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Patent Searching and Data


Title:
AIRCRAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/062591
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an engine-powered aircraft (1) with a propeller drive system. To allow the aircraft to take off and land vertically, it is provided with a front wing (2) mounted in a lower zone, and with a rear wing (3) mounted in an upper zone. The angles of attack ($g(a)¿1?, $g(a)¿2?, $g(a)¿3?) of the corresponding wings (2, 2A, 2B; 3) can be individually adjusted with relation to the imaginary axis of the airstream produced by the drive means during flight operation. The inventive arrangement and design of the wings allows for an effective lifting power (R) of the airstream produced by the drive.

Inventors:
May, Michael (Industriestrasse 16, Zug, CH-6300, CH)
Application Number:
PCT/CH2001/000109
Publication Date:
August 30, 2001
Filing Date:
February 20, 2001
Export Citation:
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Assignee:
May, Michael (Industriestrasse 16, Zug, CH-6300, CH)
International Classes:
B64C3/38; B64C29/00; B64C39/08; (IPC1-7): B64C29/00; B64C3/38; B64C39/08
Foreign References:
US5098034A
DE3819145A1
FR2067113A7
US5320306A
DE4337850A1
US5098034A
Attorney, Agent or Firm:
Seehof M. (Ammann Patentanwälte AG Bern, Schwarztorstrasse 31, Bern, CH-3001, CH)
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Claims:
Patentansprüche
1. Motorflugzeug, mit Tragflächen, einer mindestens eine Luftschraube umfassenden Antriebseinrichtung und Mitteln zum senkrecht Starten und Landen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum senkrecht Starten und Landen eine vordere Tragfläche (2 ; 15,16), die in einem unteren Bereich, und eine hintere Tragfläche (3 ; 17,18), die in einem oberen Bereich des von der Antriebseinrichtung erzeugten Luftstromes angeordnet sind, enthalten, wobei die Anstellwinkel (a 22, a3, a) der jeweiligen Tragflächen (2, 2A, 2B ; 3 ; 15,16,17,18) in Bezug auf die gedachte Achse des von der Antriebseinrichtung erzeugten Luftstromes auch während des Fliegens individuell verstellbar sind.
2. Motorflugzeug nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlmantelbereich (8) des von der Auftriebseinrichtung erzeugten Luftstromes an den Tragflächen (2,2A, 2B ; 3 ; 15,16,17,18) Seitenflügel (9) im wesentlichen senkrecht zur Tragflächenachse angeordnet sind.
3. Motorflugzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand der Seitenflügel (9) an der Vorderseite und Oberseite des Tragflächenprofiles mindestens 0,5 der Profilhöhe (D) beträgt und an der Unterseite grösser ist und vorzugsweise 2D beträgt.
4. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Tragfläche (2) aus zwei Teiltragflächen (2A, 2E ; 15, 16) gebildet ist, bei denen die jeweiligen Anstellwinkel (a1 a) individuell veränderbar sind.
5. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Tragfläche (3) aus zwei Teiltragflächen (17,18) gebildet ist, bei denen die jeweiligen Anstellwinkel (a3 ; o. individuell veränderbar sind.
6. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastverteilung vorzugsweise in derselben Grössenordnung auf die beiden Tragflächen (2, 2A, 2B ; 3 ; 15, 16,17,18) vorgesehen ist.
7. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftschraube (5) im Bereich ausserhalb der Hälfte ihres Aussendurchmessers der Luftmasse eine mindestens 15% höhere Axialgeschwindigkeitskomponente vermittelt als innerhalb dieses Bereiches.
8. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftschraubenblätter radial endende Blattenden aufweisen, die mit Seitenflügeln (12) versehen sind.
9. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung des lenkbaren Bugrades (10) als Seitenleitwerk ausgebildet ist.
10. Motorflugzeug nach einem der Ansprüche l bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Heckräder (13) aufweist, die von hinten gesehen nahe beim Schwerpunkt (CG) angeordnet sind.
11. Motorflugzeug mit mindestens einer vorne angeordneten Luftschraube (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Querruder, Seitenruder und Höhenruder im Bugbereich aufweist.
Description:
Flugzeug Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Flugzeug mit Mitteln zum senkrecht Starten und Landen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

Aus der US-A-5 098 034 ist ein Flugzeug mit Mitteln zum senkrecht Starten und Landen bekannt, wobei die Mittel vor allem nach hinten gerichtete Propeller, sogenannte Druckpropeller, enthalten, die an festen Entenflügeln aufgehängt sind und einen etwa in der Mitte des Flugzeuges angeordneten Flügel anblasen, der um seine Längsachse drehbar ist. Hinten befinden sich ein Horizontaler und ein vertikaler Stabilisator mit Höhenruder. Dieses Prinzip mit dem Druckpropeller gibt nur Auftrieb für den Flügel in der Mitte, da sich die Entenflügel vor dem Propeller befinden und daher keinen Auftrieb erhalten. Somit ergibt sich ein insgesamt kleiner Wirkungsgrad.

Der Entwicklungsstand von Flugzeugen ist ausserordentlich hoch und revolutionäre Fortschritte sind kaum mehr zu erwarten. Es ist jedoch immer noch wünschenswert, relativ teure Helikopter durch einfachere Flugzeuge zu ersetzen, die ähnliche Eigenschaften bezüglich senkrecht Starten und Landen aufweisen, und somit nach Massnahmen zu suchen, um den Bau von Flugzeugen mit cuten Senkrechtstart-und -landeeigenschaften mit relativ bescheidenem Aufwand sicher und praxisnah zu ermöglichen.

Es ist von diesem Stand der Technik ausgehend Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Senkrechtstart-und Landeeigenschaften von Motorflugzeugen zu erhöhen und den Wirkungsgrad des Antriebs zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit dem Flugzeug gemäss Patentanspruch l gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes Flugzeug in Draufsicht, Fig. 2 zeigt das Flugzeug von Figur 1 in Seitenansicht, Fig. 3 zeigt das Flugzeug von Figur 1 in Frontansicht, Fig. 4 zeigt ein zweimotoriges Flugzeug gemäss Erfindung in einer Sicht von vorne, Fig. 5 zeigt das Flugzeug von Fig. 4-n Seitenansicht, und Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante zu Fig. 5.

Die Figuren zeigen schematisch ein Flugzeug 1. Eine vordere Tragfläche 2 ist aufgeteilt in eine rechtsseitige 2A und eine linksseitige 2B Teiltragfläche. Eine hintere Tragfläche 3 ist hier einteilig dargestellt, doch kann auch die hintere Tragfläche aus zwei Teiltragflächen gebildet sein. Die Tragflächen sind mit dem Flugzeugrumpf 4 derart verbunden, dass ihr jeweiliger Anstellwinkel al, a2, a ; auch während des Fluges verstellbar ist. Die Anstellwinkel u u2 a3der Tragflächen sind in Fig. 2 gross, ca. 14°-16°, und in Fig. 3 gleich 0° dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich die Anzahl der Anstellwinkel u nach der Anzahl der Trag-oder Teiltragflächen richtet.

Eine Luftschraube 5 wird von einem nicht dargestellten Motor bzw. einer Gasturbine angetrieben und erzeugt einen Luftstrom, mit Pfeilen 6 bezeichnet, siehe Fig. 2. An einem

Propellerblatt sind verschieden lange Pfeile 6 als Luftgeschwindigkeitsvektoren bezeichnet. Im äusseren Durchmesserbereich des Propellerblattes ist die der Luft vermittelte Strömungsgeschwindigkeit mindestens 15% höher als innerhalb dieses Bereichs. An den radial ausgebildeten Blattenden sind Seitenflügel 12 angeordnet.

Der von einer Antriebseinrichtung, wie zum Beispiel ein von einem Motor angetriebener Propeller, erzeugte Luftstrom kann im wesentlichen wie ein durch eine Mündung austretender Luftstrahl betrachtet werden, wobei der Durchmesser der Mündung dem Propellerdurchmesser entspricht. Dieser Luftstrahl hat einen Kernbereich 7, der sich stromabwärts mit einem Winkel von ungefahr 6° verjüngt und etwa eine Länge des 4 bis 4,7 fachen des Mündungsdurchmessers aufweist. Gleichzeitig weist derselbe Luftstrahl einen ebenfalls kegelförmigen Mantelbereich auf, der sich mit etwa 12° zur Strahlachse ausbreitet und mit Strahlmantelbereich 8 bezeichnet wird.

Bei Senkrechtstart und-landung ist der genannte Luftstrom die einzige wesentliche Luftbewegung und muss daher optimal zur Gesamtauftriebserzeugung genutzt werden.

Die vordere Tragfläche 2 ist in einem unteren Bereich und die hintere Tragfläche 3 in einem oberen Bereich des Luftstromes angeordnet. Im Strahlmantelbereich 8 sind an den Tragflachenenden Seitenflügel 9 fest angeordnet, wodurch bei hoch belasteten Tragflächen der Auftriebsbeiwert erheblich vergrössert wird. Eine ungefahr gleichmässige Lastverteilung auf die vordere und hintere Tragfläche bedingt eine grössere Fläche der hinteren Tragfläche, da die umströmende Luft im Mantelbereich langsamer ist als im Kernbereich.

Die Spannweite der Tragflächen ist nicht auf den Strahlmantelbereich 8 beschränkt und kann je nach Typ und Verwendung auch grösser sein, wie dies beispielsweise aus den Figuren 3 und 4 hervorgeht.

Zusammen mit den vorderen Teiltragflächen kann das von der Luftschraube ausgeübte Drehmoment weitgehend ausgeglichen werden, indem ihre Wirkung ähnlich derjenigen nachgeschalteter Leitschaufeln ist. Die Tragflächen können in bekannter Weise auch sogenannte Vorflügel und Heckhilfsflügel zur Vergrösserung der Auftriebsbeiwerte aufweisen. Auch können unter anderem Bremsklappen und Querruder vorgesehen sein.

Die Abstützung 10 eines lenkbaren Bugrades ist strömungsgünstig ausgebildet und kann als Seitenleitwerk benutzt werden. In Abweichung von herkömmlichen Flugzeugen sind die Heckräder 13 mit der Aufhängung gemäss Figur 2 gegen die Mitte hin angeordnet. Die Unterseite des Flugzeugendes ist der Abhebe-und Senkrechtstartbewegung angepasst und nach oben abgewinkelt. In Figur 2 sind ferner schematisch der Boden G beim normalen Start und GT beim ungefähr senkrechten Abheben eingezeichnet.

In Figur 2 ist ferner der Schwerpunkt CG eingezeichnet, an dem die massgebenden Kräfte, der Propellerschub PT und der Tragflächenauftrieb WL wirken, um die Resultante R zu ergeben, die das Flugzeug hebt.

Die Erfindung ist nicht auf ein einmotor ges Flugzeug beschränkt, wie oben beschrieben, sondern gilt auch für mehrmotorige Flugzeuge. In den Figuren 4-6 ist ein zweimotoriges Flugzeug beschrieben, wobei das Flugzeug 14 zwei Antriebe mit Luftschrauben 5 aufweist und die vorderen Tragflächen 15 und 16 je im unteren Bereich und die hinteren

Tragflächen 17 und 18 je im oberen Bereich des Luftstromes angeordnet sind und die gleichen Eigenschaften und Wirkungsweise wie die anhand der Figuren 1-3 beschriebenen Tragflächen besitzen. Die Spannweite der Tragflächen ist hier grösser als der Strahlmantelbereich, doch sind die Seitenflügel auch hier im äusseren Bereich des Strahlmantels 8 angeodnet.

Zwischen den Tragflächen ist ein Rumpf 19 angeordnet, der wie herkömmlich gestaltet und ausgebaut sein kann. In Figur 5 befinden sich die Motoren relativ vorne beim Bug, während sich die Gasturbinen 20 von Flugzeug 21 gemäss Figur 6 nahe bei den vorderen Tragflächenenden befinden. Die Bug-und Heckräder können entsprechend denjenigen gemäss den Figuren 1-3 gestaltet sein.

Die im folgenden beschriebenen Massnahmen können zufolge ihres jeweils generellen Charakters bei unterschiedlichen Flugzeuggrössen und bei ein-oder mehrmotoriger Auslegung angewandt werden.

Zur Verbesserung der Steig-und S-nkfähigkeit werden nachfolgend mehrere Massnahmen beschrieben, durch welche die Auftriebskräfte bei vorgegebener Antriebsleistung erhöht werden und/oder eine wesentliche Verringerung des Gewichtes des Flugzeuges erreicht wird. Dabei weist das beschriebene Flugzeug folgende Eigenschaften auf : 1. Wenn die vom Luftstrahl beaufschlagten Tragflächen auf die Strahlachse bezogene Anstellw nkel ui u2 u « unerhalten, die i-Bereich fur einen maximale-Auf riebsbeiwert (Ca) liegen, wird dadurch auch eine hohe Auftriebskraftkomponente und somit Auftriebskraft erzeugt.

Für den Zustand des Reisefluges werden diese Anstellwinkel verkleinert bis auf Werte, bei welchen z. B. der beste Gleitwinkel ermöglicht wird.

Indem die vordere und hintere Tragfläche höhenversetzt sind, kann ein grösstmöglicher Teil des Luftstrahls zur Auftriebserzeugung genutzt werden.

2. Wenn die Lastverteilung auf die beiden genannten Tragflächen näherungsweise in derselben Grössenordnung vorgesehen ist, ergibt diese Auslegung ein bei vorgegebener Festigkeit minimales Flugzeuggewicht.

3. Indem vorgesehen ist, im Strahlmantelbereich 8 des von der Antriebseinrichtung erzeugten Luftstromes an den Tragflächen sogenannte Seitenflügel 9, die auch als "Winglets"bezeichnet werden, im wesentlichen senkrecht zur Tragflächenachse anzuordnen, ergibt sich, insbesondere bei Start-und Landebedingungen, eine ganz wesentliche Erhöhung der Auftriebskraft, besonders bei kurzer Spannweite und grosser Flugelprofillänge.

4. Die Wirkung der Seitenflügel ist besonders günstig, wenn vorgesehen ist, dass der Überstand der Seitenflügel an der Vorderseite und Oberseite des Tragflächenprofiles mindestens 0,5 der Profildicke D beträgt und an der Unterseite grosser ist und vorzugsweise 2D beträgt.

5. Eine gewichtssparende Bauweise ergibt sich, wenn vorgesehen ist, dass die vordere Tragfläche durch eine linke und eine rechte Teiltragfläche 2A, 2B gebildet ist, bei denen die jeweiligen Anstellwinkel a-, a2 individuell veränderbar sind.

Da die vordere Tragfläche relativ nahe hinter dem Propeller angeordnet ist, kann eine leistungsabhängige Ansteuerung der Querruderfunktion überlagert sein, so dass das Drehmoment des Antriebs auch ohne Verwendung zweier gegenläufig drehender Propeller weitgehend ausgeglichen werden kann und gleichzeitig die Funktion eines Höhenruders und Querruders gewährleistet ist.

6. Eine weitere gewichtssparende Bauweise ergibt sich, wenn vorgesehen ist, dass die Abstützung des lenkbaren Buggrades vergleichbar einem Seitenleitwerk (Seitenruder) ausgebildet ist und dadurch zwei Funktionen übernehmen kann.

7. Bezüglich der Antriebseinrichtung ist es bekannt, dass bei vorgegebener Antriebsleistung die erzielbare Schubkraft dann am grössten wird, wenn ein möglichst grosser Strahl mit möglichst kleiner Geschwindigkeit angestrebt wird. Man wird daher im Falle eines Mehrblattpropellers einen grossen Propellerdurchmesser wählen mit während des Fluges verstellbaren Anstellwinkeln der Propellerblätter.

Eine weitere Verbesserung der Schubkraft eines Propellers bzw. einer Luftschraube kann erreicht werden, indem vorgesehen ist, dass die mindestens eine Antriebseinrichtung eine Luftschraube aufweist, die im Bereich ausserhalb der Hälfte ihres Aussendurchmessers der Luftmasse eine mindestens 15% höhere Axialgeschwindigkeitskomponente vermittelt als innerhalb dieses Bereiches.

Eine weitere Verbesserung, besonders des Startschubes, d. h. im Bereich der Startle stung der Antriebseinheit, wird erreicht, wenn die Luftschraubenblätter radial endende Blattenden 12 aufweisen, die mit Seitenflugeln wie die Tragflächen versehen sind.

Für Senkrechtstart und/oder-landung wird die Längsachse des Flugzeuges, die im wesentlichen parallel zur Propellerachse und somit zur gedachten Achse des Luftstrahles, bzw. bei zweimotorigen Ausführungen der Luftstrahlen ist, in eine Winkellage zur Horizontalen gebracht, bei welcher nach Ausgleich aller Momente die Resultierende aller Kräfte vertikal nach oben zeigt, wobei die Anstellwinkel der Tragflächen in Bezug auf die Flugzeuglängsachse grösser sind als bei Normalflugzustand.

Um den Anstellwinkel einer Tragfläche auch während des Flugzustandes zu verändern, gibt es verschiedene Möglichkeiten von Verstellmassnahmen und-mitteln. In vielen Anwendungsmöglichkeiten wird vorgesehen, die Lagerung und Befestigung des Hauptholmes der Tragfläche entweder verdrehbar oder kippbar auszubilden, und in fester Verbindung, mit einer Verdreh-oder Kippeinrichtung, die vom Piloten angesteuert oder betätigt werden kann, bedarfsgemäss einzustellen. Wenn die Verdrehungsachse in den Koordinaten des Neutralpunktes der Momente des gewählten Flügelprofiles der Tragfläche gelegt wird, dann sind die Verstellkräfte minimal.

Das erfindungsgemässe Flugzeug kann in verschiedenen Ausführungen auch noch Querruder, Seitenruder und Höhenruder im Bugbereich aufweisen.

Aus obigem ergeben sich zusammenfassend folgende Flug-und Steuermöglichkeiten : a) Lenkung mittels dem Bugfahrwerk, wie vorgehend beschrieben, oder einem an sich bekannten Heckleitwerk. b) Querruderwirkung mittels der individuell verstellbaren vorderen Tragflächen oder mittels an sich bekannten

Querrudern, die an mindestens einer der beiden Tragflächen angeordnet sein können. c) Höhenruderwirkung mittels simultaner Verstellung beider Anstellwinkel der vorderen Tragflächen oder mittels simultaner, d. h. gleichgerichteter Verstellung der Querruderanstellwinkel, oder eines an sich bekannten Höhenleitwerks. d) Normalflug dadurch, dass die Anstellwinkel der Tragflächen in bezug auf die Flugzeuglängsachsen klein bleiben. e) STOL durch Einstellen der Anstellwinkel der Tragflächen auf grössere Werte, z. B. auf 8-12 °, unter Umstanden bis an die Abrissgrenze, die je nach Tragflügelprofil bis zu 18° betragen kann. Für den anschliessenden Geradeausflug wird der Bereich mit dem günstigsten Gleitwinkel gewählt. f) VTOL : Diese im allgemeinen schwierigste Art des Startens und Landens benötigt Übung und Konzentration seitens des Piloten. Vorzugsweise wird mittels Teillast der Antriebseinheit und mittels auf hohen Standschub eingestelltem Propeller, falls es sich um einen verstellbaren Propeller handelt, mit festgebremstem Hauptfahrwerk zunächst durch Einwirkung auf das Höhenruder die Flugzeuglängsachse so angestellt, dass die Resultante R senkrecht nach oben gerichtet wird und die Achse dieser Resultante nahe beim Schwerpunkt CG des Flugzeugs liegt und ein Momentenausgleich, z. B. durch das Höhenruder bewirkbar ist.

Dabei ist der sogenannte Bodeneffekt besonders zu berücksichtigen, da hierbei nicht alleine nu-die Auftriebskomponente vergrössert wird, sondern auch dementsprechend die Wirkung der Höhen-und Querruder.

Beim erfindungsgemässen Motorflugezug kann es sich um Flugzeuge in Normalgrösse oder um Flugzeuge im reduzierten Masstab handeln.