Strömungssteuerungsbauelement

Die Erfindung betrifft ein Strömungssteuerungsbauelement zur Beeinflussung von Strömungen an umströmten Bauteilen.

Bei Luft- und Wasserfahrzeugen, aber auch bei Versuchsanordnungen, wie beispielsweise Windkanälen, ist es oft erforderlich, Strömungen zu steuern oder zu beeinflussen.

Beispielsweise werden an Strömungsprofilen an Luftfahrzeugen, wie beispielsweise Flügelprofilen, Tragflügeln, Leitwerken oder der gleichen, bisher Klappenelemente eingesetzt, um so die Anordnung einer umströmten oder angeströmten O- berfläche zu verändern und so das Luftfahrzeug zu steuern. Zur Bewegung der Klappen werden Stellmotoren und Mechaniken benötigt, was die Anordnung ins- gesamt schwer und aufwändig macht.

Es wird daher bereits seit längerem auch nach alternativen Verfahren zur Strömungsbeeinflussung an solchen umströmten Bauteilen gesucht.

Die Veröffentlichung Shan Zhong et al. "TOWARDS THE DESIGN OF SYNTETIC- JET ACTUATORS FOR FULL-SCALE FLIGHT CONDITIONS", Flow Turbulance Combust (2007), Volume 78: 283-307 und Volume 78: 309-329 beschreibt im Detail eine neue Technik für eine Strömungsbeeinflussung bei Luftfahrzeugen mittels synthetischen Jet-Aktuatoren. Die in dieser Publikation vorgeschlagenen Strö- mungssteuerungsbauelemente in Form der dort verwendeten synthetischen Jet- Aktuatoren sind jedoch aufwändig und lassen sich nur kaum in strömungswirksamen Oberflächen von Bauteilen, beispielsweise von Luftfahrzeugen, Wasserfahr-

zeugen, Windkanälen integrieren. Außerdem sind sie rein zur Strömungsbeeinflussung durch Aussenden von kleinen Strömungsstößen - Jets - geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strömungssteuerungsbauelement zur Beeinflus- sung von Strömungen an umströmten Bauteilen zu schaffen, welches an strömungswirksamen Oberflächen von solchen Bauteilen, insbesondere auch von Luftfahrzeugen, leicht integriert werden kann und eine effektive Strömungsbeeinflussung unter unterschiedlichen Einsatzbereichen bewirkt.

Diese Aufgabe wird durch ein Strömungssteuerungsbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung schafft demnach ein Strömungssteuerungsbauelement zur Beeinflussung von Strömungen an umströmten Bauteilen mit einer Antriebseinrichtung zur Bewegung einer strömungswirksamen Oberfläche, wobei die Antriebseinrichtung einen Aktuator, der zur Umwandlung eines Signals in eine Bewegung fähig ist, und eine mikromechanisch hergestellte Hubverstärkungseinrichtung aufweist.

Das erfindungsgemäße Strömungssteuerungsbauelement soll insbesondere an umströmten Bauteilen von Luftfahrzeugen oder der gleichen einsetzbar sein. Insbesondere ist es erwünscht, das Strömungssteuerungsbauelement in die Oberfläche solcher Bauteile zu integrieren.

Wenn nun die Antriebseinrichtung zur Bewegung der strömungswirksamen Oberfläche einen Aktuator aufweist, der zur Umwandlung eines Signals und einer Bewegung fähig ist, lässt sich die Oberfläche signalgesteuert, beispielsweise mittels eines elektrischen Signals, leichter bewegen. Dadurch, dass zusätzlich eine mik- romechanisch hergestellte Hubverstärkungseinrichtung vorgesehen ist, kann nun das Strömungssteuerungsbauelement insgesamt sehr klein ausgeführt werden, beispielsweise mit Längen unterhalb von 10 mm, typischerweise von 1 - 5 mm.

Dennoch lässt sich über Hubverstärkungseinrichtung trotz dieser geringen Ausmaße ein relativ großer Bewegungsbereich der strömungswirksamen Oberfläche erreichen.

Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Strömungssteuerungsbauelement sehr kompakt und leicht ausgebaut werden und kann, auch in größerer Anzahl, beispielsweise auch in einem Raster an Luftfahrzeug-Bauteilen angeordnet werden und insbesondere in die Außenhaut eines Flugzeugbauteiles mitintegriert werden, ohne das Gewicht des Gesamtbauteiles nennenswert zu erhöhen.

Als besonders bevorzugte Verwendung ist die Integrierung des Strömungssteue- rungsbauelements in einen Tragflügel eines Flugzeuges möglich, um gezielt die Strömung an dem Tragflügel so zu beeinflussen, dass der übergang von laminarer zu turbulenter Strömung während des Reisefluges verringert wird. Dadurch wird insgesamt die Luftreibung verringert, so dass sich Treibstoff einsparen lässt.

In allgemeiner Form kann man durch Einsatz des erfindungsgemäßen Strömungs- steuerungsbauelements die Oberfläche so gezielt bewegen, dass eine möglichst geringe Strömungsreibung entsteht.

Hierzu sind je nach Medium der Strömung (z. B. Luft unterschiedlicher Dichte oder unterschiedliche Flüssigkeiten) und insbesondere je nach Geschwindigkeit der Strömung Bewegungen mit sehr unterschiedlichen Frequenzen wünschenswert. Daher ist bevorzugt, dass mit der Antriebseinrichtung des Strömungssteuerungs- bauelements auch Schwingungen der Oberfläche in einem großen Frequenzbereich realisierbar sind. Um z. B. die Luftströmung in unterschiedlichen denkbaren Flugbedingungen optimal beeinflussen zu können, wären Frequenzen auch im kHz Bereich wünschenswert. Insbesondere sollen Frequenzen auch im Bereich von 500 H bis 10 kHz erreichbar sein. Dies wird bei einer bevorzugten Ausgestal- tung der Erfindung dadurch erreicht, dass der Aktuator ein piezoelektrisches Element aufweist.

Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen als Aktuatoren, die über einen größeren Frequenzbereich wirksam sind, ist auf anderen technischen Gebieten bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 100 038 92 C2 ein piezoelektrisches Mikroventil zur Krafteinspritzung bei Verbrennungsmotoren, wobei jedoch dieses Mikroventil relativ große Abmessungen hat und nur sehr komplex produzierbar ist. Für den Einsatz an umströmten Bauteilen zur Strömungsbeeinflussung ist ein solches Mikroventil und die darin eingesetzte Technik nicht geeignet.

Das piezoelektrische Element kann beispielsweise aus bekannten und üblichen polykristallinen piezoelektrischen Materialien aufgebaut sein. Dadurch lassen sich nur relativ kleine intrinsische Hübe erreichen. Insbesondere, wenn wie bei der hier vorliegenden Erfindung eine Miniaturisierung zwecks Gewichtseinsparung und möglicher Integrierung in obere Flächen von umströmten Bauteilen gefragt ist, ließen sich bei einfachen piezoelektrischen Elementen bei einer typischen Abmes- sung des Aktuators von 1 bis 5 mm Länge nur intrinsische Hübe von 10 bis 50 μm erreichen. Wenn jedoch, wie gemäß der Erfindung vorgesehen, eine Hubverstärkungseinrichtung eingesetzt wird, lassen sich auch bei einem Durchmesser des gesamten Strömungssteuerungsbauelements von nur 5 mm auch große Amplituden bei den gewünschten Frequenzbereichen erreichen. Beispielsweise lässt sich bei einem Aktuator mit einer typischen Dehnung im Bereich von 1 % und einer Länge von 1 bis 5 mm eine Amplitude von bis zu 200 μm aufgrund der Hubverstärkungseinrichtung erreichen. Bei Mikrosystemen war bisher nur eine hydraulische Wegverstärkung bekannt, wie dies, ebenfalls für ganz andere Anwendungsgebiete, in der DE 198 44 518 A1 oder der US 6,034,466 beschrieben war. Jedoch weisen die dort gezeigten Konfigurationen eine sehr große Dämpfung bei höheren Frequenzen auf; darüber hinaus sind sie aufgrund ihres doch komplexeren Aufbaues ebenfalls kaum für eine Integration in strömungswirksame Oberflächen von Luftfahrzeug- Bauteilen oder dergleichen geeignet.

Noch größere Hübe lassen sich mit besonderen einkristallinen piezoelektrischen Materialien erreichen, wie sie beispielsweise in der US 6,674,222 B2 beschrieben sind. Besonders bevorzugt ist ein relaxor-ferroelektrisches piezoelektrisches Mate-

rial, wie es beispielsweise in der US 2003-0062808 A1 und in der Veröffentlichung Park & Shrout in "Characteristics of Relaxor-Based Piezoelectric Single Crystals for Ultrasonic Transducers," IEEE Trans, on Ultrasonics, Ferroelect. and Freq, Control, 44(5): 1140-1147 (September 1997) beschrieben sind. Es wird für weitere Einzelheiten zum Aufbau und zur Herstellung dieser Materialien ausdrücklich auf die genannten Druckschriften verwiesen. Typischerweise erzeugen piezoelektrische Antriebe nur sehr geringe Amplituden, allerdings über einen großen Frequenzbereich. Der Verwendung der genannten Relaxor-Ferroelektrikas wird eine 10-fach höhere Amplitude gegenüber normalen Piezo-Materialien bei kleinen Ab- messungen erreicht. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich nochmals eine Verstärkung der Amplitude durch ein hoch integriertes Hebelelement erreicht. Demnach weist die Hubverstärkungseinrichtung vorzugsweise wenigstens ein Hebelement auf, welches mittels des Akutators auslenkbar ist. Daraus folgen große Amplituden bei hohen Frequenzen über eine große Band- breite.

Das Hebelelement kann durch unterschiedliche Geometrien ausgebildet werden. Es ist möglich, mehrere zungenartige Hebelelemente einzusetzen, die vorzugsweise gemeinsam durch einen Aktuator bewegbar sind. Dies lässt sich insbeson- dere im Hinblick auf eine mikromechanische Herstellung vorteilhaft dadurch erreichen, dass ein Scheiben- oder Ringelement ausgebildet ist, das das Hebelelement oder vorzugsweise mehrere Hebelelemente bildet und z. B. den Akutator umgibt und/oder überlagert oder überdeckt. Ein Ringelement kann beispielsweise mit einer zentralen öffnung und einer Ringwand versehen sein. Von der Ringwand aus können sich radial nach innen mehrere Zungen oder Lamellen erstrecken. Ein Scheibenelement könnte als flache Scheibe, Schicht oder Membran ausgebildet sein wobei um einen zentralen Punkt oder eine zentrale öffnung herum ebenfalls Zungen oder Lamellen angeordnet sind und außenseitig mit dem Rest der Scheibenform z. B. einstückig verbunden sind. Vorzugsweise sind zwischen den Zun- gen oder Lamellen radiale Schlitze vorgesehen.

Eine asynchrone Bewegung einzelner Hebelelemente lässt sich durch Federelemente als Verbindung zwischen Hebelzungen verhindern oder dämpfen.

Damit die Spitze des wenigstens einen Hebelelements bei voller Auslenkung nicht auf den Aktuator, insbesondere ein Piezokristall, aufschlägt, ist ein Abstandshalter zwischen dem Hebelelement und dem Aktuator vorteilhaft. Vorzugsweise ist der Abstandshalter radialsymmetrisch aufgebaut, um den Hub des Aktuators gleichmäßig auf die Hubverstärkungseinrichtung zu übertragen. Besonders bevorzugt ist ein integraler Aufbau des Abstandshalters mit der Hubverstärkungseinrichtung, beispielsweise durch gemeinsame mikromechanische Herstellung in monolithischer Struktur.

Bevorzugt ist die strömungswirksame Oberfläche an der Hubverstärkungseinrichtung ausgebildet. Das Strömungssteuerungsbauelement ist somit zur Integration in die Oberfläche eines umströmten Bauteiles geeignet und dient dazu, Bereiche der Bauteiloberfläche signalgesteuert mit relativ großem Hub bei kleiner Abmessung des Steuerungsbauelementes zu bewegen. Zum Bilden der strömungswirksamen Oberfläche kann die Hubverstärkungseinrichtung insbesondere mit einer Membran überzogen sein. Bei anderer Ausgestaltung bildet die Hubverstärkungs- einrichtung selbst eine solche Membran. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, dass Zwischenräume oder Schlitze zwischen benachbarten Hebelementen relativ schmal sind und/oder mittels eines elastischen Materials zumindest zum Großteil verschlossen sind.

In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Strömungssteuerungsbauelement so durch Bewegung der strömungswirksamen Oberfläche unmittelbar die daran vorbeiströmende oder diese Oberfläche anströmende Strömung beeinflussen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Strömungssteuerungsbauelement als Synthetik-Jet-Aktuator ausgebildet. Hierzu ist beispielsweise unterhalb der Hubverstärkungseinrichtung eine Kavität ausgebildet.

Durch Bewegung der Hubverstärkungseinrichtung lässt sich dann ein Druck oder ein Unterdruck in der Kavität erzeugen, so dass durch eine von der Kavität aus nach außen führende öffnung eine Jet-Strömung erzeugbar ist.

Auf diese Weise lässt sich ein sehr kompakter synthetischer Jet-Aktuator aufbauen, der unmittelbar in der Oberfläche von Bauteilen, insbesondere von Luftfahrzeugen, integrierbar ist und einen sehr flachen Aufbau aufweist.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung kann die Hubverstärkungseinrichtung eine Bewegungssteuerstruktur zur Beeinflussung ihrer Auslenkbewegung aufweisen. Eine solche Bewegungssteuerstruktur kann unterschiedlich aufgebaut sein. Beispielsweise kann sie eine lokale Beschichtung auf wenigstens einer Oberfläche der Hubverstärkungseinrichtung aufweisen. Die Beschichtung kann die Hubverstärkungseinrichtung steifer machen, um so eine gezielte Auslenkungsbewegung zu erreichen. Beispielsweise lässt sich durch lokale Applizierung von Beschich- tungen eine etwa S-förmige Auslenkung von Hebelzungen erreichen, um so die Ausbildung von scharfen Abrisskanten im Zentrum zu verhindern.

Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegungssteuerstruktur durch gezielte Verdi- ckungen oder dünnere Bereiche der Hubverstärkungseinrichtung gebildet sein. Diese dickeren/dünneren Bereiche können gleich bei der Herstellung der Hubverstärkungseinrichtung eingebracht werden.

Die Hubverstärkungseinrichtung wird vorzugsweise in bekannten mikromechani- sehen Techniken, wie sie aus der Halbleiterbauelementeproduktion abgeleitet sind, hergestellt. Die Hubverstärkungseinrichtung kann somit beispielsweise aus typischen Wafer-Materialien hergestellt sein. Bevorzugt ist Silizium wegen der hohen mechanischen Festigkeit.

Beschichtungen, beispielsweise zum Bilden der oben erwähnten Bewegungssteuerstruktur, können auf Silizium vorteilhafterweise als Oxidbeschichtung aufge-

bracht werden. Die lokale Applizierung solcher Schichten kann in aus der Halbleiterproduktionstechnik gut bekannter Weise erfolgen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht durch eine erste Ausführungsform eines Strömungssteuerungsbauelement;

Fig. 2 eine Schnittseitenansicht durch eine zweite Ausführungsform eines Strömungssteuerungsbauelements;

Fig. 3 eine Ansicht vergleichbar von Fig. 2 eines Strömungssteuerungsbauelements gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 4a, 4b, 4c

Seitenansichten unterschiedlicher Ausführungsbeispiele für eine Hub- verstärkungseinrichtung, die bei den Strömungssteuerungsbauelemen- ten gemäß den Fig. 1 - 3 einsetzbar ist;

Fig. 5a, 5b, 5c, 5d

Draufsichten unterschiedlicher möglicher Ausführungsformen für einzelne Hebelelemente der Hubverstärkungseinrichtungen;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Hubverstärkungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Oberflächenbereichs eines umströmten Bauteiles mit einem Array mehrerer Strömungssteuerungs- bauelemente und mehrerer Sensorelemente;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform einer Hubverstärkungseinrichtung mit einer lokalen Beschichtung in un- ausgelenktem Zustand;

Fig. 9 eine Seitenansicht der Hubverstärkungseinrichtung von Fig. 13 in ausgelenktem Zustand;

Fig. 10 und 11 unterschiedliche Ansichten der Hubverstärkungseinrichtung gemäß den Figuren 8 und 9 in ausgelenktem Zustand;

Fig. 12 eine Schnittansicht durch ein Strömungssteuerungsbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform in ausgelenktem Zustand;

Fig. 13 eine Schnittansicht des Strömungssteuerungsbauelements von Fig. 8 in neutralem Zustand;

Fig. 14 - 16 verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform einer Hubver- Stärkungseinrichtung mit elastischen Verbindungen zwischen einzelnen

Hebelelementen;

Fig. 17 eine geschnittene Seitenansicht durch eine weitere Ausführungsform des Strömungssteuerungsbauelements, die zur Verwendung als syn- thetischer Jet-Aktuator geeignet ist;

Fig. 18 eine Schnittansicht vergleichbar derjenigen von Fig. 17 eines weiteren als synthetischer Jet-Aktuator ausgebildeten Strömungssteuerungsbauelement; und

Fig. 19 eine Draufsicht auf die als synthetische Jet-Aktuatoren ausgebildeten und/oder einsetzbaren Strömungssteuerungsbauelemente gemäß Fig. 17 oder 18.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei unterschiedliche Ausführungsformen eines insgesamt mit 10 bezeichneten Strömungssteuerungsbauelement, mit welchen sich Strömungen an umströmten Bauteilen eines Luftfahrzeuges beeinflussen lassen. Das Strömungssteuerungsbauelement 10 hat jeweils eine Antriebseinrichtung 12 zur Bewegung einer strömungswirksamen Oberfläche 14. Die Antriebseinrich- tung 12 weist einen Aktuator 16 sowie eine Hubverstärkungseinrichtung 18 zur mechanischen Verstärkung des Hubes des Aktuators 16 auf. Die Hubverstärkungseinrichtung 18 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mikromechanisch hergestellt.

Die dargestellten Strömungssteuerungsbauelemente 10 beinhalten einen piezoelektrischen Aktuator 16, der mittels der Hubverstärkungseinrichtung 18 mechanisch verstärkt wird, und bieten so gesteigerte Leistungsmerkmale bezüglich Auslenkung und Bandbreite.

Der Aktuator 16 weist ein piezoelektrisches Element 20 auf, das gemäß einer

Ausgestaltung aus polykristallinem Material besteht. Gemäß einer mehr bevorzugten alternativen Ausgestaltung besteht das piezoelektrische Element aus einem oder mehreren Einkristall(en) aus relaxor-ferroelektrischem piezoelektrischen Material, welches außerordentlich große piezoelektrische Koeffizienten (d31 , d33) gegenüber normalen polykristallinem piezoelektrischen (PZT) Materialien aufweist. Das piezoelektrische Element 20 ist mit (nicht dargestellten) Elektroden versehen und antwortet auf ein elektrisches Signal durch eine Längenänderung. Die besseren Leistungsmerkmale werden durch eine größere Permeabilität und elektrome- chanische Kupplung erreicht. Außerdem wird dielektrisches Material mit einer hö- heren elektrischen Durchschlagsfestigkeit verwendet, wodurch höhere elektrische Feldstärken angelegt werden können.

Die beschriebenen relaxor-piezoelektrischen Materialien bestehen z. B. aus Pb(Zr.sub.1-xNb.sub.x)O. sub.3— PbTiO.sub.3 (PZN-PT) und Pb(Mg. sub.1- xNb.sub.x)O.sub.3— PbTiO. sub.3 (PMN-PT), wie unter anderem detailliert beschrieben von Park & Shrout in "Characteristics of Relaxor-Based Piezoelectric Single Crystals for Ultrasonic Transducers," IEEE Trans, on Ultrasonics, Ferroe- lect. and Freq. Control, 44(5): 1140-1147 (September 1997). Nähere Informationen zu diesen Materialien und deren Unterschiede zu polykristallinen piezoelektrischen Materialien sind in der US 2003-0062808 A1 detailliert beschrieben, worauf hiermit ausdrücklich verwiesen wird. Diese Druckschrift wird hiermit durch Bezugnahme in die hier vorliegende Offenbarung inkorporiert.

Um die Amplitude des eingangs beschriebenen Aktuators 16 mechanisch zu verstärken, weist die Hubverstärkungseinrichtung 18 mehrere Hebelelemente 22 auf, die mit dem Aktuator 16 zu einer bauraumgünstigen, funktional vorteilhaften Gesamtkonstruktion vereint sind.

Die Hubverstärkungseinrichtung 18 ist bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 - 3 insgesamt flach und scheibenförmig ausgebildet. Die Hubverstärkungs- einrichtung 18 sitzt auf einem Sockel 24, der die Hebelelemente 22 von einer Ba- sis 26 beabstandet. In dem zwischen der Hubverstärkungseinrichtung 18, dem Sockel 24 und der Basis 26 gebildeten Innenraum ist der Aktuator 16 angeordnet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Hubverstärkungseinrichtung 18 mit radialen Schlitzen 30 versehen. Die radialen Schlitze 30 erstrecken sich von oben gesehen von einem Zentrum des Innenraumes 28 radial nach außen und trennen so als Hebelelemente wirkende scheibenförmige Zungen 32 voneinander ab.

Die Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 3 unterscheiden sich in der Ausbildung des Aktautors 16. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist der Aktautor einen als Stapelaktautor 34 ausgelegten einkristallinen Piezokristall auf.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist der Aktutator 16 einen als Ringaktua- tor ausgebildeten einkristallinen Piezokristall auf.

Die Hubverstärkungseinrichtung 18 kann außerdem von anderen Aktuatortechno- logien betrieben werden. Neben einkristallinen und polykristallinen Piezoelemen- ten - wahlweise ausgebildet als Stapelaktuator 34 oder Ringaktuator 36 oder in sonstiger Ausbildung - ist bei nicht näher dargestellten Ausführungsformen ein elektromagnetischer Antrieb und/oder ein Antriebselement aus einer ferromagneti- schen Formgedächtnislegierung eingesetzt.

Die übertragung von Stellkräften ist abhängig von der Befestigung der Hubver- Stärkungseinrichtung 18 und/oder deren Hebelelemente 22 an den Aktuator 16. Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen ist die Anbindung mittelbar über den Sockel 24 und die Basis 26 mittels zweier Klebungen 38, 40 verwirklicht. Dabei bestimmt die Adhäsionskraft des Klebstoffes die maximalen Stellkräfte. In nicht näher dargestellten weiteren Ausführungsformen sind andere Verbindungen eingesetzt, die auch höhere Stellkräfte übertragen können. In einer Ausführungsform ist hier die Verbindung zwischen der Hubverstärkungseinrichtung 18 und dem Aktuator 16 durch mechanisches Verklemmen verwirklicht.

Die Hubverstärkungseinrichtung 18 ist bei den dargestellten Ausgestaltungen mo- nolithisch aufgebaut, wodurch Lager und Gelenke entfallen und somit die Fertig- barkeit wesentlich vereinfacht wird.

Die Hubverstärkungseinrichtung 18 besteht bei den dargestellten Ausführungsformen aus monokristallinem Silizium. In nicht weiter dargestellten Ausgestaltun- gen ist die Hubverstärkungseinrichtung 18 und/oder deren Hebelelemente 22 aus Kunststoffen und/oder Metallen gefertigt. Die Ausführungsform mit Silizium (oder Kunststoffen) ermöglicht die Realisierung einer ermüdungsresistenten Hubverstärkungseinrichtung. Durch die Verwendung von bekannten Mikrotechniken (z. B. Trockenätzen, AVT) kann die Baugruppe der Hubverstärkungseinrichtung parallel für viele Strömungssteuerungsbauelemente auf Waferebene gefertigt werden, wodurch eine kostengünstige Herstellung möglich ist.

Bei einer Ausführungsform, wie sie im Prinzip in Fig. 7 dargestellt ist, werden Hubverstärkungseinrichtungen 18 und Sensoren 42 auf einem Wafer integriert, wodurch auch ein Array von Strömungssteuerungsbauelementen 10 und Sensoren 42 mit sehr kleinen Abmessungen realisiert werden kann.

Im folgenden werden mögliche Geometrien der Hubverstärkungseinrichtung anhand der Figuren 2 bis 6 näher erläutert. Durch die Ausbildung der radialen Schlitze 30 in der flachen scheibenförmigen Hubverstärkungseinrichtung 18 können bei sehr flacher, kompakter Bauweise relativ große übersetzungsverhältnisse und eine einfache Einbindung in die Gesamtkonstruktion erreicht werden. Dadurch lassen sich die Hebelelemente 22 bildenden Zungen 32 einfach in die Gesamtstruktur der Hubverstärkungseinrichtung 18 integrieren. Damit die Spitze der einzelnen Hebelelemente 22 bei voller Auslenkung in den Figuren 2 und 3 nach unten nicht auf das piezoelektrische Element 20 schlägt, ist in den dargestellten Aus- führungsformen ein Abstandshalter 44 zwischen den Hebelelementen 22 und dem Aktuator 16 vorgesehen.

Bei den Ausgestaltungen gemäß den Figuren 1 bis 3 bildet die Hubverstärkungseinrichtung 18 aufgrund ihrer flachen Scheibenform insgesamt eine - hier durch die radialen Schlitze 30 und eine zentrale öffnung 46 unterbrochene - Membran 48. Der Abstandshalter 44 ist bei den hier dargestellten Ausführungsformen in diese Membran 48 einstückig integriert. Der Abstandshalter 44 ist radialsymmetrisch aufgebaut, um den Hub des Aktuators 16 gleichmäßig auf die Hebelelemente 22 zu übertragen. Es ist ein monolithischer Aufbau aus Membran 48 und dem Ab- standshalter 44 vorgesehen, wodurch eine zusätzliche Verbindungsstelle vermeidbar ist.

Die Figuren 4 zeigen unterschiedliche Konturen der Hebelelemente 22 in Dickenrichtung. Es sind hier insgesamt drei vorteilhafte Ausführungsformen in Fig. 4 dar- gestellt, bei denen die Dicke der Scheibenzungen über die Länge des Hebelelementes 22 verändert ist. Insbesondere nimmt bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 4a die Dicke nach radial innen hin ab. Dadurch lässt sich Gewicht einsparen.

Die Figuren 4b und 4c zeigen hiervon abweichende Ausbildungen, wobei bei der Fig. 4b die übergänge zwischen einem Ringbereich 50, wo die Hubverstärkungseinrichtung 18 oder die Membran 48 an dem Sockel 24 befestigt ist, und dem Hebelelement 22 sowie der übergang zu dem Abstandshalter 44 abgerundet ausge- bildet ist. Fig. 4c zeigt eine Ausgestaltung mit einer zusätzlich verdickten Spitze der Zungen 32. Durch entsprechende Dickenvariationen lassen sich Eigenfrequenzen verändern, Eigenfrequenzen weiter verstärken oder Spannungen verringern.

Die Figuren 5a bis 5d zeigen unterschiedliche Ausführungen der Hebelelemente 22 von oben gesehen. Es sind hier vier beispielhafte alternative Ausgestaltungen der Hebelelemente 22 dargestellt. Die Hebelelemente 22 können demnach auch als Lamellen 52, beispielsweise wie in Fig. 6 dargestellt sternförmig angeordnet, oder als einfache Balken 54 ausgebildet sein.

Fig. 7 zeigt die Einbindung mehrerer Strömungssteuerungsbauelemente 10 in der Oberfläche 58 eines umströmten Bauteils 56. Das in Fig. 7 dargestellte Bauteil 56 ist insbesondere ein Teil eines Tragflügels eines Flugzeuges. Weiter beispielhafte Bauteile 56 wären Leitwerke oder sonstige Außenflächen eines Luftfahrzeuges (ggf. Auch am Rumpf) oder Profile des Rotors eines Hubschraubers. Die Strömungssteuerungsbauelemente 10 sind zur aktiven Strömungsbeeinflussung in das Bauteil 56 integriert. Sie stellen eine Bewegung der zugeordneten strömungswirksamen Oberflächen 14 bei verglichen mit den Ausmaßen der Strömungssteue- rungsbauelementen 10 großen Amplituden und bei hohen Frequenzen zur Verfü- gung, um so die Luftreibung zu vermindern. Hierzu sind die Strömungssteuerungsbauelemente 10 extrem flach aufgebaut, um den Aktuator 16 möglichst strukturkonform, z. B. in die Außenhaut eines Flugzeuges bzw. Flugmodells, integrieren zu können. Die Strömungssteuerungsbauelemente 10 werden z. B. im Bereich der Laminarhaltung oder zur Beeinflussung einer turbulenten Grenzschicht eingesetzt. Ziel beider Applikationen ist eine Widerstandsreduktion und damit die Einsparung von Treibstoff.

Die hier dargestellten Strömungssteuerungsbauelemente 10 ermöglichen den Aufbau eines Mikroaktuatorsystem, mit dem große Amplituden über eine große Bandbreite für solche Applikationen im Reiseflug erstmals erfüllbar sind und die auch bei hohen Anströmgeschwindigkeiten und damit einhergehenden hohen Fre- quenzen eingesetzt werden können.

Dadurch lässt sich ein Bauteil 56, insbesondere ein Tragflügel, mit adaptiven Eigenschaften ermöglichen. Im Vergleich zu bisherigen Systemen sind die hier dargestellten Strömungssteuerungsbauelemente 10 weitaus höher in bestehende Produkte, insbesondere Tragflügel oder dergleichen Bauteile 56 integrierbar, als dies mit bisherigen Strömungssteuerungsbauelementen möglich war. Durch die Verwendung von Mikroaktuatoren - Aktuator 16 - in Kombination mit einer idealerweise aus Silizium - wegen der hohen mechanischen Festigkeit - hergestellten Hubverstärkungseinrichtung 18 können vorteilhaft etablierte Mikrotechnologien zur Realisierung des kompakt ausgeführten Strömungssteuerungsbauelementes 10 zur definierten Strömungsbeeinflussung eingesetzt werden.

Für bestimmte, hier nicht näher diskutierte Anwendungen könnten aber auch Kunststoff-basierte Hubverstärkereinheiten eingesetzt werden, z. B. aus Delrin, um über einen angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten Temperatureffekte zu reduzieren.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Bauteil 56 sind die Strömungssteuerungsbauelemente 10 in regelmäßiger Rasteranordnung an der umströmten Oberfläche 58 integriert. Zwischen den Strömungssteuerungsbauelementen 10 sind weiter noch Sensoren 42 vorgesehen, mit denen in Verbindung mit den Strömungssteue- rungsbauelementen 10 als Aktoren ein automatisches Strömungsbeeinflussungs- sytem aufbaubar ist. Die Strömungssteuerungsbauelemente 10 werden in Reaktion auf durch die benachbarten Sensoren 42 erfassten Strömungen angesteuert. Hierzu ist eine hier nicht näher dargestellte Steuerungseinheit vorgesehen.

Wie zuvor anhand der Figuren 4a bis 4c erläutert, kann die Hubverstärkungseinrichtung 18 gezielt mit einer Struktur versehen sein, um die Auslenkbewegung der Hebelelemente 22 zu beeinflussen. Die im folgenden allgemein mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnete Bewegungssteuerstruktur weist bei den Ausführungsfor- men gemäß den Figuren 4a bis 4c gezielte Verdickungen 62 und dünnere Bereiche 64 auf, um die Auslenkbewegungen zu beeinflussen.

Im Folgenden wird anhand der Figuren 8 bis 13 noch eine weitere Ausführungsform der Hubverstärkungseinrichtung 18 erläutert, bei der die Bewegungssteuer- struktur 60 eine Beschichtung 66 auf der Membran 48 aufweist. Dabei ist in den Figuren 8 bis 11 die die Hubverstärkungseinrichtung 18 bildende Membran 48 einzeln dargestellt, während in den Figuren 12 und 13 das gesamte Strömungssteue- rungsbauelement 10 mit der Membran 48 gezeigt ist.

Fig. 8 zeigt dabei die Membran 48 im neutralen Zustand. Die radial inneren Bereiche der Zungen 32 sind auf ihrer der Strömung zuzuwendenden Außenseite mit einer Oxidschicht versehen. Fig. 8 stellt dabei den Ruhezustand dar, während die Figuren 9 bis 11 die Auslenkung der Zungen 32 nach oben darstellen. Fig. 12 zeigt das Strömungssteuerungsbauelement 10 im ausgelenkten Zustand und Fig. 13 zeigt das Strömungssteuerungsbauelement 10 in neutralem Zustand. Wie insbesondere aus Fig. 13 ersichtlich ist, bewirkt die Oxidschicht auf der Außenseite eine Verspannung der Zungen 32 im Ruhezustand derart, dass die Spitzen 68 sich in Richtung zu dem Innenraum 28 verbiegen. Werden diese Zungen 32 durch den Aktuator 16 nach außen ausgelenkt, so ergibt sich eine S-förmige Auslen- kung, wie dies aus den Figuren 9 bis 12 ersichtlich ist. Dadurch lässt sich die zentrale öffnung 46 im ausgelenkten Zustand etwas von dem äußersten Punkt der Auslenkung nach innen versetzen, so dass die Ausbildung von Turbulenzen an dieser zentralen öffnung 46 vermieden werden kann. Die Oxid-Beschichtung 66 ist lediglich lokal appliziert. Die Beschichtung 66 erlaubt aufgrund ihrer Druck- Spannung eine definierte mechanische Vorformung der Zungenstruktur.

Eine weitere mögliche Ausbildung der Bewegungssteuerungsstruktur 60 ist in den Figuren 14 bis 16 dargestellt. Bei der dort gezeigten Ausführungsform der Hubverstärkungseinrichtung 18 sind zwischen benachbarten Hebelelementen 22 elastische Verbindungen, hier in Form von Federelementen 70 vorgesehen. Die Feder- elemente 70 sind in der dargestellten Ausführungsform integral mit den Zungen 32 ausgebildet und haben aufgrund einer mäanderförmigen Gestalt federelastische Eigenschaften. Durch das Einbringen der Federelemente 70 als Verbindung zwischen den Hebelelementen 22 kann beispielsweise eine asynchrone Bewegung der Membran 48 verhindert oder gedämpft werden. Außerdem lässt sich mit Hilfe dieser Federelemente 70 ein möglichst stufenfreier übergang zwischen den einzelnen Hebelelementen 22 auch im ausgelenkten Zustand erreichen. Die Federelemente 70 sind direkt durch Mikrotechniken in die Membran 48 in Form von Mäandern integriert. Bei nicht dargestellten Ausführungsformen ist an Stelle der dargestellten mäanderförmigen Federelemente 70 ein nach der Herstellung der Membran 48 später aufgeklebter elastischer Ring oder dergleichen vorgesehen.

In den Figuren 17 und 18 sind noch zwei auf den Ausführungsformen der Fig. 2 bzw. 3 basierende weitere Ausführungsformen des Strömungssteuerungsbauele- mentes 10 in Seitenansicht dargestellt. Die Strömungssteuerungsbauelemente 10 gemäß den Figuren 17 und 18 sind in Draufsicht identisch, wobei diese identische Draufsicht in Fig. 19 dargestellt ist. Die beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 17 und 18 unterscheiden sich wie die Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 durch die unterschiedliche Ausbildung des Aktuators 16 einmal als Stapelaktua- tor 34 und zum anderen als Ringaktuator 36.

Die Ausführungsformen gemäß den Figuren 17 bis 19 zeichnen sich dadurch aus, dass die Hubverstärkungseinrichtung 18 an der strömungswirksamen Oberfläche 14 mit einer fluidundurchlässigen elastischen Membranschicht 72 überzogen ist. In nicht weiter dargestellten Ausführungsformen ist diese Membranschicht 72 durchgehend vorhanden. Bei den in den Figuren 17 bis 19 dargestellten Ausführungsformen ist die Membranschicht 72 jedoch durch die zentrale öffnung 46 unterbrochen.

Diese Ausgestaltungen werden dann eingesetzt, wenn die eingebrachten radialen Schlitze 30 für die gewünschten Einsatzgebiete strömungstechnisch nachteilig sind. Beispielsweise könnten an diesen radialen Schlitzen 30 Stufen oder Kanten ausgebildet sein, die Quellen für unerwünschte Strömungsstörungen sein könnten. Durch die elastomere Membranschicht 72 lässt sich hingegen ein stufenfreier ü- bergang bereitstellen. Dies hat auch eine sanfte Oberflächenkontur ohne scharfkantigen übergang zur Folge. Je nach Ausbildung der Membranschicht 72 lässt sich auch ein scharfkantiger übergang in der Mitte vermeiden.

Mit den Ausführungsformen gemäß den Fig. 17 bis 19 lässt sich außerdem ein Synthetik-Jet-Aktuator für die Strömungsbeeinflussung realisieren. Dadurch, dass die Lamellen 52 oder Hebelelemente 22 durch die hochflexible Membranschicht 72 abgedeckt wird und in diese Membranschicht 72 die kleine zentrale öffnung 46 in der Mitte vorgesehen ist, kann durch die zentrale öffnung 46 Strömungsmedium - also beispielsweise Luft - eingesaugt und ausgeblasen werden. Zur Verdeutlichung sind hierzu in Fig. 17 und 18 die ausgelenkten Stellungen mit gestrichelten Linien dargestellt. Fahren die Hebelelemente 22 aus dieser in gestrichelten Linien dargestellten ausgelenkten Stellungen zurück in die Ausgangsposition, wird ein durch einen Pfeil angedeuteter Jet 74 gebildet, der zur aktiven Strömungsbeeinflussung herangezogen werden kann. Nähere Einzelheiten zur Strömungsbeeinflussung mittels synthetischen Jet-Aktuatoren ist dem eingangs erwähnten Artikel von Shan Zhong et al. "TOWARDS DESIGN OF SYNTETIC-JET ACTUATORS FOR FULL-SCALE FLIGHT CONDITIONS", Flow Turbulance Combust (2007) Volume 78: 283-329 zu entnehmen. Es wird für weitere Einzelheiten ausdrücklich auf diesen Artikel verwiesen.

In dem Innenraum 28 ist bei den in Fig. 17 und 18 dargestellten Ausführungsformen eine Kavität 78 zwischen dem piezoelektrischen Element 20 und der Hubver- Stärkungseinrichtung 18 ausgebildet. Dabei kann die Luft zwischen dem piezoelektrischen Element 20 und dem Hebelelementen 22 der Hubverstärkungseinrichtung 18 in Resonanz versetzt werden. Das System bildet hierbei einen HeIm-

holtz-Resonator 80. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Jets bei den entsprechenden Frequenzen stark erhöht.

Die Membranschicht 72 besteht bei den bevorzugten Ausgestaltungen aus einem Elastomermaterial. Dadurch lassen sich große Dehnungen erreichen. Weiter lassen sich, beispielsweise durch Vorspannen oder durch elektrische Aktivierung, einstellbare mechanische Spannungen erzeugen, die das Frequenzverhalten des Strömungssteuerungsbauelements 10 maßgeblich beeinflussen. Durch die Ober- flächenbeschichtung an der strömungswirksamen Oberfläche 14 lässt sich weiter- hin das Strömungssteuerungsbauelement 10 stufenfrei in das Bauteil 56 oder vergleichbare Strukturen integrieren. Weiter lässt sich durch die Membranschicht 72 eine zusätzliche Kopplung der Bewegung der Hebelelemente und ein Schutz vor überbeanspruchung einzelner Hebelelemente oder Lamellen erreichen. Die Membranschicht 72 übernimmt hierbei die Funktion der Federelemente 70, wie sie in den Ausführungsformen gemäß Fig. 14 - 16 dargestellt und oben näher erläutert sind.

Gegenüber bisher bekannten Jet-Aktuatoren liegt der Vorteil insbesondere in einer vergleichsweisen kompakten Bauweise. Das Strömungssteuerungsbauelement 10 kann sehr flach ausgebildet sein und so leicht in Oberflächen von Bauteilen wie Tragflügeln oder dergleichen integriert werden. Es lässt sich dennoch als Jet- Aktuator 76 ausbilden und/oder einsetzen. Bei bisherigen Jet-Aktuatoren liegt dagegen die aktive Membran zur Druckbeeinflussung innerhalb der Kavitäten auf der gegenüberliegenden Seite des Jet-Ausgangs. Dadurch bestand bisher die Not- wendigkeit einer zweiten Kavität unterhalb der Membran, die eine Schwingung der aktiven Membran erst ermöglicht. Eine solche zweite Kavität muss auch belüftet sein, da sonst ihre Bewegung gedämpft würde. Somit lassen sich bisherige Jet- Aktuatoren nicht auf einer geschlossenen Strukturoberfläche befestigen, was aber mit den hier dargestellten Strömungssteuerungsbauelementen 10 möglich ist.

Insbesondere ermöglichen die hier vorgestellten Strömungssteuerungsbauele- mente 10 eine direkte Verbindung mit dem Substrat des Bauteiles 56, beispiels-

weise mit der Tragfläche eines Flugzeuges, z. B. auch durch Verkleben, da die Unterseite des Strömungssteuerungsbauelementes 10 nicht aktiv ist.

Alle Ausführungsbeispiele können in Mikrotechnologie hergestellt werden. Dies ist insbesondere bei hohen Reynoldszahlen zur Beeinflussung sehr kleiner kohärenter Strukturen in der Strömung (Turbulent Streaks) wünschenswert und vorteilhaft.

Die in den Figuren dargestellten Strömungssteuerungsbauelemente sollen insbesondere die Strömungsbedingungen an einem Tragflügel eines Flugzeuges oder an vergleichbaren Bauteilen von Luftfahrzeugen beeinflussen. Es sind dabei nur geringe Gegenkräfte für die Hebelelemente zu erwarten. Aufgrund dessen reicht eine Klemmverbindung oder Klebeverbindung zwischen der Hubverstärkungseinheit 18 und dem Aktuator 16 aus. Dadurch können die Hebelelemente 22 selbst unbeeinflusst von Befestigungskräften ausgebildet werden. Es lässt sich insbe- sondere als geeignetes Material Silizium für die Hubverstärkungseinrichtung 18 verwenden, welches gegenüber den üblichsten metallischen Werkstoffen eine höhere Bruchspannung bereitstellen kann.

Es wird somit ein Strömungsbeeinflussungsbauelement 10 vorgeschlagen, das augrund einer Hubverstärkung die anliegende Strömung durch eine Konturveränderung der strömungswirksamen Oberfläche beeinflusst. Dies lässt sich vorteilhafterweise durch überspannen der Oberfläche der Hubverstärkung durch ein E- lastomer oder dergleichen verbessern. Zusätzliche Beschichtungen 66 können lokal appliziert sein, um das Auslenkverhalten der Hebelelemente 22 zu beeinflus- sen. Ebenso können Verbindungselemente zwischen den Hebelelementen, wie insbesondere die Federelemente 70, vorgesehen sein. Durch das Aufbringen einer Oxidschicht als Beschichtung 66, die aufgrund ihrer Druckspannung eine definierte mechanische Vorformung der Zungenstrukturen erlaubt und zu einer mehr S-förmigen Biegelinie führt, lässt sich das Auslenken der strömungswirksamen Oberfläche 14 derart beeinflussen, dass die Strömung auch bei Auslenkung nicht an vorstehenden Zungen 32 oder Hebelelementen 22 abreißt oder zu stark verwirbelt wird. Durch das Eindringen der Federelemente 70 als Verbindung zwi-

sehen den Zungen 32 kann z. B. eine asynchrone Bewegung der Membran verhindert oder gedämpft werden. Bei einer weiteren hier nicht näher dargestellten Ausgestaltung sind in die Hebelelemente 22 Erfassungseinrichtungen zum Erfassen einer Auslenkung integriert. Diese können beispielsweise durch Dehnmess- streifen gebildet sein. Vorteilhafterweise ist dies bei der Ausbildung aus Silizium möglich, in dem in die Hebelelemente 22 Piezoelemente integriert werden, um die Hubbewegung zu überwachen - Stichwort: Selbsttest -. Dies ist bei metallischen Werkstoffen nicht möglich. Die Hebelelemente 22 sind in MEMS-Technik sehr exakt und definiert herstellbar, wobei auch ihr dynamisches Verhalten gut vorher- sagbar und beherrschbar ist. Bei anderen Fertigungsmethoden gibt es gerade bei sehr kleinen Bauelementen immer wieder unerwünschte Effekte durch die Materialbearbeitung. Diese lassen sich durch mikromechanische Herstellung vermeiden.

Bezugszeichenliste

10 Strömungssteuerungsbauelement

12 Antriebseinrichtung

14 strömungswirksame Oberfläche

16 Aktuator

18 Hubverstärkungseinrichtung

20 piezoelektrisches Element

22 Hebelelement

24 Sockel

26 Basis

28 Innenraum

30 radiale Schlitz

32 Zunge

34 Stapelaktuator

36 Ringaktuator

38 Klebung

40 Klebung

42 Sensor

44 Abstandshalter

46 zentrale öffnung

48 Membran

50 Ringbereich

52 Lamelle

54 Balken

56 Bauteil

58 umströmte Oberfläche des Bauteils

60 Bewegungssteuerstruktur

62 Verdickung

64 dünnerer Bereich

66 Beschichtung

68 Spitzen der Zungen

Federelemente

Membranschicht

Jet

Jet-Aktuator

Kavität

Hemholtz-Resonator