VTOL - VTOL

Ein Senkrechtstart und Landung ( VTOL ) Flugzeug ist eine , die schweben, abheben und landen in vertikaler Richtung. Diese Klassifizierung kann eine Vielzahl von Flugzeugtypen umfassen, einschließlich Starrflügler sowie Hubschrauber und andere Flugzeuge mit angetriebenen Rotoren, wie z. B. Cyclogyros/Cyclocopter und Tiltrotors . Einige VTOL-Flugzeuge können auch in anderen Modi betrieben werden, wie CTOL (konventioneller Start und Landung), STOL (kurzer Start und Landung) oder STOVL(Kurzstart und senkrechte Landung). Andere, wie einige Hubschrauber, können nur mit VTOL betrieben werden, da dem Flugzeug kein Fahrwerk fehlt , das horizontale Bewegungen bewältigen kann. VTOL ist eine Untermenge von V/STOL (vertikaler oder kurzer Start und Landung). Einige Leichter-als-Luft-Flugzeuge gelten auch als VTOL-Flugzeuge, da sie mit vertikalen Anflug-/Abflugprofilen schweben, starten und landen können.

Elektrische und hybrid-elektrische vertikaler Start und Landung von Flugzeugen oder eVTOLs , werden für vollständig autonom auf der Suche entwickeln persönliche Luftfahrzeuge (PAVs).

Neben dem allgegenwärtigen Hubschrauber gibt es derzeit zwei Arten von VTOL-Flugzeugen im Militärdienst: Flugzeuge mit einem Tiltrotor , wie die Bell Boeing V-22 Osprey , und andere mit gerichtetem Strahlschub, wie die Harrier-Familie und die neue F-35B Lightning II Joint Strike Fighter (JSF). Im zivilen Sektor sind derzeit nur Hubschrauber im Einsatz (einige andere Arten von kommerziellen VTOL-Flugzeugen wurden vorgeschlagen und befinden sich seit 2017 in der Entwicklung). Im Allgemeinen verwenden VTOL-Flugzeuge, die STOVL-fähig sind, es, wo immer es möglich ist, da es typischerweise das Startgewicht, die Reichweite oder die Nutzlast im Vergleich zu reinem VTOL erheblich erhöht.

Geschichte

Props, Proprotoren und fortschrittliche Drehflügler

Die Idee des Vertikalflugs gibt es seit Tausenden von Jahren und Skizzen für einen VTOL (Helikopter) tauchen in Leonardo da Vincis Skizzenbuch auf. Bemannte VTOL-Flugzeuge in Form primitiver Hubschrauber flogen erstmals 1907, dauerten aber bis nach dem Zweiten Weltkrieg, bis sie perfekt waren.

Neben der Entwicklung von Hubschraubern wurden viele Ansätze versucht, praktische Flugzeuge mit vertikalen Start- und Landefähigkeiten zu entwickeln, darunter Henry Berliners experimentelles Horizontalrotor-Starrflügelflugzeug von 1922-1925 und Nikola Teslas Patent von 1928 und George Lehbergers Patent von 1930 für relativ unpraktische VTOL Starrflügelflugzeuge mit Kipptriebwerken. In den späten 1930er Jahren erhielt der britische Flugzeugkonstrukteur Leslie Everett Baynes ein Patent für den Baynes Heliplane , ein weiteres Kipprotorflugzeug. 1941 begann der deutsche Konstrukteur Heinrich Focke mit der Arbeit an der Focke-Achgelis Fa 269 , die zwei Rotoren hatte, die zum Senkrechtstart nach unten geneigt waren, aber Kriegsbombenangriffe stoppten die Entwicklung.

Convair XFY-1 Pogo im Flug

Im Mai 1951 erhielten sowohl Lockheed als auch Convair Aufträge für den Versuch, zwei experimentelle VTOL-Jäger zu entwerfen, zu konstruieren und zu testen. Lockheed produzierte den XFV und Convair produzierte den Convair XFY Pogo . Beide Versuchsprogramme erhielten Flugstatus und absolvierten Testflüge von 1954 bis 1955, als die Verträge annulliert wurden. In ähnlicher Weise flog die X-13 zwischen 1955 und 1957 eine Reihe von Testflügen, erlitt aber auch das gleiche Schicksal.

Der Einsatz von motorgetriebenen Vertikalventilatoren wurde in den 1950er Jahren untersucht. Die USA bauten ein Flugzeug, bei dem der Strahlauspuff die Ventilatoren trieb , während britische Projekte, die nicht gebaut wurden, Ventilatoren enthielten, die von mechanischen Antrieben der Strahltriebwerke angetrieben wurden.

Glocke XV-15

Die NASA hat andere VTOL-Flugzeuge wie das Forschungsflugzeug Bell XV-15 (1977) geflogen , ebenso wie die sowjetische Marine und die Luftwaffe . Sikorsky testete ein Flugzeug namens X-Wing , das nach Art eines Hubschraubers abhob. Die Rotoren würden während des Fluges stationär werden und als Flügel fungieren, die zusätzlich zu den statischen Flügeln Auftrieb bieten. Boeing X-50 ist ein Canard Rotor/Wing- Prototyp, der ein ähnliches Konzept verwendet.

Fairey Jet Gyrodyne

Ein anderes britisches VTOL-Projekt war der Gyrodyne , bei dem ein Rotor während des Starts und der Landung angetrieben wird, der dann aber während des Fluges freiläuft , wobei separate Antriebsmotoren für den Vorwärtsschub sorgen. Angefangen mit der Fairey Gyrodyne entwickelte sich dieser Flugzeugtyp später zu dem viel größeren zweimotorigen Fairey Rotodyne , der den Rotor bei Start und Landung mit Tipjets antreibte , dann aber zwei Napier Eland Turboprops verwendete, die konventionelle Propeller auf massiven Flügeln antrieben für den Vortrieb, wobei die Flügel dazu dienen, den Rotor während des Horizontalflugs zu entlasten. Der Rotodyne wurde entwickelt, um die Effizienz eines Starrflüglers im Reiseflug mit der VTOL-Fähigkeit eines Hubschraubers zu kombinieren, um Kurzstreckenflüge von Innenstädten zu Flughäfen bereitzustellen.

US-Marines springen aus einer V-22 Osprey , dem ersten serienmäßigen Tiltrotor- Flugzeug
CL-84-1 ( CX8402 ) im Canada Aviation and Space Museum in Ottawa, Ontario

Die CL-84 war ein kanadischer V/STOL- Turbinen-Kippflügel-Eindecker, der zwischen 1964 und 1972 von Canadair entwickelt und hergestellt wurde . Die kanadische Regierung bestellte 1968 drei aktualisierte CL-84 zur militärischen Bewertung, die als CL-84-1 bezeichnet wurden. Von 1972 bis 1974 wurde diese Version in den Vereinigten Staaten an Bord der Flugzeugträger USS Guam und USS Guadalcanal sowie an verschiedenen anderen Zentren demonstriert und evaluiert . An diesen Versuchen nahmen Militärpiloten aus den Vereinigten Staaten, Großbritannien und Kanada teil. Während der Tests stürzten zwei der CL-84 aufgrund von mechanischen Fehlern ab, aber es kam zu keinem Verlust von Menschenleben als Folge dieser Unfälle. Es ergaben sich keine Produktionsaufträge.

Obwohl Tiltrotoren wie die Focke-Achgelis Fa 269 Mitte der 1940er Jahre und das Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano" der 1950er Jahre in Erprobungs- oder Mock-up-Stadien gelangten, gilt die V-22 Osprey als das weltweit erste in Serie produzierte Tiltrotorflugzeug . Es hat ein Drei-Blatt - Kipprotorgetriebesystem , Turboprop - Triebwerk, und die Übertragungs Gondel auf jeder Flügelspitze angebracht ist . Die Osprey ist ein Mehrzweckflugzeug mit sowohl einer vertikalen Start- und Landefähigkeit (VTOL) als auch einer kurzen Start- und Landefähigkeit ( STOL ). Es wurde entwickelt, um Missionen wie ein konventioneller Hubschrauber mit der Langstrecken- und Hochgeschwindigkeitsflugleistung eines Turboprop- Flugzeugs durchzuführen . Die FAA stuft die Osprey als Modell eines Motors mit Hubantrieb ein.

In den 1960er Jahren wurden Versuche unternommen, ein kommerzielles Passagierflugzeug mit VTOL-Fähigkeit zu entwickeln. Der Hawker Siddeley Inter-City Vertical-Lift-Vorschlag hatte zwei Reihen von Hubgebläsen auf beiden Seiten. Keines dieser Flugzeuge schaffte es jedoch in die Produktion, nachdem sie als zu schwer und zu teuer für den Betrieb abgetan wurden.

Im Jahr 2018 demonstrierte Opener Aero ein elektrisch angetriebenes Starrflügler-VTOL-Flugzeug, die Blackfly , von der der Hersteller behauptet, es sei das weltweit erste ultraleichte, vollelektrische, senkrecht startende und landende Flugzeug mit festen Flügeln.

Jetlift

Der Ryan X-13

Schwanzsitter

Im Jahr 1947 wurde Ryan X-13 Vertijet , ein Tailsitter- Design, von der US Navy bestellt, die dann 1948 einen Vorschlag für ein Flugzeug mit vertikaler Start- und Landefähigkeit (VTOL) an Bord von Plattformen auf den Achterdecks konventioneller Schiffe unterbreitete. Sowohl Convair als auch Lockheed bewarben sich um den Vertrag, aber 1950 wurde die Anforderung überarbeitet, mit der Forderung nach einem Forschungsflugzeug, das sich schließlich zu einem VTOL-Schiffs-Geleitschutzjäger entwickeln konnte.

Konventionelles Design

"Flying Bedstead" - Rolls-Royce Schubmessanlage

Ein weiterer einflussreicher früher funktionaler Beitrag zu VTOL war Rolls-Royce 's Thrust Measuring Rig ("flying bedstead") von 1953. Dies führte zu den ersten VTOL-Triebwerken, wie sie im ersten britischen VTOL-Flugzeug, dem Short SC.1 (1957) verwendet wurden. , Short Brothers und Harland, Belfast, die vier vertikale Hubtriebwerke mit einem horizontalen für den Vorwärtsschub verwendeten.

Die Short SC.1 ist ein VTOL-Delta-Flugzeug

Die Short SC.1 war das erste britische Starrflügler-VTOL-Flugzeug. Der SC.1 wurde entwickelt, um die Probleme beim VTOL-Flug und beim Übergang zum und vom Vorwärtsflug zu untersuchen. Die SC.1 wurde entwickelt, um eine Ausschreibung des Ministeriums für Versorgung (MoS) (ER.143T) für ein im September 1953 veröffentlichtes Forschungsflugzeug mit Senkrechtstart zu erfüllen. Das Design wurde vom Ministerium angenommen und ein Vertrag über zwei Flugzeuge (XG900 und XG905), um die Spezifikation ER.143D vom 15. Oktober 1954 zu erfüllen. Die SC.1 war auch mit dem ersten "Fly-by-Wire"-Steuerungssystem für ein VTOL-Flugzeug ausgestattet. Dies ermöglichte drei Arten der Steuerung der aerodynamischen Oberflächen oder der Düsensteuerungen.

Die Republic Aviation AP-100 war ein von Alexander Kartveli entworfener Prototyp eines VTOL 6x General Electric J85 Turbojet-Triebwerks, der als möglicher Anwärter für das TFX-Programm 3x kanalisierte Lüfter in der Mitte des Rumpfes und des Hecks hatte . Ein weiteres Design war der A400 AVS , der Flügel mit variabler Geometrie verwendete, aber als zu kompliziert befunden wurde. Dies führte jedoch zur Entwicklung des AFVG, was wiederum die Entwicklung des Panavia Tornado unterstützte .

Das VTOL-Flugzeug der Sowjetunion , die Yakovlev Yak-38

Die Yakovlev Yak-38 war ein VTOL-Flugzeug der sowjetischen Marine , das für den Einsatz an Bord ihrer leichten Träger, Frachtschiffe und Großkampfschiffe vorgesehen war. Es wurde in den 1970er Jahren aus dem Versuchsflugzeug Yakovlev Yak-36 entwickelt . Vor dem Zerfall der Sowjetunion wurde ein Überschall-VTOL-Flugzeug als Nachfolger der Yak-38 entwickelt, die Yak-141 , die nie in Produktion ging.

Do 31 E3 auf dem Display im Deutschen Museum , Deutschland

In den 1960er und frühen 1970er Jahren plante Deutschland drei verschiedene VTOL-Flugzeuge. Einer benutzte den Lockheed F-104 Starfighter als Grundlage für die Forschung für ein V/STOL- Flugzeug. Obwohl zwei Modelle (X1 und X2) gebaut wurden, wurde das Projekt aufgrund hoher Kosten und politischer Probleme sowie geänderter Bedürfnisse bei der deutschen Luftwaffe und NATO abgebrochen . Die EWR VJ 101 C führte Mitte und Ende der 60er Jahre kostenlose VTOL-Starts und -Landungen sowie Testflüge jenseits von Mach 1 durch. Eines der Testflugzeuge wird im Deutschen Museum in München aufbewahrt. Die anderen waren das leichte Jagd- und Aufklärungsflugzeug VFW-Fokker VAK 191B und der Dornier Do 31 E-3 (Truppen) Transporter.

Das LLRV war ein Raumfahrzeugsimulator für den Apollo-Mondlander. Es wurde entwickelt, um die Flugeigenschaften der Mondlandefähre (LEM) nachzuahmen , die auf einem Reaktionsmotor angewiesen war, um auf dem Mond zu landen.

Die Idee, das gleiche Triebwerk für den Vertikal- und Horizontalflug zu verwenden, indem die Schubrichtung geändert wird, stammt von Michel Wibault . Es führte zum Bristol Siddeley Pegasus- Triebwerk, das vier rotierende Düsen verwendet , um den Schub über einen Bereich von Winkeln zu lenken. Dies wurde Seite an Seite mit einer Flugzeugzelle, der Hawker P.1127, entwickelt , die später zur Kestrel wurde und dann als Hawker Siddeley Harrier in Produktion ging , obwohl die Überschallmaschine Hawker Siddeley P.1154 1965 eingestellt wurde P.1154 hatte eine Version der Dassault Mirage III entwickelt , die Mach 1 erreichen konnte. Die Dassault Mirage IIIV erreichte im März 1966 den Übergang vom Vertikal- in den Horizontalflug und erreichte kurze Zeit später im Horizontalflug Mach 1,3.

V/STOL

Der Harrier wird normalerweise im STOVL- Modus geflogen , wodurch er über eine bestimmte Entfernung eine höhere Treibstoff- oder Waffenladung transportieren kann. In V/STOL bewegt sich das VTOL-Flugzeug horizontal entlang der Landebahn, bevor es mit vertikalem Schub abhebt. Dies gibt sowohl aerodynamischen Auftrieb als auch Schubauftrieb und ermöglicht das Abheben mit schwereren Lasten und ist effizienter. Bei der Landung ist das Flugzeug durch den Verlust an Treibmittelgewicht deutlich leichter und eine kontrollierte vertikale Landung ist möglich. Ein wichtiger Aspekt der Harrier STOL-Operationen an Bord von Marineträgern ist das erhöhte Vorderdeck "Skisprung", das dem Fahrzeug beim Start zusätzlichen vertikalen Schwung verleiht.

Das Cover von Popular Science vom März 1981 zeigte drei Illustrationen für seine Titelseite "Tilt-engine V/STOL - speed like a plane, landet wie ein Copter".; eine Folgegeschichte war Teil der Ausgabe vom April 2006, in der "die Treibstoffverbrauchs- und Stabilitätsprobleme, die frühere Flugzeuge/Kopter plagten" erwähnt wurden.

2006 aus der britischen Royal Navy ausgeschieden , betrieb die indische Marine bis 2016 weiterhin Sea Harriers , hauptsächlich von ihrem Flugzeugträger INS  Viraat aus . Die neueste Version der Harrier, die BAE Harrier II , wurde im Dezember 2010 ausgemustert , nachdem sie von der britischen Royal Air Force und der Royal Navy eingesetzt wurde. Das United States Marine Corps und die italienische und spanische Marine verwenden weiterhin die AV-8B Harrier II , eine in den USA entwickelte, gleichwertige Version. Die STOVL-Variante der Lockheed Martin F-35 Lightning II , die F-35B, ersetzt den Harrier II/AV-8B in den Luftwaffen der USA und Großbritanniens .

Moderne Drohnen

Ein Schiebel Camcopter S-100 , ein modernes unbemanntes VTOL- Flugzeug

Im 21. Jahrhundert werden unbemannte Drohnen immer häufiger. Viele davon haben VTOL-Fähigkeit, insbesondere der Quadrocopter- Typ.

Raketen

SpaceX hat mehrere Prototypen von Falcon 9 entwickelt , um verschiedene technische Aspekte seines wiederverwendbaren Startsystem-Entwicklungsprogramms in niedriger Höhe und niedriger Geschwindigkeit zu validieren . Der erste Prototyp, Grasshopper, absolvierte 2012–2013 acht erfolgreiche Testflüge. Es absolvierte seinen achten und letzten Testflug am 7. Oktober 2013 und flog auf eine Höhe von 744 Metern (2.441 ft), bevor es seine achte erfolgreiche VTVL-Landung machte. Dies war der letzte geplante Test für die Grasshopper-Anlage; Als nächstes stehen Tests des Entwicklungsfahrzeugs Falcon 9 Reusable (F9R) in geringer Höhe in Texas an, gefolgt von Tests in großer Höhe in New Mexico. }}</ref>

Am 23. November 2015 gelang der New Shepard-Trägerrakete von Blue Origin die erste erfolgreiche vertikale Landung nach einem unbemannten suborbitalen Testflug, der den Weltraum erreichte. Am 21. Dezember 2015 gelang der ersten Stufe von SpaceX Falcon 9 eine erfolgreiche Landung, nachdem 11 kommerzielle Satelliten auf Falcon 9-Flug 20 in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht wurden . Diese Demonstrationen ebneten den Weg für eine erhebliche Senkung der Raumfahrtkosten.

Drehflügler

Hubschrauber

Die VTOL-Form des Hubschraubers ermöglicht es ihm, vertikal zu starten und zu landen, zu schweben und vorwärts, rückwärts und seitlich zu fliegen. Diese Attribute ermöglichen den Einsatz von Hubschraubern in überfüllten oder isolierten Gebieten, in denen Starrflügler normalerweise nicht starten oder landen könnten. Die Fähigkeit, über längere Zeiträume effizient zu schweben, ist auf die relativ langen und damit effizienten Rotorblätter des Hubschraubers zurückzuführen und ermöglicht es einem Hubschrauber, Aufgaben zu erfüllen, die Starrflügler und andere Arten von senkrecht startenden und landenden Flugzeugen nicht mindestens erfüllen könnten auch bis 2011 .

Andererseits begrenzen die langen Rotorblätter die Höchstgeschwindigkeit zumindest konventioneller Helikopter auf etwa 250 Meilen pro Stunde (400 km/h), da ein Rückzug der Rotorblätter seitliche Instabilität verursacht.

Tragschrauber

Autogyros werden auch als Tragschrauber oder Gyrocopter bezeichnet. Der Rotor ist nicht angetrieben und dreht sich frei im Luftstrom, wenn sich das Fahrzeug vorwärts bewegt, so dass das Fahrzeug ein konventionelles Triebwerk benötigt, um Schub zu liefern. Ein Tragschrauber ist nicht von sich aus zu VTOL fähig: Für VTO muss der Rotor durch einen Hilfsantrieb auf Drehzahl gebracht werden, und die vertikale Landung erfordert eine präzise Steuerung von Rotorimpuls und Pitch.

Gyrodyne

Gyrodynes werden auch als Compound-Helikopter oder Compound-Gyroplanes bezeichnet. Ein Tragschrauber hat den angetriebenen Rotor eines Hubschraubers mit einem separaten Vorwärtsschubsystem eines Tragschraubers. Außer bei Start und Landung kann der Rotor antriebslos sein und sich selbst drehen. Designs können auch Stummelflügel für zusätzlichen Auftrieb enthalten.

Cyclogyro

Ein Cyclogyro oder Cyclocopter hat einen Drehflügel, dessen Achse und Oberflächen wie bei einem herkömmlichen Flügel seitlich über dem Luftstrom bleiben.

Angetriebener Aufzug

Cabrio

Ein Convertiplane hebt wie ein Helikopter unter Rotorauftrieb ab und geht dann im Vorwärtsflug in den Starrflügelauftrieb über.

Tiltrotor

Ein Tiltrotor oder Proprotor kippt seine Propeller oder Rotoren vertikal für VTOL und dann nach vorne für einen horizontalen Flügelflug, während der Hauptflügel an Ort und Stelle bleibt.

Kippbarer Umluftventilator

Ähnlich dem Tiltrotor-Konzept, jedoch mit Abluftventilatoren. Wie in der Bell X-22 zu sehen ist .

Kippflügel

Bei einem Kippflügel sind seine Propeller oder Rotoren an einem herkömmlichen Flügel befestigt und neigen die gesamte Anordnung zum Übergang zwischen vertikalem und horizontalem Flug.

Schwanzsitter

Ein Tail-Sitter sitzt bei Start und Landung senkrecht auf seinem Heck und neigt dann das gesamte Flugzeug für den Horizontalflug nach vorne.

Vektorisierter Schub

Thrust Vectoring ist eine Technik für Strahl- und Raketentriebwerke, bei der die Richtung der Triebwerksabgase variiert wird. Beim VTOL kann der Auspuff zwischen vertikalem und horizontalem Schub variiert werden.

Tiltjet

Ähnlich dem Tiltrotor-Konzept, jedoch mit Turbojet- oder Turbofan-Triebwerken statt mit Propellern.

Hubdüsen

Ein Auftriebsstrahl ist ein Hilfsstrahltriebwerk, das verwendet wird, um Auftrieb für den VTOL-Betrieb bereitzustellen, kann aber für den normalen Flügelflug abgeschaltet werden.

Aufzugsventilatoren

Hubgebläse ist eine Flugzeugkonfiguration, bei der sich Hubgebläse in großen Löchern in einem ansonsten herkömmlichen festen Flügel oder Rumpf befinden. Es wird für den V/STOL-Betrieb verwendet.

Das Flugzeug hebt ab, indem es die Ventilatoren für den Auftrieb nutzt, und geht dann im Vorwärtsflug in den Starrflügelauftrieb über. Mehrere Versuchsfahrzeuge wurden geflogen, aber nur die F-35 Lightning II ging in Produktion.

Lift über Coandă-Effekt

Flugzeuge, bei denen VTOL durch Ausnutzung des Coandă-Effekts erreicht wird, sind in der Lage, Luft ähnlich wie Schubvektorisierung umzuleiten , aber anstatt den Luftstrom durch einen Kanal zu leiten , wird der Luftstrom einfach entlang einer vorhandenen Oberfläche geleitet, die normalerweise der Körper des Flugzeugs ist und weniger zulässt Material und Gewicht.

Die Avro Canada VZ-9 Avrocar , oder einfach die VZ-9, ein kanadischer VTOL Flugzeug entwickelt war Avro Aircraft Ltd. das dieses Phänomen nutzt , indem Luft in einen zentralen Bereich geblasen wird , dann wird sie über die obere Fläche nach unten gerichtet, was parabolisch und ähnelt einer gebeugten fliegenden Untertasse . Aufgrund des Coandă-Effekts wird der Luftstrom von der nächstgelegenen Oberfläche angezogen und bewegt sich trotz der Änderung der Richtung der Oberfläche weg vom Luftstrom weiter entlang dieser Oberfläche. Das Boot ist so konstruiert, dass es den Luftstrom nach unten leitet, um Auftrieb zu bieten.

Jetoptera kündigte eine geplante Flugzeuglinie an, die auf einem sogenannten fluidischen Antrieb basiert, der den Coandă-Effekt nutzt. Das Unternehmen behauptet für sein Boxwing-Design einen Oswald-Wirkungsgrad von 1,45. Weitere Ansprüche sind erhöhte Effizienz, leiserer Betrieb und Skalierbarkeit.

Galerie

Siehe auch

Verweise

Anmerkungen

Literaturverzeichnis

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Externe Links