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DE102008024740A1 - Aircraft controller, has indoor flow system such as pipe line system that is opened forward in flight direction and subjected with impact pressure and generating yaw moment by deviation of flow - Google Patents

Aircraft controller, has indoor flow system such as pipe line system that is opened forward in flight direction and subjected with impact pressure and generating yaw moment by deviation of flow Download PDF

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DE102008024740A1
DE102008024740A1 DE102008024740A DE102008024740A DE102008024740A1 DE 102008024740 A1 DE102008024740 A1 DE 102008024740A1 DE 102008024740 A DE102008024740 A DE 102008024740A DE 102008024740 A DE102008024740 A DE 102008024740A DE 102008024740 A1 DE102008024740 A1 DE 102008024740A1
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moment
deviation
subjected
pipe line
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German (de)
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Johannes Hartmann
Stefan Löser
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    • B64C15/14—Attitude, flight direction, or altitude control by jet reaction the jets being other than main propulsion jets
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Abstract

The controller has an indoor flow system such as pipe line system that is opened forward in a flight direction and subjected with an impact pressure and generates a yaw moment by deviation of flow. A valve is provided in a wing tip with an inlet (1) and an outlet (5) in a flow direction. The valve is connected with a pipe (3) that is guided in cross section to a wing. The valve enables a control movement to be applied in both directions around the vertical axis. The inlet is arranged in a manifold (2). An independent claim is also included for a wind energy plant for moment generation.

Description

Aufgabenstellung für die Erfindung:Task for the invention:

Durch die Fortschritte und Entwicklungen auf dem Gebiet der Faserverbundwerkstoffe ist es heutzutage möglich, extreme Spannweiten und somit Tragflügel hoher Streckung zu realisieren. Die dadurch gewonnenen aerodynamischen Vorteile führen jedoch zu Einbußen in der Steuerbarkeit. Insbesondere ist die Steuerbarkeit um die Hochachse (Gieren) eingeschränkt. Flugzeuge großer Streckung (z. B. Segelflugzeuge) weisen somit sehr geringe Gierraten und das meist unerwünschte negative Wendemoment auf. Bisherige Konzepte, eine Drehbewegung um die Flugzeughochachse zu erzeugen und damit die Gierraten zu erhöhen und das negative Wendemoment zu verringern oder zu kompensieren, basieren auf dem Prinzip, lokal Widerstand zu erzeugen und über einen Hebelarm ein Moment um den Schwerpunkt zu generieren. Neben der Störung der Strömung auch im eingefahrenen Zustand der o. g. Systeme im Geradeausflug stellen vor allem die massiven Einbussen in der aerodynamischen Leistung während der Momentenerzeugung einen unerwünschten Effekt dar. Eine Generierung von Momenten über eine reine Impulsumlenkung verspricht hier, die Leistungsfähigkeit von Segelflugzeugen verbessern zu können.By the progress and developments in the field of fiber composites is it possible these days to realize extreme spans and thus high-aspect wings. However, the resulting aerodynamic benefits lead to loss in controllability. In particular, the controllability is around the Vertical axis (yaw) restricted. Big planes Stretching (eg gliders) thus have very low yaw rates and the most undesirable negative turning moment on. Previous concepts, a rotation around to create the aircraft's vertical axis and thus increase the yaw rates and to reduce or compensate for the negative turning moment on the principle of generating resistance locally and over one Lever arm a moment to generate the center of gravity. In addition to the disorder the flow also in the retracted state of o. g. Systems in straight flight especially the massive losses in the aerodynamic Performance during the moment generation an undesirable effect. A generation from moments over a pure impulse deflection promises here, the efficiency to improve gliders.

Einen Vorschlag zur Realisierung von Systemen zur Erzeugung von Momenten zur Flugzeugsteuerung durch Impulsumlenkung wird im Folgenden beschrieben.a Proposal for the realization of systems for generating moments for aircraft control by pulse redirection will be described below.

Stand der TechnikState of the art

In der Aeronautik wird größtenteils das Seitenleitwerk dazu verwendet, das negative Wendemoment zu kompensieren. Reicht das dazu nicht aus, findet meist das Prinzip einer zusätzlichen lokalen Widerstandserzeugung zur Verringerung oder vollständigen Kompensation des negativen Wendemoments Anwendung.In the aeronautics is mostly the rudder used to compensate for the negative turning moment. If this is not enough, you will usually find the principle of an additional one local resistance generation for reduction or complete compensation negative turning moment application.

Beispiele hierfür sind

  • • Das Ausfahren von Klappen (s. g. Spoilern oder Luftbremsen) auf der Oberseite des Flügels
  • • Differenzielles Ausschlagen der Querruder derart, dass das kurveninnere Querruder stärker ausgeschlagen wird und so auch mehr Widerstand erzeugt.
  • • Gezielte Strömungsablösung mit daraus resultierender Widerstandserhöhung (z. B. durch Ausblasung von kleinen Luftströmen auf der Ober- oder Unterseite des Flügelprofils, die eine große Wirkung auf die dortige Profilumströmung und somit auf den Widerstand des jeweiligen Flügelabschnitts haben)
examples for this are
  • • The extension of flaps (so-called spoilers or air brakes) on the top of the wing
  • • Differential deflection of the ailerons in such a way that the inside of the curve aileron is knocked out more and thus also generates more resistance.
  • • Targeted flow separation with resultant increase in resistance (eg by blowing small air streams on the top or bottom of the airfoil, which have a major effect on the profile flow around them and thus on the resistance of the respective wing section)

Darüber hinaus werden oft Kompromisse zwischen Rollraten und negativem Wendemoment eingegangen.Furthermore Often compromises are made between roll rates and negative turnaround.

Beschreibung der Flugzeugsteuerung durch umgelenkte InnenströmungDescription of the aircraft controller by deflected internal flow

Die Erfindung umfasst eine Flugzeugsteuerung, welche gekennzeichnet ist durch ein bzw. mehrere Innenströmungssysteme (z. B. Rohrleitungssysteme), in denen das anströmende Medium derart umgelenkt wird, dass über dessen Impuls eine Kraft bzw. Moment erzeugt wird.The The invention includes an aircraft controller which is characterized is through one or more internal flow systems (eg piping systems), in which the oncoming Medium is deflected in such a way that on the pulse of a force or Moment is generated.

Um ein Moment um die Hochachse zu erzeugen, besitzt das Innenströmungssystem, wie es in 1, 2, 4 und 5 schematisch dargestellt ist, zwei Umlenkungen (Krümmer) um jeweils 90°, wobei ein erstes gerades Teilstück (1) vor dem ersten Krümmer (2) in Strömungsrichtung angeordnet ist. Dieser Teil kann sich z. B. im Flugzeugrumpf (1) oder an einer beliebeigen Stelle des Flügels befinden. Die Strömung wird dann um 90° in Spannweitenrichtung umgelenkt und mittels eines zweiten Krümmers (4) am Ende des zweiten geraden Teilstücks (3), das quer durch den Flügel führt, wieder in Anströmrichtung um 90° umgelenkt. Nach dem zweiten Krümmer kann sich noch ein weiteres gerades Teilstück (5) anschließen, um das strömende Fluid aus dem Flügel zu leiten (bzw. auszublasen). Aus dem Impuls des strömenden Fluids resultieren Reaktionswandkräfte an den Umlenkungen, wie in den 3 und 6 zu erkennen ist. Dabei bilden die Reaktionskräfte Fx1 und Fx3 ein Moment um die Hochachse mit dem Hebelarm l. Um die Größe des Moments zu steuern kann eine Drosselklappe in das System integriert werden.In order to create a moment around the vertical axis, the internal flow system, as in 1 . 2 . 4 and 5 is shown schematically, two deflections (elbows) by 90 °, with a first straight section ( 1 ) in front of the first manifold ( 2 ) is arranged in the flow direction. This part can be z. In the fuselage ( 1 ) or at any location on the wing. The flow is then deflected by 90 ° in spanwise direction and by means of a second manifold ( 4 ) at the end of the second straight section ( 3 ), which leads across the wing, again deflected in the direction of flow by 90 °. After the second manifold may still another straight section ( 5 ) to direct (or blow) the flowing fluid out of the blade. The momentum of the flowing fluid results in reaction wall forces at the baffles, as in FIGS 3 and 6 can be seen. The reaction forces F x1 and F x3 form a moment about the vertical axis with the lever arm l. To control the magnitude of the moment, a throttle valve can be integrated into the system.

In 1 ist ein Beispiel mit einem im Rumpf angeordneten Lufteinlass dargestellt. In 5 hingegen ist eine Konfiguration des Innenströmungssystems gezeigt, in der sowohl Ein- als auch Auslass in den Flügelspitzen untergebracht ist, um den Hebelarm und damit auch das Moment aus dem Kräftepaar Fx1 und Fx3 zu vergrößern. Hierbei ist zu beachten, dass mit zunehmender Lauflänge des Innenströmungssystems die von der Querschnittsfläche abhängige Reibungskraft ansteigt, die unter Umständen das resultierende Moment verringern kann.In 1 an example is shown with a arranged in the fuselage air inlet. In 5 however, a configuration of the inner flow system is shown, is housed in the both input and outlet in the wing tips to x3 to increase the lever arm and thereby also the moment of the couple of forces F x1 and F. It should be noted that as the running length of the internal flow system increases, the friction force dependent on the cross-sectional area increases, which may reduce the resulting momentum.

Das Innenströmungssystem kann beispielsweise aus zylindrischen Rohren bestehen, wobei auch mehrere Rohre nebeneinander angeordnet werden können, um bei gegebenem Rohrdurchmesser den Gesamtquerschnitt des Leitungssystems und damit das resultierende Steuermoment zu erhöhen. Eine spannweitige Zuschnürung (wie in 4 skizziert) oder Querschnittsänderung auf Grund der abnehmenden Flügelhöhe hat hierbei einen erhöhten Einbaudruckverlust zur Folge, was wiederum Reaktionswandkräfte und somit das sich aufbauende Moment verringert.The internal flow system may for example consist of cylindrical tubes, wherein a plurality of tubes can be arranged side by side in order to increase the total cross section of the conduit system and thus the resulting control torque at a given pipe diameter. A span span (like in 4 sketched) or cross-sectional change due to the decreasing wing height in this case an increased installation pressure loss result, which in turn Reacti onswandkräfte and thus the building moment decreases.

Wird die Innenströmung beim zweiten Umlenken nicht in Strömungsrichtung sondern in Richtung der Hochachse umgelenkt, so wird ein Moment um die Längsachse des Flugzeugs erzeugt. Somit kann auch eine Rollteuerung des Flugzeuges realisiert werden. Dieses Prinzip der Erzeugung eines Rollmomentes kann auf alle hochgestreckten Körper, in denen eine Innenrohrströmung untergebracht werden kann, übertragen werden (z. B. Rotorblätter einer Windkraftanlage) Becomes the internal flow at the second deflection not in the flow direction but in the direction the vertical axis deflected, so is a moment about the longitudinal axis generated by the aircraft. Thus, also a Rollteuerung of the aircraft will be realized. This principle of generating a rolling moment can be applied to any uptrodden body, in those an inner tube flow can be accommodated, transferred (eg rotor blades a wind turbine)

Einsatzbereich der Innenströmungssteuerung:Application of internal flow control:

Das Innenströmungssystem wird vorteilhaft so ausgelegt, dass bei gegebener Bauhöhe des Flügels und der damit verbundenen Restriktion des Leitungsquerschnitts der Hebelarm so gewählt wird, dass das Resultierende Moment maximal wird, Dabei stehen die Hebelarmvergrößerung im Konflikt mit der Kräfteverringerung aufgrund der erhöhten Reibung.The Internal flow system is advantageously designed so that at a given height of the wing and the associated restriction of the line cross section of the lever arm so chosen becomes that the resultant moment becomes maximally Lever arm magnification in the Conflict with the reduction of forces due to the increased Friction.

Mögliche praktische Umsetzungen:Possible practical implementations:

Ein Rohrleitungssystem kann, wie in 7 skizziert, bidirektional angeordnet werden. Dabei befinden sich die beiden Ventile (6) in den Flügelspitzen und sind jeweils mit einem Einlass (1) und einem Auslass (5) in Strömungsrichtung versehen. Die Ventile (6) sind mit einem Rohr (3), das quer durch den Flügel führt, miteinander verbunden. Die Ventile sorgen dafür, dass zur Steuerung Momente in beide Richtungen um die Hochachse aufgebracht werden können. Idealerweise kann das Rohr quer durch den Flügel gleichzeitig ein z. B. kreisförmiger Flügelholm, bzw. Flügelkasten sein.A piping system can, as in 7 sketched, arranged bidirectionally. Here are the two valves ( 6 ) in the wing tips and are each provided with an inlet ( 1 ) and an outlet ( 5 ) provided in the flow direction. The valves ( 6 ) are with a pipe ( 3 ), which leads across the wing, connected to each other. The valves ensure that torques can be applied in both directions around the vertical axis for control purposes. Ideally, the tube can cross through the wing at the same time a z. B. circular wing spar, or wing box.

Vorteile gegenüber dem Stand der TechnikAdvantages over the prior art

  • • Durch die Impulsumlenkung wird direkt ein Moment erzeugt ohne eine große zusätzliche Widerstandskomponente aufzubauen. Bei guter Gestaltung von Einlauf und Auslass ist hauptsächlich der Rohrreibungskraft in der Widerstandsbilanz zu berücksichtigen. Somit kann die aerodynamische Leistung während der Einleitung einer Rollbewegung verbessert werden.• By the momentum diverting is instantaneously instantiated without a large extra Build resistance component. With good design of enema and outlet is mainly the pipe frictional force in the resistance balance to take into account. Thus, the aerodynamic performance during the initiation of a Rolling motion can be improved.
  • • Das negative Wendemoment kann verringert oder sogar völlig kompensiert werden, womit auch die Größe des Seitenleitwerks verringert werden kann. Das führt während allen Flugphasen zu einer verbesserten Aerodynamik und zu einer Gewichtsreduktion.• The negative turning moment can be reduced or even completely compensated with which also the size of the vertical stabilizer can be reduced. Leading while all phases of flight to improved aerodynamics and to a Weight reduction.

Claims (6)

Flugzeugsteuerung um die Hochachse (Giersteuerung), bestehend aus einem Innenströmungssystem (z. B. Rohrleitungssystem), das in Flugrichtung nach vorne geöffnet ist (bzw. geöffnet werden kann), mit dem Staudruck beaufschlagt wird und durch zweimalige Strömungsumlenkung ein Giermoment erzeugt.Aircraft control around the vertical axis (yaw control), consisting of an internal flow system (eg piping system), which is open in the direction of flight forward (or opened can be), with the dynamic pressure is applied and by two times flow deflection generates a yawing moment. Flugzeugsteuerung um die Hochachse (Giersteuerung) nach dem Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine mehrmalige Strömungsumlenkung ein Giermoment erzeugt.Aircraft control around the vertical axis (yaw control) according to claim 1, characterized in that a multiple flow deflection generates a yawing moment. Flugzeugsteuerung um die Längsachse (Rollsteuerung), bestehend aus einem Innenströmungssystem (z. B. Rohrleitungssystem), das in Flugrichtung nach vorne geöffnet ist (bzw. geöffnet werden kann), mit dem Staudruck beaufschlagt wird und durch zweimalige Strömungsumlenkung ein Rollmoment erzeugt.Aircraft control around the longitudinal axis (roll control), consisting from an internal flow system (eg piping system), which is open in the direction of flight forward (or opened can be), with the dynamic pressure is applied and by two times flow deflection generates a rolling moment. Flugzeugsteuerung um die Längsachse (Rollsteuerung) nach dem Anspruch 3, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine mehrmalige Strömungsumlenkung ein Rollmoment erzeugt.Aircraft control about the longitudinal axis (roll control) after to claim 3, which is characterized in that a multiple flow deflection generates a rolling moment. Zusätzliche Momentenerzeugung bei Windkraftanlagen wie in 8 skizziert, bestehend aus einem Innenströmungssystem (z. B. Rohrleitungssystem), das in Windrichtung nach vorne geöffnet ist (bzw. geöffnet werden kann), mit dem Staudruck beaufschlagt wird (z. B. in der Rotornabe) und durch zweimalige Strömungsumlenkung ein Moment um die Nabenachse erzeugt.Additional torque generation in wind turbines like in 8th outlined, consisting of an internal flow system (eg piping system), which is open in the wind direction forward (or can be opened), with the dynamic pressure is applied (eg in the rotor hub) and a two-time flow deflection a moment generates the hub axle. Zusätzliche Momentenerzeugung bei Windkraftanlagen nach dem Anspruch 5, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine mehrmalige Strömungsumlenkung ein Moment um die Nabenachse erzeugt.additional Moment generation in wind turbines according to claim 5, the characterized in that a multiple flow deflection creates a moment around the hub axle.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2959281A1 (en) * 2010-04-23 2011-10-28 Philippe Echevarria Device for increasing rotational speed of intra-animated rotation propeller or turbine of windmill to generate electricity for e.g. aircraft, has air outlet formed at end of blade to discharge air for exerting natural pressure on propeller
EP3040270A1 (en) * 2014-12-31 2016-07-06 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Fluid-vectoring system

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