Martin Recksiek, EYCL
Hochauftriebssysteme -von der Flugzeugkonfiguration zur Systementwicklung
Presented by
Martin Recksiek
HAW Hamburg, 16.12.2004
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Inhalt
Notwendigkeit fr Hochauftriebssysteme
Konfigurationsaspekte
Aerodynamische Anforderungen
Kinematik- und Systembeispiele
A340 Hochauftriebssystem
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Notwendigkeit fr Hochauftriebssysteme
Mit zunehmender Reisefluggeschwindigkeit durch leistungsstrkere Kolbenmotoren erhhte sich das Verhltnis der Geschwindigkeiten von Reiseflug und Start/Landung, so dass Hochauftriebssysteme notwendig wurden.
Die Einfhrung von Strahltriebwerken verlangte noch hhere Reisefluggeschwindigkeiten, um diese in einem optimalen Betriebspunkt zu betreiben.
Fr gute Flugleistungen in der Reiseflugphase bei hohen Reisefluggeschwindigkeiten werden Flgel als Pfeilflgel mit hoher Flchenbelastung G/S ausgefhrt.Ohne Hochauftriebshilfen wrde ein solcher Flgel bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten nicht gengend Auftrieb erzeugen und hohe Landegeschwindigkeiten wren die Folge.
In den frhen Tagen der Zivilluftfahrt war das Verhltnis zwischen Reisefluggeschwindigkeit und der Geschwindigkeit bei Start und Landung relativ gering ( 2:1), so dass keine Hochauftriebssysteme ntig waren. Dennoch wurden teilweise einfache Klappensysteme verwendet, um
- eine bessere Gleitpfadkontrolle zu erreichen (z.B. mit Split Flap, eine Art Unterseiten-Spoiler)- die Sicht des Piloten durch Reduktion der sonst notwendigen Lngsneigung zu verbessern
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Notwendigkeit fr Hochauftriebssysteme
Hochauftriebssysteme dienen dem Zweck den Auftrieb in den LangsamflugphasenStart und Landung zu erhhen.Weiterhin ist eine Widerstandserhhung in der Landephase notwendig.
Das Ausfahren von Vorder- und Hinterkantenklappen (Slats und Flaps) fhrt zu CA und CW.
SvionKonfiguratCA A =2
2),(
Flaps
Slats
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Notwendigkeit fr Hochauftriebssysteme
Startphase: - Ziel ist eine Auftriebserhhung mit minimaler Widerstandserhhungzur Verkrzung der erforderlichen Startbahnlnge
- durch erhhten Widerstand wird der Steigwinkel reduziert- ein Einfahren der Klappen darf in der Steigphase erst oberhalb von 400 fterfolgen JAR 25.111
GWF
Landephase: - geringe Anfluggeschwindigkeit (VREF), um eine kurze Landebahnlngezu ermglichen
- hoher Auftriebsbeiwert auf Grund der geringen Anfluggeschwindigkeit- entsprechender Widerstand zur Erzielung eines notwendigen Gleitwinkels- bei Steilanflgen ist ein entsprechend hoher Widerstand notwendig
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Notwendigkeit fr Hochauftriebssysteme
Steilanflug: - Notwendig um Hindernisfreiheit (Obstacle Clearance) sicherzustellen oderzur Lrmreduktion.
- Als Steilanflug gilt ein Anflug mit einem Bahnneigungswinkel von 4.5- Der maximal erreichbare Bahnneigungswinkel ist durch die Krfte-, bzw.Geschwindigkeitspolare und der fr die Landung notwendige geringeAnfluggeschwindigkeit gegeben
- Die Widerstandserhhung sollte optimalerweise ohne Spoiler erfolgen, daSpoiler den Auftrieb reduzieren und daher einen grsseren Anstellwinkelnotwendig machen, um den notwendigen Auftrieb (A = G cos) zu erhaltenDurch den grsseren Anstellwinkel wird der Abstand zu max reduziert unddamit die Manvrierbarkeit verschlechtert
max
GF
CC
GWF
A
W
=
sin
Clean Wing Konfiguration
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Konfigurationsaspekte
Die Festlegung der Gesamtflugzeugkonfiguration erforderteinen Kompromiss zwischen Einzelaspekten, wie: - Flgel-Rumpf-Integration
- Hochauftriebkonfiguration- Triebwerk-Integration- Fahrwerk-Integration- etc.
Mit diesem Kompromiss werden die sich aus den Marktanforderungen ergebenden Flugzeuganforderungen bestmglich erfllt.
Anforderungen an das Hochauftriebssystem fr gute aerodynamische Wirksamkeiten:- mglichst durchgehende, unterbrechungsfreie Klappen(Kontinuitt in Spannweitenrichtung)
- grosse Klappenspannweite- geringe Flgelpfeilung- geringe Flgel/Rumpf Interferenz
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Konfigurationsaspekte
Beispiele fr Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Anforderungen:
hohe Reisefluggeschwindigkeit
notwendige Flgelpfeilung schlanker Flgel
Biege-Torsionskopplung, vor allem beigrosser Spannweite
Gefahr der Ruderumkehr bei aussen liegendem Querruder undBettigung im High Speed
Verwendung eines All Speed Aileronoderunterschiedliche Aileron frLow Speed und High Speed
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Konfigurationsaspekte
Vermeidung von Tail-Strike bei erforderlichem Anstellwinkel,
Bodenfreiheit des Triebwerks
Notwendige Fahrwerklnge
Kompromiss zwischen Fahrwerkslnge (Gewicht) und Abstand
Triebwerk-Flgel (Interferenz des Triebwerksstrahl mit dem
Hinterkantenklappen) notwendig.
gegebenfalls ist ein Thrust Gate bei ausgefahrenen Landeklappen notwendig
B737
Fahrwerk-Integration
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Konfigurationsaspekte
Knick zwischen Innenklappe und Aussenklappe
Dichtungen zur Vermeidung von Spaltstrmungen Umlenkgetriebe im Antriebsstrang
Die Festlegung der Fahrwerkslage des Hauptfahrwerks wird bestimmt durch
- notwendigen Abstand zum Schwerpunkt (Lngsstabilitt)- erforderliche Seitenstabilitt- Drehradius Bei Integration in den Flgel erfordert dieses einen entsprechenden
Flgelinnenbereich
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Aerodynamische Anforderungen
Neben der Stellflchenkonfiguration muss auch der Klappentyp festgelegt werden
Fr Vorderkantenklappen (Slats) und Hinterkanteklappen (Flaps) gibt es verschiedene Klappentypen mit unterschiedlichen Eigenschaften
Die Auswahl des Klappentyps ist wiederum ein Kompromiss und von verschiedenen Kriterien abhngig- Stellflchenkonfiguration- Systemkomplexitt- erforderliche aerodynamische Performance:
optimale Startgleitzahl:(grosses A/W, bzw. cA/cW)
notwendiger Auftrieb bei limitierter Heckfreiheit
hoher Widerstand und hoher Auftrieb bei der Landung
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WA
GF
AW
GF
GWF
F
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Sv
Gc
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=2
2 )(lim Acf=
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Aerodynamische Anforderungen
Klappentypen - bersicht
Hinterkante
Vorderkante
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Aerodynamische Anforderungen
Neben Auswahl des Klappentyps werden seitens der Aerodynamik die Gap-Overlap Anforderungen definiert.
Ein weiteres wichtiges Kriterium fr die Startleistung (L/D) ist die Charakteristik des Fowler-Weges und zugehrigen Klappenwinkels. Hier ist im allgemeinen ein hoher Fowler-Weg bei geringen Klappenwinkeln gewnscht.
Klappenwinkel
GapOverlap
Fowlerweg