmung kann sich einer S-Form annähern. Der Rumpf 2 besitzt entlang eines Hauptteils 9 und gewöhnlich auch entlang des hintere Teils 5 in etwa eine konstante Breite A. Die Längsschnitte des Rumpfes 2 (siehe 5) stellen Tragflächenprofile dar, welche in einem Winkel &bgr; von vorzugsweise ≥ 2° während des Reiseflugs angestellt sind. Ein Flügel 10 von kleiner oder durchschnittlicher Pfeilung hat im Vergleich zu traditionellen Bauformen für diese Flugzeugklasse eine geringe Tragflächenspannweite. Gemäß der hier dargestellten Auslegung sind an dem Flügel 10 zwei Turbotriebwerke 11 befestigt, wobei wohlverstanden auch andere Befestigungspunkte für die Triebwerke, eine unterschiedliche Anzahl von Triebwerken und ein unterschiedlicher Typ von Triebwerken möglich sind.

Der hintere Teil 5 verfügt über zwei Seitenleitwerke 12, die an den Seiten des Rumpfes 2 angeordnet sind und in einem Winkel zu der längsvertikalen Ebene des Flugzeugs angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsvariante beträgt der Winkel y ≥ 10° und ~20° in einer noch bevorzugteren Ausführungsvariante. Der hintere Teil 5 kann über eine Fläche 14 verfügen, welche gegenüber der horizontalen Achse 13 nach oben oder nach unten auslenkbar ist.

Das Flugzeug 1 gemäß der vorliegenden Erfindung erhält im Flug eine zusätzliche Auftriebserhöhung aufgrund des seitlich ausgedehnten Rumpfes 2, das bedeutet, das Flugzeug verfügt über einen sogenannten Auftrieb-erzeugenden Rumpf. Berechnungen zeigen, dass mit einem Verhältnis von Breite A zur Höhe h von ≥ 2 bis etwa 40% des Gesamtauftriebs durch den prozentualen Anteil des Auftriebs des Rumpfes 2 erreicht werden, wobei nicht nur das Verhältnis von besagtem A/h, sondern zusätzlich die Wirkung der Unterseite 3 des Rumpfes 2 beiträgt, wodurch die Luft, die unter die Unterseite kommt, gehalten wird und deren Abfluss in alle Richtungen verhindert wird, so dass ein permanentes Luftkissen den Rumpf 2 und das Flugzeug 1 im Ganzen während des Fluges unterstützt.

Zur Verstärkung des Effektes der Bildung einer Auftriebskraft durch den Rumpf 2 verfügt der vordere Teil 4 in einer Draufsicht eine gekrümmte Form, welche sanft in den breiteren Hauptteil des Rumpfes übergeht. Diese Form des vorderen Teils 4 bewirkt für die Oberseite 6 eine Anströmung ohne Strömungsabriss und Querströmung, wodurch eine sichere und stabile Umströmung des Rumpfes gewährleistet wird. Diese Krümmung des vorderen Teils 4 kann in der Draufsicht so angepasst sein, dass die Kontur annäherungsweise S-förmig ausgebildet ist, um auf diese Weise eine bestimmte Einbuchtung N in Richtung des Rumpfes an der Stelle eines schmalen verlängerten Nasenbereichs zu erzeugen, die mit einem Übergangsbereich des Rumpfes übereinstimmt. Dieser Konturübergang trägt zu besagter nicht abreißender Strömung in diesem Bereich bei.

Die Unterseite 7 des vorderen Teils 4 des Rumpfes 2 ist so ausgerichtet, dass sie während des Reiseflugs in einem Winkel &agr; angestellt ist, der gemäß verbesserten Berechnungen in einer bevorzugten Ausführungsvariante ≥ 4° und gemäß der am meisten bevorzugten Ausführungsvariante zwischen 5 und 7° ist. Ein derartiger Aufbau des vorderen Teils 4, wie auch die Ausführung des Rumpfes 2, der im Längsschnitt die Form eines Tragflächenprofils aufweist, welches in einem Winkel &bgr; angestellt ist, ermöglicht die bestmögliche Ausnutzung der Möglichkeiten des Auftrieb-erzeugenden Rumpfes 2 zur Erschaffung einer Auftriebskraft und zur Erhaltung einer hohen aerodynamischen Effizienz des Flugzeugs im Ganzes, weil praktisch seine gesamte angeströmte Fläche zu der Schaffung des Auftriebs beiträgt. Wie wirklich aus dem Stand der Technik zu erkennen ist, ist ein Einstellwinkel eines Flügels bei den Flugzeugen besagter Bauart gewöhnlich größer als 2. Berechnungen zeigen gleichermaßen, dass ein zu bevorzugender Anstellwinkel für den Auftriebs-erzeugenden Rumpf 2 ≥ 2 ist.

Die Ausgestaltung des Rumpfes 2, der gemäß der vorliegenden Erfindung seitlich ausgedehnt ist und welcher eine große Auftriebskraft besitzt, ermöglicht es, die Spannweite des Flügels 10 und damit das gesamte Gewicht des Flugzeugs beträchtlich zu verkleinern, was auch darin begründet ist, dass bei einem breiten Rumpf Passagiere und/oder Frachtabteilungen über die gesamte Breite des ausreichend breiten Rumpfes 2 angeordnet werden können und – noch wichtiger – bewirkt diese Tatsache im Falle der gleichen Kapazität an Passagiersitzen und Frachtmenge gegenüber traditionellen Flugzeugen einen kürzeren Rumpf. Zum Beispiel kann das Flugzeug (Kapazität von 100 Passagiersitzen), welches eine Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, eine Länge von 23 m anstatt von 30 m, wie die Flugzeuge B-737-500 und TU 234-100, aufweisen.

Es sei angemerkt, dass die Probleme des Trimmens und der Steuerbarkeit des Flugzeugs 1 effizient mit Hilfe der Seitenleitwerke 12, welche zu beiden Seiten des hinteren Teils 5 des Rumpfes 2 angeordnet sind und in einem Winkel &ggr; in Bezug auf die vertikale Ebene angeordnet sind, gelöst werden können. Die besagten Seitenleitwerke 12 erfüllen auch die Aufgabe von Seitenruder und Seitenflosse. Zusätzlich dazu verbessert die Oberfläche 14 des hinteren Teils 5, welche relativ zu der horizontalen Achse 13 auslenkbar ist, die Möglichkeiten der Steuerelemente, unter optimalen Bedingungen zu arbeiten. Bei Anstellung der Seitenleitwerke 12 in einem Winkel &ggr; von ≥ 10°, insbesondere von 20°, erscheint die Trimmung und die Steuerbarkeit des Flugzeugs 1 am besten.

Bei der Ausrichtung einer Unterseite eines Rumpf-Vorderteils unter einem Anstellwinkel gegenüber einer in Längsrichtung verlaufenden horizontalen Ebene wird ein Anstieg des Druckes in diesem Bereich bewirkt, was zusätzlich zu einem gewünschten Beitrag an einer Gesamtauftriebskraft zu einem Nasenauftriebsmoment führt.

Durch den in der Draufsicht S-förmigen Bereich der Nase eines Rumpfes, welcher nach vorne schmaler und nach hinten in der Nähe des Hauptteils des Rumpfes breiter wird, wirkt der Rumpf aus aerodynamischer Sicht wie ein stark gepfeilter und wenig gestreckter Flügel, d. h., wie ein Bauteil, das eine definitive Auftriebseigenschaft besitzt.

Das Flugzeug 1 gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt Betriebseigenschaften, welche gegenüber herkömmlichen Flugzeugen viel größere Vorzüge aufweisen. Zusätzlich zu der zuvor erwähnten Reduktion der Gesamtabmessungen und des Gewichts und deshalb der Gesamtkosten während des Flugbetriebs kann das gewünschte Flugzeug gemäß verschiedener Auslegung ausgeführt sein, die dessen Effizienz und dessen Nutzen während des Betriebs erhöhen.

Die hochkantige Druckkabine kann durch vertikale Unterteilungen oder Wände in einzelne sowohl Passagier- und Frachtabteilungen unterteilt sein. Während Passagiere, Fracht und Gepäck und die Post auf einem Deck angeordnet sind, wird ein unter dem Boden befindlicher Freiraum dazu genutzt, das Flugzeugfahrwerk und Gerätschaften unterzubringen (und muss nicht unter Druck gesetzt werden). Darüber hinaus können praktisch alle Komponenten von Flugzeugsystemen in Abteilungen oberhalb eines einzelnen Decks angeordnet sein, was zu einer gewünschten Wirtschaftlichkeit bezüglich der technischen und finanziellen Mittel für die Fluggesellschaften führt.


Anspruch[de]
Flugzeug, das mit einem Tragrumpf (2) versehen ist, umfassend einen Flügel (10), ein Triebwerk (11), einen Rumpf (2), dessen Breite seine Höhe beträchtlich übersteigt, eine Bodenfläche (7) der hauptsächlichen und hinteren Teile des Rumpfes (2), mit, im Querschnitt, einer konkaven Form, während eine Bodenfläche (7) eines abgeflachten vorderen Rumpfteils (4) in einem Erhebungswinkel (&agr;) zu einer horizontalen Längsebene des Flugzeugs angeordnet ist, wobei der vordere Teil (4) des Rumpfes, in einer Draufsicht, eine krummlinige Form aufweist, die glatt von einem engeren Nasenabschnitt (8) in den hauptsächlichen breiten Teil des Rumpfes übergeht, wobei eine Schwanzeinheit als zwei Seitenflossen (12) ausgebildet ist, die hochkant zum Rumpf (2) mit Abstand angeordnet sind, seitwärts einer vertikalen Längsebene des Flugzeugs, und einen Winkel (&ggr;) zu besagter vertikalen Ebene des Flugzeugs bilden. Flugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Längsschnitte des Rumpfes (2) Tragflächenprofile darstellen, die in jedem Abschnitt in einem Erhebungswinkel (&bgr;) ≥ 2° eingestellt sind. Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Draufsicht krummlinige Form des vorderen Rumpfteils (4) nahezu S-förmig ausgebildet ist. Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Rumpfbreite (A) zu seiner Höhe (h) ≥ 2 ist. Flugzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hinterer Teil des Rumpfes (2) eine Oberfläche besitzt, die relativ zu einer horizontalen Drehachse abgelenkt ist. Flugzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkeleinstellung jeder Seitenflosse (12) von der vertikalen Ebene ≥ 10°, am bevorzugtesten etwa 20° beträgt. Flugzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenfläche eines abgeflachten vorderen Teils (4) des Rumpfes (2) in einem Erhebungswinkel (&agr;) ≥ 4°, am bevorzugtesten in einem Winkel von 5 bis 7° angebracht ist.






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