-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Fangtrichter für die Betankung während des
Fluges.
-
Ein
bekannter Fangtrichter zur Betankung während des Fluges besteht aus
einer verjüngt
ausgebildeten ringförmigen
fallschirmartigen Kappe, die von mehreren starren Metallrippen getragen
wird. Wenn der Fangtrichter hinter einem Flugzeug zur Betankung
während
des Fluges gezogen wird, werden im typischen Fall etwa 1000 Pfund
eines aerodynamischen Luftwiderstands erzeugt, der sich mit dem Quadrat
der Geschwindigkeit erhöht.
Der auf den Fangtrichter wirkende Luftwiderstand wird benutzt, um
einen Auftankschlauch aus einem Behälter eines Tankerflugzeuges
auszufahren. Der Luftwiderstand wirkt auch den Andockkräften vom
aufzutankenden Empfängerflugzeug
entgegen und dient auch dazu, die Stabilität aufrecht zu erhalten. Wenn
jedoch ein Empfänger
in Form eines unbemannten Luftfahrzeuges (UAV) der typischen Luftwiderstandsbelastung vom
Fangtrichter ausgesetzt wird, könnte
die Belastung leicht ein derart kleines Flugzeug überwältigen.
-
Die
US-A-3011 742 beschreibt einen Stabilisierungs-Fangtrichter zum
Auftanken eines Flugzeugs, der aus einer allgemein ringförmig gestalteten Kappe
mit im Wesentlichen U-förmigem
Querschnitt besteht.
-
Die
GB-A-2237 251 beschreibt eine Auftankvorrichtung zum Auftanken während des
Fluges, die Mittel besitzt, um eine Anzeige der Abweichung eines Aufnehmers
von einem gewünschten
Pfad zu liefern und Mittel aufweist, um den Aufnehmer zu versetzen.
-
Die
US-A-5255 877 beschreibt einen Fangtrichter mit variabler Geschwindigkeit,
der mehrere Nachlaufrand-Trägeranordnungen
aufweist.
-
Die 1 der
beiliegenden Zeichnung zeigt einen schematischen Querschnitt durch
einen Teil eines Fangtrichters 1 und zeigt, wie mehrere
starre Metallrippen 2 an ihren Enden gemäß 1 an
einem Gelenkring 3 angelenkt sind. In der Praxis gibt es eine
Vielzahl derartiger Rippen, die im gleichen Abstand über den
Ring verteilt sind, beispielsweise zweiundvierzig Rippen insgesamt.
Die äußeren Enden
der Rippen 2 tragen eine ringförmige Kappe 4. Im
Betrieb wird der Fangtrichter 1 in einem Auftankbehälter im
Tankerflugzeug verstaut, und in der verstauten Stellung nehmen die
Rippen eine zusammengefaltete Position ein, wie dies strichpunktiert
in 1 dargestellt ist. Wenn der Fangtrichter zum Auftanken
eines Flugzeugs freigegeben wird, dann kann sich der Fangtrichter
aus dem Auftankbehälter
heraus bewegen und der Luftstrom füllt den Fangtrichter 4 und
bewirkt, dass die Rippen 2 in die voll ausgezogene Stellung
gemäß 1 ausgefahren
werden. Der erzeugte Luftwiderstand zieht den Fangtrichter nach
hinten, wodurch der Auftankschlauch aus dem Behälter ausgefahren wird. Der
Luftwiderstand stabilisiert den Fangtrichter 1 durch Erzeugung
gleicher Auswärtskräfte um die
Kappe 4 herum.
-
Die
Stabilität
des Fangtrichters wird unter Benutzung des "Zweiflächen"-Effektes der Kappe 4 erreicht.
Die Kappe 4 ist gegenüber
der Luftströmung F
derart angestellt, dass dann, wenn der Winkel A des Fangtrichters 4 sich
relativ zur Luftströmung
F ändert,
die Kräfte
auf einen Teil der Kappe 4 sich erhöhen, wenn die Querschnittsfläche jenes
Teils, der der Luftströmung
F ausgesetzt ist, sich erhöht.
Andererseits präsentiert
der diametral gegenüberliegende Teil
der Kappe 4 gegenüber
der Luftströmung
F einen kleineren Winkel und der Luftwiderstand sinkt in jenem Bereich
ab. Durch diese Wirkung wird der Fangtrichter 1 veranlasst,
sich selbst zu zentrieren, so dass gleiche Kräfte rings um die Kappe 4 wirksam werden.
Die durch den Fangtrichter 4 erzeugte Stabilität ist adäquat zum
Erreichen eines sicheren Andockens bei einem normalen aufzutankenden
Flugzeug.
-
Um
eine Dockverbindung beim Auftanken zu erreichen, muss die Mannschaft
kräftig
trainiert werden, weil der Fangtrichter dazu tendiert, sich gemäß der Luftströmung selbst
zu positionieren. Es ist bekannt, dass dann, wenn sich ein Empfängerflugzeug einem
Fangtrichter nähert,
das Vorhandensein des Flugzeugs die Luftströmungsrichtung über den
Fangtrichter ändert
und der Fangtrichter muss dann der neuen Luftströmung folgen, statt seine ursprüngliche Position
relativ zum Tankerflugzeug aufrecht zu erhalten. Wenn sich das Empfängerflugzeug
der neuen Position des Fangtrichters nähert, wird die Luftströmung über den
Fangtrichter wiederum modifiziert usw. Je größer das Empfängerflugzeug
ist, desto größer sind
die Luftströmungsstörungen über dem Fangtrichter.
Demgemäß muss der
Pilot des Empfängerflugzeugs
eine festgelegte Technik erlernen, bei der eine schnelle Annäherung an
den Fangtrichter erfolgt und ein Punkt im Raum anvisiert wird, an
welchem sich der Fangtrichter gemäß dem sich nähernden
Flugzeug bewegt. Um das Empfängerflugzeug genau
unter derartigen Bedingungen zu steuern, ist ein großes Maß an Erfahrung
erforderlich.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fangtrichter
zu schaffen, der einfacher relativ zum Empfängerflugzeug zu positionieren ist.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung betrifft diese einen Fangtrichter zum
Auftanken während
des Fluges, bestehend aus einer Kappe, die von mehreren einstellbaren
Trägern,
beispielsweise Rippen, getragen wird, wobei Steuermittel die Träger in eine
erste Stellung bewegen, in der die Luftströmung die Kappe aufblähen kann,
wodurch der Luftwiderstand auf der Kappe im Betrieb den Fangtrichter
veranlasst, einen Brennstoffschlauch vom Tankerflugzeug in eine
ausgefahrene Stellung auszuziehen und die Steuermittel die Träger in eine
zweite Stellung überführen können, in
der der Luftwiderstand auf die Kappe in der ausgefahrenen Stellung
vermindert wird und wenigstens einer der einstellbaren Träger relativ zu
den anderen durch die Steuermittel so bewegt wird, dass ein gewählter Teil
des Fangtrichters eingestellt wird, wodurch der Luftwiderstand auf
jenem Abschnitt erhöht
wird und sich der Fangtrichter in eine neue Stellung bewegt.
-
Durch
Verminderung des Luftwiderstands wird in gleicher Weise die Kraft
auf ein nach vorn in den Fangtrichter geschobenes Flugzeug zum Zwecke
des Auftankens ebenfalls vermindert, ein Faktor, der von besonderer
Bedeutung ist, wenn während des
Fluges ein UAV aufgetankt werden muss.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Steuerung
eines Fangtrichters mittels einer Kappe, die durch mehrere einstellbare
Träger,
beispielsweise Rippen, gehaltert ist, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte umfasst: es werden die Träger so positioniert, dass ein Luftstrom
die Kappe derart aufblähen
kann, dass der Luftwiderstand auf die Kappe bewirkt, dass der Fangtrichter
einen Brennstoffschlauch aus einem Tankerflugzeug in eine ausgefahrene
Stellung auszieht; es werden die einstellbaren Träger so eingestellt,
dass die Kappe den Luftwiderstand auf die Kappe in der ausgefahrenen
Stellung vermindert; und ein Träger oder
mehrere einstellbare Träger
so gesteuert werden, dass der Luftwiderstand veranlasst wird, sich auf
einem gewählten
Bereich der Kappe zu ändern und
dadurch zu bewirken, dass der Fangtrichter sich seitlich in eine
neue Stellung bewegt.
-
Sowohl
für den
ersten Aspekt als auch für den
zweiten Aspekt der Erfindung gilt Folgendes:
-
Die
einstellbaren Träger
bewegen vorzugsweise die Kappe in eine solche Stellung, dass die Kappe
eine im Wesentlichen zylindrische Form einnimmt, nachdem der Schlauch
seine ausgefahrene Stellung erreicht hat, um den Luftwiderstand
zu vermindern.
-
Vorzugsweise
sind weitere Träger
für die Kappe
vorgesehen. Die Kappe kann derart ausgebildet und angeordnet sein,
dass eine Kante an den einstellbaren Trägern montiert ist und eine
weitere Kante an den weiteren Trägern.
Vorzugsweise sind die weiteren Träger schwenkbar mit den einstellbaren Trägern verbunden.
Einige der Träger
können
mit Schlitzen ausgebildet sein, in denen die anderen der Träger gleitbar
sind. Im letztgenannten Fall können die
weiteren Träger
diejenigen sein, die in den Schlitzen ausgeformt sind.
-
Die
einstellbaren Träger
können
mit Lageranordnungen verbunden sein, die winkelmäßig bewegt werden können, um
die Positionen der einstellbaren Träger relativ zu den anderen
einzustellen. Vorzugsweise kann die Lageranordnung axial bezüglich des
Fangtrichters derart bewegt werden, dass alle einstellbaren Träger gleichzeitig
bewegt werden.
-
Die
Lageranordnung kann durch einen Steuermechanismus bewegt werden,
der vorzugsweise ein winkelmäßig bewegliches
Antriebselement aufweist. Das Antriebselement ist vorzugsweise winkelbeweglich
an einem Lager montiert und kann die Form eines Bundes haben. Vorzugsweise
ist das Lager axial auf einem Teil des Fangtrichters beweglich. Das
winkelmäßig bewegliche
Antriebselement kann derart angeordnet sein, dass dann, wenn das
Element in einer Richtung gekippt wird, um die gewählten einstellbaren
Lagermittel in der einen Richtung zu bewegen, ein weiterer Teil
des Elementes in eine entgegengesetzte Richtung kippt, um weiter
gewählte einstellbare
Lagermittel in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen.
-
Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist eine steuerbare fliegende Oberflächenanordnung zur Steuerung
der Stabilität
des Fangtrichters vorgesehen. Die fliegende Oberflächenanordnung arbeitet
vorzugsweise gemäß einem
Signal, das von wenigstens einem Sensor, beispielsweise einem Beschleunigungsmesser,
innerhalb des Fangtrichters empfangen wird. Die elektrische Leistung
zur Betätigung
der fliegenden Oberflächenanordnung
kann unter Benutzung einer luftgetriebenen Turbine am Fangtrichter
erzeugt werden. Da der Luftwiderstand auf dem Fangtrichter vermindert
wird, können
relativ kleine fliegende Oberflächen
benutzt werden, die ihrerseits nur kleine Antriebe erfordern, um
sie anzutreiben, und hierdurch wird es möglich, ein schnelles Flugoberflächenansprechen
zu erreichen.
-
Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Tankerflugzeug mit
einem Fangtrichter gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung oder gemäß einer
Weiterentwicklung hiervon.
-
Ein
Fangtrichter und ein Verfahren zur Steuerung des Fangtrichters wird
im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
-
2 ist
ein schematischer Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Fangtrichter;
-
3 ist
eine Stirnansicht des Fangtrichters, betrachtet in Richtung des
Pfeiles III gemäß 2;
-
4 ist
im größeren Maßstab gezeichnet eine
Teilansicht der Rippenanordnung zur Abstützung einer Kappe des Fangtrichters;
-
5 ist
eine schematische Seitenansicht eines Steuermechanismus zum Einstellen
der Kappe; und
-
6 ist
eine Ansicht eines Tankerflugzeugs mit Fangtrichtern und ausgefahrenen
Brennstoffschläuchen,
wobei ein Fangtrichter in drei verschiedenen Stellungen dargestellt
ist.
-
Gemäß 2 besteht
ein Fangtrichter 10 aus einem Körper 11 mit einem
Vorderende 12, das eine Brennstoffschlauch-Befestigung 14 aufweist. Die
Brennstoffschlauch-Befestigung 14 ist mit einer Leitung 16 verbunden,
die durch den Körper 11 hindurch
und in eine Auftankaufnahme 18 geführt ist, die ein Auftankventil 20 aufweist.
-
Ein
elektrischer Stromgenerator 22 ist am Vorderende 12 angeordnet
und wird durch Staustrahl-Luftturbinenschaufeln 24 über ein
Getriebe 26 angetrieben.
-
Der
Körper 11 trägt drei
einstellbare Flugoberflächen
in Form von zwei seitlichen Stabilisatoren 28 und einem
einzigen vertikalen Stabilisator 30. Die Stabilisatoren 28 und 30 werden über eine
Antriebseinheit 32 gesteuert, die durch die vom Generator 22 gelieferte
Elektrizität
angetrieben wird. Die Antriebseinheit 32 wird selbst durch
einen Beschleunigungsmesser und eine Global-Positioning-System-Processing-Einheit 34 gesteuert,
und die Einheit 34 wird durch die vom Generator 22 gelieferte
Elektrizität
angetrieben.
-
Der
Körper 11 enthält eine
Fangtrichter-Betätigungs-Steuereinheit 36,
die mehrere Steuerstangen 38 antreibt, die an einem Gelenkring 40 angelenkt
sind. Der Ring 40 ist schwenkbar mit den inneren Enden
von mehreren einstellbaren Rippen 42 verbunden. Bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind zweiundvierzig einstellbare Rippen rings um den Ring 40 herum
angeordnet. Eine entsprechende Zahl weiterer Rippen 43 ist
vorgesehen, und jede dieser Rippen ist schwenkbar an einem Gelenkring 44 angelenkt.
Wie deutlich aus 4 ersichtlich, ist jede der
weiteren Rippen 43 mit einem angewinkelten Schlitz 45 versehen
und die zugeordnete einstellbare Rippe 42 besitzt einen
Stift 46, der in den Schlitz 45 einsteht. Die
Stifte sind in den Schlitzen 45 gleitbar und verbinden
schwenkbar die jeweiligen Rippen 42, 43. Wie aus 2 ersichtlich,
ist der Ring 40 axial, wie weiter unten beschrieben, entlang
der Auftankaufnahme 18 mittels der Fangtrichter-Antriebssteuereinheit 36 verschiebbar.
Der Ring 40 ist beweglich aus einer ersten Stellung P1,
in der jeder Stift 46 an einem Ende seines zugeordneten
Schlitzes 45 liegt, bis in eine zweite Stellung P2 beweglich, in
der jeder Stift 46 am gegenüberliegenden Ende des zugeordneten
Schlitzes 45 liegt. Die Position der einstellbaren Rippen 42 ist
in der ersten Stellung P1 des Rings durchgehend schwarz ausgezogen
dargestellt.
-
5 zeigt
einen Steuermechanismus 41, bei dem der Ring 40 über die
Steuerstangen 38 mit einem Bund 47 verbunden sind,
der auf einem Kugellager 48 winkelmäßig etwa nach Art eines Kardangelenkes
beweglich ist. Das Lager 48 ist axial gleitbar auf einer
Führung 48a beweglich.
Der Bund 47 ist schwenkbar mit den Enden von vier Antriebsstangen 49 verbunden,
die an ihren gegenüberliegenden
Enden mit jeweiligen Antrieben (nicht dargestellt) in der Fangtrichter-Betätigungs- Steuereinheit 36 verbunden
sind. Die Antriebsstangen 49 sind im gleichen Winkelabstand
um den Bund 47 herum angeordnet, und die Antriebe sind
so angeordnet, dass diametral gegenüberliegende Antriebsstangen 49 in
Gegenrichtung um gleiche Abstände
bewegt werden, wie dies in der voll ausgezogenen bzw. strichpunktierten Darstellung
in 5 ersichtlich ist.
-
Eine
Kappe 50 besitzt einen Hinterrand 50a, der von
den äußeren Enden
der weiteren Rippen 43 getragen wird und einen Vorderrand 50b,
der von den äußeren Enden
der einstellbaren Rippen 42 getragen wird. Es ist ersichtlich,
dass dann, wenn sich der Ring 40 in seiner zweiten Stellung
P2 befindet, die Kappe 50 die Gestalt eines Zylinders hat,
der allgemein koaxial zum Körper 10 liegt,
so dass kein Fallschirmeffekt durch die Luftströmung F erzeugt wird. Wenn der Ring 40 jedoch
in die erste Stellung P1 bewegt wird, indem die Antriebsstangen 49 gleichzeitig
das Lager 48 nach rechts bewegen, wie dies in 5 dargestellt
ist, dann wird der Vorderrand 50b der Kappe 50 nach
außen über den
Hinterrand 50a der Kappe 50 bewegt. Auf diese
Weise bläht
die Luftströmung
F die Kappe 50 auf, und es ergibt sich ein Fallschirmeffekt und
es wird ein Luftwiderstand demgemäß erzeugt. In der vollständig entfalteten
Stellung der Kappe 50 berührt der Gelenkring 44 einen
Umfangsflansch 55 an der Auftankaufnahme 18.
-
Wenn
sich der Ring 40 in seiner zweiten Stellung P2 befindet,
dann können
die Antriebsstangen 49 durch die Steuereinheit 36 so
eingestellt werden, dass der Bund 47 im Winkel gegen das
Lager 48 stößt. Diese
Kippbewegung wird auf den Ring 40 über die Steuerstangen 38 übertragen.
Auf diese Weise bewegt sich ein Teil 40a des Rings 40 auf
den Flansch 55 hin, während
der diametral gegenüberliegende
Abschnitt 40b des Rings 40 sich vom Flansch 55 weg
bewegt. Dabei bewegen sich gewählte
einstellbare Rippen 42 relativ zueinander und bewirken, dass
diametral gegenüberliegende
Abschnitte der zylindrischen Kappe 50 nach außen bzw.
innen kippen, so dass im Betrieb ein leichter Fallschirmeffekt erzeugt
wird und der aerodynamische Widerstand insbesondere über jenem
Teil der Kappe erhöht
wird, der nach außen
umgekippt ist.
-
Im
Folgenden wird die Benutzung des Fangtrichters unter Bezugnahme
auf 6 beschrieben.
-
Ein
Tankerflugzeug 63, an welchem Fangtrichter 11 gemäß der Erfindung
montiert sind, empfängt
Instruktionen, um eines oder mehrere UAVs 62 aufzutanken
und das Tankerflugzeug 63 fliegt zur Vorbereitung auf die
korrekten Koordinaten. Das Tankerflugzeug 63 besitzt Backbord-
und Steuerbord-Behälter 64,
die die Fangtrichter 11 in Verstaustellung aufnehmen. Um
diese in die Verstaustellung zurückzuziehen,
wird das Lager 48 längs
der Führung 48a derart
zurückgezogen,
dass die Oberflächen 53 an
den weiteren Rippen 43 eine nicht dargestellte Anschlagoberfläche am Körper 11 berühren, wenn
der Bund 47 zurückgezogen
wird, was bewirkt, dass die weiteren Rippen 43 eine Faltstellung
einnehmen ähnlich
jener der Rippen 2 in 1.
-
Auf
ein gegebenes Signal öffnet
sich jeder Behälter 64,
um den Fangtrichter 11 auszufahren, und der Ring 40 wird
in seine erste Stellung P1 bewegt, in der die Rippen in 2 voll
ausgezogen dargestellt sind. In dieser Stellung entfaltet die an
den Behältern 64 vorbeiströmende Luft
die Kappe 50 eines jeden Fangtrichters 11 und
die Fangtrichter 11 beginnen, die Brennstoffschläuche aus
den Behältern 64 auszufahren.
Schließlich
erreichen die Schläuche
ihre voll ausgefahrene Stellung gemäß 6. In jener
Stellung kann der Luftwiderstand auf jedem Fangtrichter leicht 1000
Pfund betragen, so dass es schwierig wird, diesen aus der Lage zu
bewegen, die er natürlicherweise
infolge des Zweiflächen-Effektes
einnimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird jedoch dann der Ring 40 in seine zweite Stellung P2
zurückbewegt,
so dass die Kappe 50 die zylindrische Konfiguration gemäß 2, 4 und 5 einnimmt.
In dieser Lage ist der Luftwiderstand der Kappe 50 minimal.
-
Um
die Lage des Fangtrichters 11 einzustellen, betätigt die
Fangtrichter-Antriebssteuereinheit 36 den
Ring 40 derart, dass geeignete Rippen 42 bewegt
werden, wodurch diametral gegenüberliegende Abschnitte
der Kappe 50 sich in Gegenrichtungen etwas aus der zylindrischen
Form heraus bewegen. Die Wirkung der Luftströmung F auf die Kappe ist derart,
dass der Fangtrichter 11 aus der Mittelstellung gemäß 5 in
eine versetzte Stellung, beispielsweise in die Stellung bei 11a oder 11b,
bewegt wird. Sollte der Fangtrichter 11 Taschen oder Luftbewegungen
ausgesetzt werden, die seine Stabilität beeinträchtigen könnten, dann werden die vertikalen und/oder
seitlichen Stabilisatoren 28, 30 gemäß einer
Anordnung eines nicht dargestellten Beschleunigungsmessers tätig, der
der Prozessoreinheit 34 zugeordnet ist, damit die Stabilität wieder
hergestellt wird. Auf diese Weise kann die Stabilität des Flugzeugs
aufrecht erhalten werden, wenn sich ein Empfängerflugzeug nähert, und
es wird daher das Andocken des Empfängerflugzeugs einfacher. Da
jedoch die Stabilisatoren 28, 30 nur zur Wiederherstellung der
Stabilität
erforderlich sind und den gesamten Fangtrichter nicht um einen beträchtlichen
Abstand in eine neue versetzte Stellung bewegen (beispielsweise
aus der Mittelstellung gemäß 6 in
die versetzte Stellung 11a), werden nur relativ kleine
Oberflächenbereiche
hierfür
erforderlich. Auf diese Weise kann ein schnelles Ansprechen unter
Benutzung kleiner Antriebe erreicht werden.
-
Nachdem
eine Auftanksonde 72 auf dem UAV 62 koaxial zu
der Auftankaufnahme 18 liegt, bewegt sich das UAV nach
vorn, um die Sonde 72 durch das Auftankventil 20 zu
bewegen und das Auftanken kann beginnen. Es ist klar, dass der in
hohem Maße verminderte
Luftwiderstand am Fangtrichter 11 einen erheblichen Vorteil
darstellt, wenn ein Flugzeug, beispielsweise ein kleines UAV 62,
aufgetankt wird, und die vorliegende Erfindung ist insbesondere
in dieser Hinsicht vorteilhaft.
-
Nachdem
das Auftanken vollendet ist, löst sich
das UAV 62 aus der Auftankaufnahme 18 und die
Brennstoffschläuche 66 werden
zurückgezogen, bis
die Fangtrichter 11 wieder in den Behälter 64 eintreten,
um hier verstaut zu werden.
-
Es
ist möglich,
ein nicht dargestelltes Drehgelenk in der Brennstoffschlauch-Befestigung 14 anzuordnen,
um eine im Wesentlichen freie Drehbewegung des Fangtrichters 11 relativ
zu dem zugeordneten Schlauch 66 zu ermöglichen.