Ansprüche
[1] Schlagflügel zur Verwendung als Antriebsorgan eines Fluggerätes oder zum
Fördern eines Fluids, welcher um eine Schwingachse (4) eine hin und hergehende Bewegung ausfuhrt und diese Bewegung der Erzeugung einer Schubkraft dient, bestehend aus einer ausgesteiften, von der Schwingachse abstehenden Flügelvorderkante (5) aufweiche die zur Aufrechterhaltung der Schwingbewegung eingebrachte Antriebskraft einwirkt und an die eine starre, flexible oder teilweise flexible Verdrängerfläche (1) angekoppelt ist, welche der Bewegung der Flügelvorderkante (5) nachfolgt und welche sich in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Fluids zur Erzeugung einer Schubkraftkomponente in einer beabsichtigten Weise verformt und/oder um eine den Anstellwinkel der Verdrängerfläche beeinflussende Schwenkachse (3) verschwenkt, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Verformung oder Verschwenkung der Verdrängerfläche (1) eine Rückstellkraft entgegenwirkt und die Höhe dieser Rückstellkraft durch ein Stellelement (13) beeinflusst ist und die Stellgröße des Stellelementes (13) von einer elektronischen Steuerung vorgegeben ist.
[2] Schlagflügel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerfläche (1) segelähnlich flexibel ausgeführt ist und zwischen einem Ausleger (2) und einem Rumpfholm (9) aufgespannt ist und sich der Rumpfhohn (9) an seiner der Flügelvorderkante (5) zugewandten Seite am Ausleger (2) oder an der Flügelbasis (18) in einem Gelenklager (14) abstützt und dass auf den Rumpfholm (9) eine Rückstellkraft einwirkt, wodurch die Verdrängerfläche (1) mit einer Vorspannung beaufschlagt wird und die Größe oder Wirkrichtung der Rückstellkraft durch ein Stellelement (13) verstellt werden kann.
[3] Schlagflügel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerfläche (1) segelähnlich flexibel ausgeführt ist und zwischen einem Ausleger (2) und der mitbewegten Flügelbasis (18) oder dem unbewegten Rumpf aufgespannt ist und sich der Ausleger (9) an seiner der Schwingachse (5) zugewandten Seite an der Flügelbasis (18) in einem Auslegergelenk (20) abstützt und dieses Auslegergelenk (20) eine Bewegung des Auslegers (2) in Richtung der Flügelinnenkante (7) ermöglicht und dass auf den Ausleger (2) eine Rückstellkraft einwirkt, die der Annäherung des Auslegers (2) an die Flügelinnenkante (7) entgegenwirkt und die Größe oder Wirkrichtung der Rückstellkraft durch ein Stellelement (13) verstellt werden kann.
[4] Schlagflügel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerfläche (1) segelähnlich flexibel und außerdem elastisch dehnbar ausgeführt ist und zwischen einem Ausleger (2) und einem Rumpfholm (9) aufgespannt ist und sich der Rumpfholm (9) an seiner der Flügelvorderkante (5) zugewandten Seite am Ausleger (2) oder an der Flügelbasis (18) in einem Gelenklager (14) abstützt und dass die Position des Rumpfholms relativ zur Flügelvorderkante durch ein Stellelement (13) vorgegeben wird,
[5] Schlagflügel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerfläche segelähnlich flexibel und außerdem elastisch dehnbar ausgeführt ist und zwischen einem Ausleger (2) und der mitbewegten Flügelbasis (18) oder dem unbewegten Rumpf aufgespannt ist und sich der Ausleger (9) an seiner der Schwingachse (5) zugewandten Seite an der Flügelbasis (18) in einem Auslegergelenk (20) abstützt und dieses Auslegergelenk (20) eine Bewegung des Auslegers (2) in Richtung der Flügelinnenkante (7) ermöglicht und dass dem Ausleger (2) ein Stellelement (13) zugeordnet wird, welches die Annäherung des Auslegers (2) an die Flügelinnenkante (7) bestimmt, wodurch die elastische Verdrängerfläche (1) mit einer durch das Stellelement (13)vorgegebenen Vorspannung beaufschlagt wird.
[6] Schlagflügel nach einem der vorangegengenen Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesteifte Flügelvorderkante oder der Ausleger auf der der Schwinachse zugewandten Seite über ein Gelenk verfügt, mit dem die Flügelvorderkante in Richtung der Schwingachse abgeknickt und somit die Flügelspannweite stark reduziert werden kann. |
Beschreibung
Verstellbarer Schlagflügel
Technisches Gebiet
[1] Die vorliegende Erfindung betrifft Schlagflügel, welche als Antriebsorgane eines
Fluggerätes oder zum Fördern eines Fluids dienen. Eine erfindungsgemäßer Schlagflügel ist in besonderer Weise als Antriebsorgan für schwebflugfähige, unbemannte Kleinfluggeräte geeignet.
Zugrundeliegender Stand der Technik
[2] Die zum Antrieb von schwebflugfähigen Kleinfluggeräten bisher überwiegend eingesetzten Luftschrauben werden in Bezug auf eine vorgegebene Luftdichte, Strömungsgeschwindigkeit und Umdrehungszahl ausgelegt. Diese Auslegung findet ihren konstruktiven Ausdruck u.a. in der gewählten Steigung, dem Profilschnitt, der Profilrotation (Verwindung) und der Definition des Profilabschlusses an den Flächenspitzen. Manche langsamlaufende Luftschrauben erreichen im Auslegungsbereich Gütegrade nahe #=0,9. Die Rotoren manntragender Hubschrauber erreichen etwa #=0,7. Propellerantriebe für andere Fluggeräte liegen üblicherweise unterhalb dieser Marke. Die regelmäßige Abweichung von den Auslegungsparametern im praktischen Flugbetrieb führt zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades und im ungünstigsten Fall zu einem plötzlichen Verlust eines erheblichen Teils der Schubkraft durch Strö- mungsabriss. Solche Abweichungen sind aufgrund der sehr unterschiedlichen Flugbedingungen bei Start, Landung, Schwebflug, Streckenflug, Steigflug und beim Flug in großen Höhen unvermeidlich. Insofern bilden Luftschrauben immer einen Kompromiss aus Wirkungsgrad und Anforderungsprofil. Weiterhin generiert die Rotation der Antriebsflächen von Luftschrauben gegen den Luftwiderstand an der Antriebsbasis ein den Luftwiderstandskräften proportionales, entgegengesetztes Drehmoment, welches durch effizienzmindernde Maßnahmen (Leitflächen, gegenläufige Antriebe, Zusatzantriebe etc.) ausgeglichen werden muss.
[3] Die Achslage einer rotierenden Luftschraube weist durch den gyroskopischen
Effekt ein Beharrungsvermögen auf, welches von der Massenverteilung und der Umdrehungsfrequenz der Luftschraube abhängt. Dieses Beharrungsvermögen behindert in erheblichem Maß die Manövrierbarkeit eines luftschraubengetriebenen Fluggeräts.
[4] Eine gute Manövrierbarkeit eines Fluggerätes wird neben anderen Faktoren entscheidend durch die Fähigkeit des Antriebs beeinflusst, die Schuberzeugung den Anforderungen der neu angenommenen Flugsituation schnell nachzuführen. Diese Anpassung kann bei einer Luftschraube durch eine Anpassung der Drehzahl oder durch eine Pitchverstellung erreicht werden, wobei die erste der beiden genannten Möglichkeiten in vielen Situationen zu träge reagiert und die zweite Möglichkeit eine aufwendige Konstruktion erfordert und überdies einen Kompromiss in Bezug auf den erzielbaren Gütegrad darstellt, da die Profilverwindung der Luftschraube bei der
Pitschverstellung nicht angepasst werden kann.
[5] Aus diesen Gründen lohnt sich die Suche nach alternativen Antriebskonzepten.
Hierbei gerät zunehmend der Schlagflügel als das in der Natur vorherrschende Antriebskonzept in den Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Schlagflügelantriebe können leise und energieeffizient Schub erzeugen. Gleichzeitig besitzen viele Vögel und Insekten eine in der Technik bisher unerreichte Manövrierfähigkeit und sind in der Lage den Flügelschlag und die Flügelgeometrie in Sekundenbruchteilen auf die Erfordernisse einer neuen Flugsituation einzustellen.
[6] Die instationäre Aerodynamik, welche für den überwiegenden Teil der Schuberzeugung bei Schlagflügeln verantwortlich gemacht wird, wirkt dort, wo sich die aerodynamischen Gegebenheiten - im Gegensatz zu der stationären Aerodynamik bei Luftschrauben oder starren Tragflächen - um einen Auftriebskörper innerhalb eines kurzen Zeitraums deutlich und im Falle des Schlagflügels periodisch verändern.
[7] Die Schuberzeugung im Rahmen der instationären Aerodynamik basiert darauf eine
Luftmasse in ein Wirbelpaket einzuschließen und achteraus abzuschleudern. Entscheidend für die Schuberzeugung ist dabei, wie groß die wirbelgebundene Masse ist, mit welcher Geschwindigkeit sie in bezug auf die schuberzeugende Fläche abgeschleudert wird und in welche Richtung die Luftmasse abschwimmt. Desto größer die Masse und Geschwindigkeit der im Wirbel gebundenen Luft und umso genauer die Zielrichtung desto größer ist der nutzbare Schub. Die Formung des Wirbels durch den Schlagflügel wird durch eine lange Reihe von Faktoren beeinflusst. Umso grösser daher konstruktiv die Variabilität dieser Faktoren während des Fluges gehalten wird, umso effizienter kann ein Schlagflügel in unterschiedlichen Flugsituationen Schub erzeugen.
[8] Eine der elementarsten Forderungen an einen schuberzeugenden Schlagflügel ist es, dass dieser in der Lage ist seinen Anstellwinkel der ständig wechselnden Bewegungsrichtung anzupassen. Für eine starre ebene Verdrängerfläche bedeutet dies, dass eine Rotationsachse vorhanden sein muss, um die der Flügel am Ende eines Halbschlages in die entgegengesetzte Richtung verschwenkt werden kann. Eine flexible Verdrängerfläche, welche wie das Segel eines Sportsegelbootes aufgehangen ist, benötigt keine solche Rotationsachse. Die Ausbauchung der Verdrängerfläche - und damit der Anstellwinkel - stellen sich automatisch unter der Last der wechselseitig einströmenden Luft ein.
[9] Ein Schlagflügel, welcher wie bei vielen Insekten nur zur Schuberzeugung bestimmt ist und nicht gleichzeitig eine Tragfläche für den Gleitflug bildet, besitzt idealerweise eine Profilverwindung, bei der der Anstellwinkel im Bereich der Schwingachse 0° beträgt und zur Flügelspitze hin immer weiter zunimmt. Der ideale Anstellwinkel in einem bestimmten Abstand zur Schwingachse ist dabei unter anderem abhängig von der Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Schlagflügel durch die Luft bewegt. Da die Winkelgeschwindigkeit sich bereits innerhalb einer Schlagphase
ständig ändert, fuhrt eine vorgegebene Ausbauchung, wie diese dem Segel eines Sportsegelbootes durch den Schnitt vorgegeben wird, bei einem Schlagflügel nicht zu optimalen Wirkungsgraden. Auch würde eine vorgegebene Ausbauchung zu einem geräuschvollen und materialbelastenden Umschlagen in den Umkehrpunkten fuhren. Aus diesem Grund werden flexible Verdrängerflächen von modernen Schlagflügeln eben geschnitten und zwischen einem Ausleger, welcher in der Regel gleichzeitig die Flügelvorderkante bildet, und einem zur Schwingachse meist parallel verlaufenden Rumpfhohn aufgespannt. Die Elastizität des Auslegers, des Rumpfhohns und in gewissen Grenzen des Verdrängerflächenmaterials sorgen für einen Anstellwinkel, welcher sich abhängig von dem einwirkenden Winddruck flexibel selbst einstellt und sich wunschgemäß von der Schwingachse zur Flügelspitze hin verwindet. Zusätzlich werden zur Aussteifung der Verdrängerfläche häufig Spreite verwendet, welche in der Nähe des Kreuzungspunktes zwischen Ausleger und rumpfhahem Holm beginnend, ähnlich wie bei einer Fischflosse, strahlenförmig zur äußeren hinteren Verdrängerflä- chenkante geführt und mit der Verdrängerfläche über die ganze Spreitlänge durch eine Klebung verbunden werden. Ein Beispiel für eine solche Konstruktion bildet das in den Niederlanden von der Universität Delft entwickelte Fluggerät "delfly".
[10] Eine interessante Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines
Schlagflügels wurde um das Jahr 1960 herum von Wilhelm Schmidt beschrieben. Sein auf Prinzipien des Schlagflügels beruhender "Wellpropeller" ordnet hinter einem starren Schlagflügel (Weller) eine Leitfläche (Entweller) an, welche die durch den Schlagflügel beschleunigten Wirbelmassen in die Schubrichtung umleitet.
[11] Die Manövrierbarkeit von schlagflügelgetriebenen Fluggeräten wird meist durch
Leitflächen gewährleistet, welche achtern hinter den Schlagflügeln im Schubstrahl angeordnet sind. Die so erzielte Manövrierfähigkeit wirkt jedoch im Vergleich zu natürlichen Vorbildern, welche während des Fluges die aerodynamischen Eigenschaften des Schlagflügels selbst verändern, noch recht unbeholfen. Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
[12] Die Verformung der flexiblen Verdrängerfläche und damit die Selbsteinstellung des
Anstellwinkels ist bei gegenwärtigen Konstruktionen während des Fluges nicht kontrollierbar. Sie ist unter anderem von den durch die Konstruktion vorbestimmten elastischen Eigenschaften der verwendeten Materialien, der Masseverteilung im Flügel, und der Schwingfrequenz abhängig.
[13] Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Problem besteht darin, die
Verformung flexibler Verdrängerflächen bzw. die Verschwenkung starrer Verdrängerflächen um eine den Anstellwinkel beeinflussende Rotationsachse während des Fluges mit dem Ziel zu beeinflussen, eine optimale Anpassung der Flügelformung und insbesondere des Anstellwinkels an die aktuelle Flugsituation zu ermöglichen, welche überdies mittels einer unabhängigen Verstellung an den Einzelflügeln eine verbesserte
Manövrierfähigkeit unter vollständigem oder teilweisem Verzicht auf zusätzliche Ruderflächen gestatten soll. Ein weiteres Problem ist es, die erzeugte Schubkraft bei gleichbleibender Frequenz und Amplitude der Schlagbewegung allein durch eine gezielte Beeinflussung der elastischen Eigenschaften des Flügels in weiten Grenzen zu variieren.
Technische Lösung
[14] Die Lösung dieses Problems besteht darin, die Nachgiebigkeit der Verdrängerfläche während der Schlagbewegung zu beeinflussen. Hierzu wird entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform eine flexible, segelähnliche Verdrängerfläche zwischen einem Ausleger des Schlagflügels, auf den die oszilierenden Antriebskräfte wirken, und einem in Richtung der beabsichtigten Schuberzeugung hinter dem Ausleger angeordneten Spannpunkt aufgespannt. Die relative Position des Spannpunktes zum Ausleger ist dabei veränderlich ausgeführt und ist während der hin- und hergehenden Bewegung von einem Stellelement beeinflussbar, welches die flexible Verdrängerfläche mit einer variablen Vorspannung beaufschlagt. Die von dem einwirkenden Fluiddruck hervorgerufene Verformung der flexiblen Verdrängerfläche ist damit von der Stellung des Stellelements abhängig. Eine Veränderung der Stellung bewirkt so auch eine Veränderung der Größe und/oder Richtung der erzeugten Schubkraft.
[15] Eine erfindungsgemäße Anordnung kann der Konstruktion der Hauptsegel
(Großsegel) von Sportsegelbooten mit Hochtakelung ähneln, dabei entspräche der Ausleger beim Schlagflügel dem Großmast beim Segelboot, die Flügelvorderkante dem Vorliek, die Flügelaussenkante dem Achterliek und die Flügelinnenkante dem Unterliek. Der Rumpfhohn beim Schlagflügel, welcher mit der Flügelinnenkante verbunden ist, entspräche dem Großbaum welcher beim Segelboot durch die Großschot gesteuert wird. Der Rumpfholm könnte wie der Großbaum eines Segelbootes in der Nähe des Kreuzungspunktes zwischen Flügelvorderkante und Flügelinnenkante beweglich gelagert sein. Wenn nun am freien, achternen Ende des Rumpf hohns die Flügelinnenkante in Richtung Rumpf gezogen wird erhöht sich die Spannung auf die flexible Verdrängerfläche und gleichzeitig verringert sich die Verwindung und damit der Anstellwinkel in einem gegebenen Abstand zur Schwingachse unter Last.
[16] Eine feste Voreinstellung des Rumpfholms, wie dies bei Segeln üblich ist, ergäbe beim Schlagflügel wenig Sinn, da sich die UmStrömungsgeschwindigkeit an der Verdrängerfläche ständig ändert. Außerdem schlägt ein nicht voll durchgespannter Flügel in der Umkehrregion geräuschvoll um. Eine erfindungsgemäße Schlagflügelanordnung gibt dem Rumpf holm keinen festen Abstand zum Rumpf vor, sondern beaufschlagt diesen mit einer einstellbaren Kraft, so als würde man die Großschot beim Segel als Gummiseil ausführen. Im Ergebnis baucht sich der Schlagflügel aus, wenn Fluiddruck auf ihn einwirkt. Im unbelasteten Zustand ist der Schlagflügel eben gezogen. Erhöht man nun die Kraft, die auf den Rumpfholm einwirkt, z. B. indem man diesen an einen
als Stellelement fungierenden Servomotor ankoppelt und zwischen Servomotor und Rumpfholm ein federnd wirkendes Bauteil einsetzt, erhöht sich gleichzeitig die Flügelvorspannung. Somit verringert sich bei einem gegebenen Fluiddruck die Verwindung des Flügels. Der Anstellwinkel in einem gegebenen Abstand zur Schwingachse vergrößert sich. Da eine Vergrößerung des Anstellwinkels (bis zu einer kritischen Grenze) mit einer Erhöhung der Schubentwicklung einhergeht, lässt sich so die Schubentwicklung des schlagenden Flügels erhöhen, ähnlich wie bei der Pitchverstellung beim Hubschrauberrotor, ohne dass hierzu die Schlagfrequenz oder Amplitude verändert werden müsste.
[17] Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der
Rumpfholm ebenfalls in seiner Position verändert werden, allerdings verhält er sich unter dem einwirkenden Fluiddruck nicht nachgiebig, d.h. dass das Stellelement keine Stellkraft sondern eine Stellposition vorgibt. Um die elastische Selbsteinstellung des Flügels dennoch zu ermöglichen ist die Verdrängerfläche selbst elastisch und zwischen Rumpfholm und Ausleger vorgespannt. Die Vorspannung der Verdrängerfläche wird dabei durch die einstellbare Position des Rumpfhohns vorgegeben.
[18] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die
Flügelinnenkante fest mit der Schlagflügelbasis verbunden, der bewegliche Rumpfholm entfällt. Stattdessen ist der Ausleger, welcher die Flügelvorderkante trägt (oder bildet) in der Nähe des Kreuzungspunktes zwischen Flügelvorderkante und Flügelinnenkante in einer Weise gelagert, die eine Annäherung der Flügelvorderkante an die Flügelinnenkante zulässt, d. h. den aufgespannten Winkel zwischen diesen verringert. Analog zu den beiden Konfigurationen zur Vorspannungsbeeinflussung des Schlagflügels durch den Rumpfholm kann hier der Ausleger entweder mit einer variablen Spannkraft beaufschlagt werden, oder diesem wird eine verstellbare Positioniereinrichtung zugeordnet, welche mit einer elastischen Verdrängerfläche kombiniert wird. Bei einer Variante dieser Ausführungsform, lässt sich der Flügel für den Transport an dem selben Gelenk, das diese Winkeländerung ermöglicht, einklappen, so dass das Fluggerät in der Art eines Regenschirms zusammengefaltet werden kann.
[19] Elastische Verdrängerflächen können aus einer gummielastischen Membran gefertigt sein. Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die elastische Verdrängerfläche dagegen aus einem festeren Material, wie z.B. Papier oder einer Metallfolie, welche zwischen Ausleger und Rumpfhohn aufgespannt ist und in der Art eines japanischen Faltfächers in Falten gelegt ist, wobei der zusammengefaltete Zustand die entspannte Ausgangsstellung bildet. Um die Verdrängerfläche aufzufächern muss der Rumpfholm sich vom Ausleger entfernen. Die gefaltete Bauart elastischer Verdrängerflächen ist in den Flügelaufbauten vieler Insektenarten wiederzufinden und bietet den Vorteil einer in Richtung der Flügelspitze steifen Konstruktion bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht. Diese Vorteile werden jedoch durch eine strömungstechnisch ungünstigeren Oberfläche abgeschwächt.
[20] Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung ist die
Verdrängerfläche in der Art eines Kolibriflügels aufgebaut und besteht aus: mehreren federartigen Flächenelementen, welche in Längsrichtung ausreichend steif sind um den auftretenden Luftkräften und Trägheitskräften ohne schädliche Verformung zu widerstehen und an ihrem rumpfzugewandten Ende eine Ankopplung besitzen mit der sie an der Schlagflügelbasis angebunden sind und über die die Antriebskräfte eingeleitet werden können, und
einem rumpfnahen Sockelelement an das die federartigen Flächenelemente fächerartig angekoppelt sind, und
• einer elastischen Verbindung zwischen den federartigen Flächenelementen, welche das Bestreben hat, die Flächenelemente über- bzw. ineinander zu schieben und so die wirksame Verdrängerfläche zu. verringern, und
• einem Stellelement, welches in der Lage ist eine Auffacherung dieses Verbundes und somit eine Vergrößerung der wirksamen Verdrängerfläche entgegen den von der elastischen Verbindung ausgehenden Kräften zu bewirken.
[21] Eine Profilverwindung unter Last stellt sich ein, wenn das die Flügelvorderkante bildende federartige Flächenelement den einwirkenden Fluidkräften mehr Festigkeit in Längsrichtung entgegensetzt als die nachfolgend angeordneten Flächenelemente und die Aufhängung oder innere Elastizität der federartigen Flächenelemente eine Verdrehung bzw. Verwindung entlang der Längsachse zulässt. Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform liegen die Flächenelemente nicht wie bei einem Vogel übereinandergeschichtet, sondern sind entlang der Längsachse in mehrere Abschnitte geteilt, welche im überlappungsbereich wechselseitig unter und über dem angrenzenden Flächenelement liegen. Auf diese Weise ergibt sich eine Art Verzahnung zwischen den federartigen Flächenelementen, welche die Flächen- haftigkeit des Elementverbundes auch dann erhält, wenn bei einem Vogel der einwirkende Fluiddruck zu einem Abheben einer Feder von der daruntergeschichteten Feder führen würde.
[22] Entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Verdrängerfläche aus mehreren festen dreieckigen Flächenelementen zusammengesetzt, welche an ihren angrenzenden Kanten durch Gelenke miteinander verbunden sind und im ebenen Zustand gemeinsam eine Fläche von der Form einer Viertelellipse bilden, bei der die längere gerade Seite der Viertelellipse die Flügelvorderkante bildet. Dabei ist lediglich das die Flügelvorderkante bildende Flächenelement mit der angetriebenen Flügelbasis verbunden, alle folgenden Flächenelemente hängen an diesem vorderen Element. Auf das unterste Element wirkt eine (Zug-)Feder ein, welche das letzte, die Flügelinnenkante bildende Flächenelement in Richtung der Schwingachse spannt. Ein Stellelement verstellt die Federkraft.
Beschreibung der Zeichnungen
[23] Bezugszeichenliste
1 Verdrängerfläche
2 Ausleger
3 Schwenkachse
4 Schwingachse
5 Flügelvorderkante
6 Flügelaußenkante
7 Flügelinnenkante
8 Spreit
9 Rumpfhohn
10 Spannseil
11 Umlenkrolle
12 Zugfeder
13 Stellelement
14 Gelenklager Rumpfholm
15 Schwenklager
16 Steifes Vorderkantensegment
17 Innenkantenverstärkung
18 Flügelbasis
19 Angriffspunkt Spannseil
20 Auslegergelenk
21 Gelenklager Flügelinnenkante
22 Steuerstange
23 Starres Verdrängerflächensegment
24 Segmentgelenk
25 Starre Verdrängerfiäche
26 Federartige Flügelvorderkante
27 Federartiges Flächensegment
28 elastischer Federsockel
29 Kugelgelenk
30 Flügelspitze
31 Lagerzapfen
[24] Fig. 1 zeigt einen Schlagflügel mit einem Ausleger 2 an dem eine flexible Verdrängerfiäche 1 befestigt ist, welche in Längsrichtung durch Spreite 8 verstärkt ist. Die Flügelvorderkante 5 ist durch zwei aufgeklebte Bleche ausgesteift. Das so gebildete steife Vorderkantensegment 16 ist über zwei Schwenklager 15 mit dem Ausleger 2 verbunden. Schwingt der Schlagflügel um die Schwingachse 4 hin und her baucht sich die flexible Verdrängerfläche unter dem einwirkenden Fluiddruck aus. Das an den Schwenklagern 15 beweglich aufgehangene steife Vorderkantensegment 16 schwenkt
dabei entgegen der Bewegungsrichtung des Schlagflügels entlang der Schwenkachse 3 nach hinten aus und unterstützt so die Ausbauchung der Verdrängerfläche 1. Die Flügelinnenkante 7 ist an den Rumpf hohn 9 angeschlagen, welcher in der Nähe des Kreu- zungspunktes zwischen Flügelinnenkante 7 und Flügelvorderkante 5 mittels eines Gelenklagers 14 an der Flügelbasis befestigt ist und an seinem entgegengesetzten Ende von einem Spannseil 10 in Richtung Schwingachse 4 gezogen wird. Das Spannseil 10 ist über eine Umlenkrolle 11 durch den unteren Lagerzapfen 31 hindurchgeführt und an einer Zugfeder 12 befestigt. Die Vorspannung der Zugfeder 12 und damit die Vorspannung der Verdrängerfläche 1 ist über einen als Stellelement 13 fungierenden Servomotor einstellbar. Dies führt dazu, dass bei einer Verringerung der eingestellten Vorspannkraft der Verdrängerfläche 1 auch der sich einstellende Anstellwinkel verringert. Entsprechend einer weiteren (nicht dargestellten) Konfiguration könnte die Verdrängerfläche 1 selbst aus einem Elastomer wie z. B. Kautschuk oder Polyurethan bestehen. Die Zugfeder 12 wäre hier nicht mehr erforderlich. Somit führt nicht nicht mehr die Nachgiebigkeit des Rumpfholms 9 unter dem Einfluss sich verändernder Strömungsbedingungen zu einer Veränderung der Form der Verdrängerfläche 1 sondern die innere Elastizität der Verdrängerfläche 1 selbst, welche über die Verstellung des Rumpfholms 9 lediglich mit einer die Vorspannung beeinflussenden veränderlichen Position gesteuert wird. [25] Fig. 2 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung bei der die parallel zur
Schwingachse 4 verlaufende Flügelinnenkante über ein Gelenklager 21 mit der Schlagflügelbasis verbunden ist. Der bewegliche Rumpf holm entfällt. Die Flügelvorderkante 5 ist wie im vorbeschriebenen Ausfuhrungsbeispiel durch zwei aufgeklebte Bleche ausgesteift. Das so gebildete steife Vorderkantensegment 16 ist über zwei Gelenklager 15 mit dem Ausleger 2 verbunden. Anders als im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Ausleger 2 jedoch in der Nähe des Kreuzungspunktes zwischen Flügelvorderkante 5 und Flügelinnenkante 7 mittels eines Auslegergelenks 20 in einer Weise gelagert, die eine Annäherung der Flügelvorderkante 5 an die Flügelinnenkante 7 zulässt, d. h. den aufgespannten Winkel zwischen diesen beiden verringert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Ausleger - und damit die Verdrängerfläche - über eine Zugfeder vorgespannt. Die Vorspannnung der Feder wird wiederum von einer Steuerstange gesteuert, welche durch den unteren Lagerzapfen 31 hindurchgeführt ist und dort mit einem (nicht dargestellten) Stellelement verbunden ist. Bei einer sinusförmigen Schwingbewegung wird die Flügelspitze 30 bei dieser Ausführungsform eine achtförmige Bahn beschreiben. Diese ist um flacher desto größer die Vorspannung gewählt ist, die auf die Verdrängerfläche 1 einwirkt. Analog zu der zweiten Konfigurationen zur Vorspannungsbeeinflussung des Schlagflügels durch einen lageveränderlichen Rumpfholm (Fig. 1) kann hier die dargestellte Zugfeder 12 zwischen Steuerstange 22 und Ausleger 2 entfallen, wenn eine elastische Verdrängerfläche 1 eingesetzt wird. Der Ausleger 2 verändert dabei seine Winkellage bei
gleichbleibender Stellung der Steuerstange 22 während einer Schlagschwingung nicht, die Flügelspitze 30 bewegt sich in einer Ebene.
[26] Fig. 3 zeigt die in Fig. 4 zuerst beschriebene Ausfuhrungsform, jedoch aus einer anderen Perspektive. Der Schlagflügel ist hier in der Bewegung von links nach rechts beim Mittendurchgang dargestellt, d. h. der Winkelposition in welcher der Schlagflügel bei einer sinusförmigen Schlagschwingung die größte Winkelgeschwindigkeit annimmt. Deutlich sichtbar ist die Verwindung der Verdrängerfläche 1 von der Flügelinnenkante 7 zur Flügelspitze 30. Der Ausleger 2 ist aus seiner in Ruhestellung horizontalen Stellung durch den einwirkenden Fluiddruck nach unten in Richtung Flügelinnenkante 7 gezogen, das steife Vorderkantensegment 16 und die Innenkantenverstärkung 17 sind nach links verschwenkt.
[27] Fig. 4 zeigt dieselbe Ausführungsform wie Figur 3. In dieser Darstellung ist der
Ausleger 2 für den Transport oder zur Reduzierung der Windangriffsfläche am Auslegergelenk 20 nach unten geklappt. Das Klappen des Auslegers kann manuell oder durch das hier nicht dargestellte Stellelement 13 automatisch erfolgen. Das Stellelement 13 schiebt zu diesem Zweck die Steuerstange 22 tief in die Flügelbasis 18 ein.
[28] Fig. 5 zeigt drei Ansichten eines erfindungsgemäßen Schlagflügels (beim Mittendurchgang), dessen Verdrängerfläche 1 aus starren Flächensegmenten 23 besteht, welche mittels scharnierartiger Gelenke aneinandergesetzt und mit einem ebensolchen Gelenk an das steife, schwenkbar gelagerte Vorderkantensegment 16 angehängt sind. Die variable Vorspannung wirkt durch eine Zugfeder 12 auf die Verdrängerfläche 1, welche am von der Flügelvorderkante 5 aus gesehen letzten Flächensegment 23 angreift. Die Vorspannung der Verdrängerfläche wird durch ein an der Zugfeder 12 angreifendes Stellelement variiert.
[29] Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Schlagflügel mit einer starren ebenen Verdrängerfläche 1, welche in einem Schwenklager 15 gelagert ist, durch welches eine Schwenkbewegung zur Erzeugung des für die Fluidkrfterzeugung erforderlichen Anstellwinkels ermöglicht wird. Eine Zugfeder 12 ist an dem schwenkbaren Teil des Flügels so befestigt, dass die auf die Verdrängerfläche 1 während der Schlagbewegung einwirkenden Fluidkräfte eine Selbsteinstellung des Anstellwinkels bewirken. Dabei ist der sich einstellende Anstellwinkel um so größer, desto stärker die Feder durch das Stellelement 13 vorgespannt wird.
[30] Fig. 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Schlagflügel mit übereinandergeschichteten federartigen Flächensegmenten 27, welche sich fächerartig aufspreizen lassen um die wirksame Verdrängerfläche 1 zu vergrößern. Der Aufbau ähnelt der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform mit einer elastischen Verdrängerfläche 1, welche zwischen Ausleger 2 und Rumpfholm 9 aufgespannt ist. Bei der hier dargestellten Ausfuhrungsform bildet das zwischen Ausleger 2 und Rumpfholm 9 aufgespannte Bauelement keinen Teil der wirksamen Verdrängerfläche 1, sondern bildet einen ela-
stischen Federsockel 28, in welche die federartigen Flächenelemente 27 mit ihrem Schaft eingesteckt sind. Das Stellelement 13 gibt über das Spannseil 10 die Vorspannung des elastischen Federsockels 28 vor. Eine höhere Vorspannung bewirkt dabei eine größere Aufspreizung der federartigen Flächensegmente 27 und somit ein größere wirksame Verdrängerfläche 1. Durch die Lagerung des Auslegers 2 in dem Schwenklager 15 und der Lagerung des Rumpfhohns 9 in einem Kugelgelenk ist ein Heraustreten der federartigen Flächensegmente unter dem einwirkenden Fluiddruck aus der von Schwenkachse 3 und Schwingachse 4 aufgespannten Ebene möglich. Hierdurch soll, wie in den vorbeschriebenen Ausführungsformen, eine Selbsteinstellung der Flügelform mit einem auftriebsfördernden Anstellwinkel ermöglicht werden.
[31] Fig. 8 zeigt die selbe Ausführungsform wie Figur 7 jedoch mit voll aufgespreiztem
Federfacher.
Gewerbliche Anwendbarkeit
[32] Ein erfindungsgemäßer Schlagflügel kann in Fluggeräten eingesetzt werden, deren
Aufgabe es ist, Güter zu transportieren, Beobachtungszwecken zu dienen oder Missionen auszuführen.