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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Erzeugen von aerodynamischem Widerstand an einem Flugzeug, mit mindestens
einer Bremsklappe, wobei die mindestens eine Bremsklappe in den
das Flugzeug umgebenden Luftstrom auslenkbar ist. Die Erfindung
bezieht sich weiterhin auf ein Flugzeug, das mit mindestens einer Bremsklappe
ausgerüstet
ist, wobei die mindestens eine Bremsklappe in den das Flugzeug umgebenden Luftstrom
auslenkbar ist.
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Beim
Landeanflug eines Flugzeugs wird dessen Geschwindigkeit auf einen
möglichst
geringen Wert reduziert, um die erforderliche Länge der Landebahn zu beschränken. Des
weiteren ist es erstrebenswert, zur Verringerung des Fluglärms am Boden den
lärmbelästigten
Bereich durch einen steilen Landeanflug möglichst zu minimieren. Hierfür ist ein
hoher Auftriebsbeiwert erforderlich, um einen langsamen Anflug realisieren
zu können.
Zur Erzielung eines steil und langsam geflogenen Anflugpfades sind neben
den dafür
notwendigen Hochauftriebssystemen auch wirkungsvolle Bremsvorrichtungen
erforderlich. Diese Bremsvorrichtungen erhöhen im Idealfall ausschließlich den
Luftwiderstand des Flugzeugs und beeinflussen weder den Auftrieb,
noch das Nick-, Roll- oder Giermoment des Flugzeugs. Zusätzlich, um
die Lärmbelastung
weiter einzuschränken,
sollten die Bremsvorrichtungen möglichst
wenig zusätzlichen
Quelllärm
verursachen.
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Zum
effektiven Reduzieren der Fluggeschwindigkeit eines Flugzeugs beim
Landeanflug werden üblicherweise
Bremsklappen verwendet, die im Wesentlichen im Bereich der Hinterkante
eines Flugzeugflügels
angeordnet sind (im Folgenden werden diese Bremsklappen auch „Spoiler" genannt). Aufgrund
ihrer Lage direkt auf dem Flugzeugflügel beeinflussen ausgefahrene
Spoiler maßgeblich
die Flügelumströmung und
verringern in Folge die auftriebsvergrößernde Wirkung der Flügelhinterkantenklappen
(Landeklappen bzw. „Flaps") und der Flügelvorderkantenklappen
(„Slats"). In den meisten
Fällen ändert sich
bei ausgefahrenen Spoilern der Längsmomentenhaushalt
des Flugzeugs, wodurch insbesondere ein geändertes Nickmoment kontinuierlich durch
das Höhenleitwerk
kompensiert werden muss. Der Fluglärm wird zudem durch den verringerten
Auftrieb und die dadurch bedingte höhere Landegeschwindigkeit deutlich
vergrößert, da
der Flugzeugzellenlärm
exponentiell mit der Fluggeschwindigkeit zunimmt. Zusätzlich wird
der durch die ausgefahrenen Spoiler erzeugte Quelllärm verstärkt.
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Alternativ
werden an der Unterseite des Flugzeugrumpfs Bremsklappen angeordnet,
die in die das Flugzeug umgebene Luftströmung ausgelenkt werden können („Ventral
Airbrake"). Durch
geometrische Einschränkungen
(i.e. Breite des Flugzeugrumpfs, Mindestabstand des Flugzeugrumpfs
vom Boden und Einbausituation des Fahrwerks) ist die ausgeführte Größe und damit
auch die Wirkung einer Ventral Airbrake begrenzt. Vielfach kann
mit solchen Bremsklappen nicht ausreichend Luftwiderstand erzeugt
werden, wodurch ihr Nutzen beschränkt ist. Weiterhin ist mit
einer ungünstigen
Lärmabstrahlung in
Richtung Boden zu rechnen, da der durch die Ventral Airbrake erzeugte
Lärm weder
vom Flugzeugrumpf noch den Flügeln
abgeschattet wird.
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Sogenannte „Petal
Airbrakes" sind üblicherweise
am Heck des Flugzeugs angeordnet und können auf jeder Seite des Flugzeugs
seitwärts
in Flugrichtung ausgeschwenkt werden. Nachteilig bei dieser Art
von Vorrichtung wirkt sich das begrenzte, zur Verfügung stehende
Einbauvolumen im Rumpfheckbereich aus (i.e. Begrenzung durch Systemeinbauten wie
Auxiliary Power Unit- „APU"-, Leitwerksanbindung
an den Rumpf, etc.). Ein weiterer Nachteil ist die Anordnung dieser
Art von Vorrichtungen in strömungsmechanischen
Bereichen geringer kinetischer Energie. Aus diesen vorgenannten
Gründen
ist der Widerstandsaufbau der Petal Airbrakes begrenzt.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Erzeugung von Widerstand ist das sogenannte Spreizseitenruder („Split
Rudder"). Nachteilig
bei dieser Art von Vorrichtung wirkt sich das begrenzte zur Verfügung stehende
Einbauvolumen sowie die eingeschränkte Fähigkeit zur Aufnahme struktureller
Luftlasten im Seitenleitwerksbereich aus. Bei Anwendung der Vorrichtung
zeigt sich zudem, dass die gierstabilisierende Wirkung des Seitenleitwerks
deutlich gemindert wird. Aus oben genannten Gründen lässt sich durch diese Art der
Vorrichtung nur ein geringes Widerstandsaufbaupotential realisieren.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eines oder mehrere der vorangehend
geschilderten Probleme bekannter Lösungen zu verringern oder zu
eliminieren. Insbesondere ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung
zum Erzeugen von aerodynamischem Widerstand an einem Flugzeug bereitzustellen,
die den Auftrieb nicht reduziert, wenig Lärm verursacht und kein zusätzliches
Moment auf das Flugzeug ausübt.
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Diese
Aufgabe wird durch mindestens eine Bremsklappe gelöst, die
am Rumpf des Flugzeugs in einem Bereich über den Flügeln des Flugzeugs angeordnet
ist.
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Diese
Bremsklappen („Dorsal
Airbrakes") sind
innerhalb eines Bereichs am Flugzeugrumpf angeordnet, in dem hoher
dynamischer Druck der Luftströmung
vorherrscht. Ein geeignetes Feld hohen dynamischen Drucks zur Anbringung
dieser Vorrichtungen befindet sich bei konventionellen Verkehrsflugzeugen
beispielsweise über
der rumpfnahen Niederdruckseite der Flugzeugflügel, auf der die Luftströmung beschleunigt
wird. Durch Anordnen der Bremsklappen auf dem Rumpf in diesem Bereich
wird der dynamische Druck der Luftströmung verrin gert. Die hierfür aufgebrachte
Energie wird der kinetischen Energie des Flugzeugs entzogen.
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Die Änderung
der Druckverteilung speziell am Flügel in Hochauftriebskonfiguration
durch diese Art der Vorrichtung bewirkt ein abnickendes Moment (negativer
Nickmomentenbeitrag). Durch die Anströmung der Bremsklappen entsteht
zusätzlich
ein aufnickendes Moment (positiver Nickmomentenbeitrag). Diese beiden
Nickmomentenbeiträge
gleichen sich durch eine entsprechend gewählte exakte Positionierung
der Bremsklappen am Flugzeug aus. Zusätzlich kann durch eine ideale
Positionierung der Bremsklappen auf dem Flugzeug auch der induzierte
Widerstand des Flugzeugs erhöht
werden, was in Kombination mit der zuvor beschrieben Druckwiderstandserhöhung zu
einer weiter erhöhten
Bremswirkung führt.
Die Bremswirkung der Dorsal Airbrakes beeinflusst die Flügelumströmung und
damit die Hochauftriebsklappen deutlich weniger als eine herkömmliche
Spoileranordnung. Die Änderung
der Druckverteilung kann demnach sowohl den Widerstand erhöhen als
auch den Auftriebsverlust verringern.
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Die
Lärmentwicklung
solcher Bremsklappen ist im Vergleich zu bekannten Lösungen außerdem wesentlich
geringer, da die Flügel
und der Flugzeugrumpf den durch die Bremsklappen entstehenden Lärm zum Boden
hin abschatten. Durch Ersetzen der auf den Flügeln angebrachten Spoilern
und einer günstigen
Beeinflussung der Umströmung
der Flügelvorderkantenklappen
(„Slats") kann der Gesamtlärm des Flugzeugs
durch die Dorsal Airbrakes verringert werden.
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Bevorzugt
sind zwei, drei, vier oder mehr in Umfangsrichtung voneinander beabstandete
Bremsklappen am Rumpf des Flugzeugs in einem Bereich über den
Flügeln
des Flugzeugs angeordnet. Durch die sphärische Krümmung des Flugzeugrumpfs ist
es geometrisch vorteilhaft, mehrere kleinere Bremsklappen zu verwenden,
die sich über
eine Querschnittssektion im Bereich der Oberseite des Flugzeugrumpfs
aneinander reihen. Weiterhin ist es bei der Verwendung von insbesondere
zwei Bremsklappen oder zwei Bremsklappenpaaren möglich, durch einen günstigen
Abstand der Bremsklappen deren Wirbelnachlauf so auszurich ten, dass
eine Störung
des heckwärts
angeordneten Seitenleitwerks durch Luftwirbel verringert oder vermieden
werden kann.
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Es
ist bevorzugt, dass die Bremsklappen in Umfangsrichtung zueinander
symmetrisch zur Rumpfmittelebene angeordnet sind. Dies eliminiert zusätzliche
Nick, Roll- oder Giermomente, die durch unsymmetrische Bremskräfte auftreten
könnten.
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In
einer günstigen
Ausführungsform
besitzen die vom Rumpf des Flugzeugs weg weisenden Enden der Bremsklappen
eine gerade Kante. Die Fertigung bzw. Bearbeitung der Bremsklappen
und insbesondere der bündig
abdichtenden Anschlussteile im Flugzeugrumpf für eingefahrene Bremsklappen
kann dadurch relativ kostengünstig
erfolgen.
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Weiter
bevorzugt sind überdies
gezackte, profilierte, perforierte oder abgerundete Kanten an den
vom Flugzeugrumpf weg weisenden Enden der Bremsklappen. Hierdurch
kann bei geeigneter Auslegung sowohl die aerodynamische Wirkung
verbessert als auch die Lärmentwicklung
verringert werden.
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Es
ist besonders günstig,
dass die mindestens eine Bremsklappe eine im Wesentlichen rechteckige
Form aufweist. Die Fertigung der Bremsklappe und der abschließenden Bereiche
im Flugzeugrumpf wird dadurch vereinfacht und das Bremsverhalten rechteckiger
Klappen ist bekannt.
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Schließlich ist
es besonders bevorzugt, dass die mindestens eine Bremsklappe eine
beliebige geeignete Form annehmen kann. Eine geeignete Form kann
sich etwa durch Experiment oder Simulation ergeben.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind die zwei, drei oder mehreren Bremsklappen unabhängig voneinander
antreibbar. Dadurch wird eine Integration der Bremsklappen in die Fluglageregelung
des Flugzeugs beim Landeanflug oder in anderen Phasen ermöglicht und
kann zur Optimierung des Momentenhaushalts des Flugzeugs verwendet
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Erzeugen
von aerodynamischem Widerstand an einem Flugzeug gelöst, bei
dem mindestens eine am Rumpf des Flugzeugs in einem Bereich über den
Flügeln
des Flugzeugs angeordnete Bremsklappe in den das Flugzeug umgebenden
Luftstrom ausgelenkt wird.
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Schließlich wird
die Aufgabe der Erfindung durch ein Flugzeug mit mindestens einer
Bremsklappe gelöst,
wobei die mindestens eine Bremsklappe in den das Flugzeug umgebenden
Luftstrom auslenkbar ist und wobei die mindestens eine Bremsklappe am
Rumpf des Flugzeugs in einem Bereich über den Flügeln des Flugzeugs angeordnet
ist.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
ist nach den vorangehend beschriebenen Merkmalen der Vorrichtung
zum Erzeugen von Widerstand an einem Flugzeug ausgestaltet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Figuren näher
beschrieben. In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen
oder ähnlichen
Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht auf ein Flugzeug mit Bremsklappen gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 Dynamische
Druckverteilung an einem Flugzeugrumpf.
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1 zeigt
ein Flugzeug 2 mit zwei Flügeln 4, die mit Flügelvorderkantenklappen 6 („Slats") und Flügelhinterklappenkanten 8 („Flaps") ausgerüstet sind.
Im Landeanflug sind sowohl die Flaps 8 als auch die Slats 6 ausgefahren
und stellen einen im Vergleich zum Reiseflug stark erhöhten Auftriebsbeiwert
bereit, durch den eine starke Absenkung der Fluggeschwindigkeit
während
des Landeanflugs ermöglicht
wird.
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Beim
Landeanflug ist es erforderlich, zusätzlich zur Schubreduktion und
zum erhöhten
Gesamtluftwiderstand des Flugzeugs aufgrund ausgefahrener Slats 6 und
Flaps 8 durch Bremsklappen die Geschwindigkeit des Flugzeugs 2 weiter
zu verringern oder angesichts des permanenten Sinkflugs konstant zu
halten. Dies geschieht im vorliegenden Fall durch zwei Bremsklappen 10,
die sich in einem Bereich des Flugzeugrumpfes 12 befinden,
der sich über
einer durch die Flügel 4 aufgespannten
Ebene befindet.
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Die
Bremsklappen 10 sind so ausgestaltet, dass sie bei ihrer
größtmöglichen
Auslenkung annähernd
senkrecht zur Oberfläche
des Flugzeugrumpfs 12 stehen. Die Fläche und die Auslenkung der Bremsklappen 10 wird
durch die erforderliche Bremsleistung bzw. den erforderlichen Luftwiderstand,
den zur Verfügung
stehenden Raum auf dem Flugzeugrumpf sowie dessen Krümmung und
die notwendige Aktuatorleistung begrenzt. Durch Variation des Winkels
ausgelenkter Bremsklappen 10 kann eine momentane Bremswirkung
beeinflusst werden.
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Die
geometrische Ausgestaltung der Kanten der Bremsklappen 10 richtet
sich insbesondere nach den Erfordernissen bezüglich auftretenden Lärms. Die
allgemeine Geometrie der Bremsklappen 10 kann rechteckig
oder jede beliebige geeignete Form annehmen.
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Es
ist möglich,
statt eines Bremsklappenpaares bestehend aus zwei Bremsklappen 10 auch
lediglich eine oder sogar mehrere Bremsklappen 10 zu verwenden,
die bspw. oberhalb der Fenster 14 über den Flügeln angeordnet werden können.
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Mehrere
Bremsklappen 10 könnten
zusätzlich
zur Stabilisierung des Momentenhaushalts beitragen, indem sie bevorzugt
getrennt voneinander antreibbar und während des Landeanflugs oder
anderen Phasen in die Fluglageregelung integriert sind.
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Die
Position der neuen Bremsklappen 10 auf der Rumpfoberseite
wird unter anderem durch die Verteilung des dynamischen Drucks am
Rumpf definiert, wie in 2 gezeigt wird.
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In 2 ist
deutlich ersichtlich, dass sich in einem Bereich 16 des
Flugzeuges 2 ein lokales Maximum des dynamischen Luftdrucks
befindet. In diesem Bereich 16 sollten die Bremsklappen 10 bevorzugt
angeordnet und so ausgestaltet werden, dass sie diesen dynamischen
Druck möglichst
effektiv ausnutzen und eine optimale Bremswirkung bereitstellen.
Die bevorzugte Stelle in diesem Bereich 16 ist demnach
eine Stelle 18, an der der lokale dynamische Druck maximal
ist. Dort erreicht die sogenannte Übergeschwindigkeit, d.h. eine
die Anströmgeschwindigkeit
des Flugzeugs übersteigende
Luftströmungsgeschwindigkeit,
ihr lokales Maximum.
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Die
Anordnung der Bremsklappen 10 im Bereich 16 an
der Oberseite des Flugzeugrumpfes 12 bewirkt eine Lärmreduktion
am Boden, da sich die Bremsklappen 10 über den Flügeln 4 und dem Flugzeugrumpf 12 befinden,
die den entstehenden Schall zum Boden hin abschatten. Wird in einer
Flugzeugkonfiguration auf die an den Flügeln 4 angebrachten Spoilern
verzichtet, kann durch Verbesserung der Strömungsverhältnisse an den Flügeln 4 auch
der durch die Flaps 8 und Slats 6 hervorgerufene
Lärm reduziert
werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt Bremsklappen zur Verfügung, die
eine im Vergleich zu herkömmlichen
an den Flügeln 4 angebrachten
Spoilern ähnliche
Bremswirkung bereitstellen, dabei jedoch den Momentenhaushalt des
Flugzeugs nicht stören und
wesentlich weniger Lärm
beim Landeanflug erzeugen. Das verwendete Ausführungsbeispiel dient lediglich
der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und soll diese nicht
auf dieses Ausführungsbeispiel
beschränken.
Ferner ist es möglich,
jedwede Art von Bremsklappen am Flugzeug 2 über den
Flügeln 4 zu
verwenden, die dort den dynamischen Druck verringern und damit eine
Bremswirkung herbeiführen.
Bei entsprechenden Leitwerken wäre
es zusätzlich
auch denkbar, solche Bremsklappen zusätzlich oder exklusiv im Bereich
des Rumpfhecks anzuordnen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf ein Passagierflugzeug.