DE202014004877U1 - Composite Quadrotor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Verbund-Quadrotor mit einem elektrisch angetriebenen VTOL-Hubsystem und einem davon getrennten Antrieb für den Vorwärtsflug sowie aerodynamische Flächen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel zur Längsachse (1) ausgerichtete Tragholme (2, 2') in einer Doppelfunktion die aerodynamischen Flächen (4, 5) miteinander verbinden und auf den Tragholmen (2) Hubmotoren (3, 3') montierbar sind.The invention relates to a composite quadrotor with an electrically driven VTOL lifting system and a separate drive for forward flight as well as aerodynamic surfaces, characterized in that two support bars (2, 2 ') aligned parallel to the longitudinal axis (1) have a dual function for aerodynamic Connect surfaces (4, 5) to one another and lift motors (3, 3 ') can be mounted on the support bars (2).
Description
Stand der TechnikState of the art
Quadrotoren haben sich als VTOL-Geräte (VTOL, vertical take off and landing) aufgrund ihrer speziellen Vorteile auf bestimmten Einsatzgebieten (z. B. Kamera-Flüge, Spielzeug) etabliert. Der Begriff ”Quadrotor” (bzw. Quadcopter, Quad) bezieht sich generell auf Flugeräte mit horizontaler Rotor/Propeller-Ebene und mehreren Elektroantrieben. Dabei ist die bei Quads sich eingebürgerte Bezeichnung ”Rotor” irreführend, da es sich um Propeller ohne zyklische und kollektive Blattverstellung (vgl. Hubschrauber-Rotor) handelt. Bei der weiteren Beschreibung soll aber hier aus Gründen der Verständlichkeit die Bezeichnung Rotor beibehalten bleiben, auch wenn es sich um Propeller handelt.Quadrootors have established themselves as VTOL (Vertical Take Off and Landing) devices because of their special advantages in certain applications (eg camera flights, toys). The term "quadrotor" (or quadcopter, quad) generally refers to aircraft with horizontal rotor / propeller plane and multiple electric drives. The term "rotor", which is naturalized in quads, is misleading, since it concerns propellers without cyclical and collective blade adjustment (see helicopter rotor). In the further description, however, the term rotor should be retained here for reasons of clarity, even if it is a propeller.
Die hauptsächlichen Vorteile der Quads sind einfache Drehzahlsteuerung der E-Motoren (keine Rotorblattverstellung erforderlich), ideale flugmechanische Hubgeometrie und geringe Herstellkosten. Aufgrund der stabilen Schwebeflugeigenschaft lassen sich automatisierte Flugprofile (z. B. VTOL-Phase, Coming-home-Funktion) mit kostengünstiger Regelung/Steuerung realisieren. Ein weiterer Quad-Vorteil ist der fast geräuschlose und emissionsfreie Schwebeflug. Eine genauere Beschreibung der Quad-Wirkungsweise ist u. a. der
Bei der Quad-Bauweise hat sich das Konzept mit vier Rotoren in einer sternförmigen Anordnung hinsichtlich gut beherrschbarer Flugmechanik bei geringer mechanischer Komplexität durchgesetzt.In the Quad construction, the concept has prevailed with four rotors in a star-shaped arrangement with respect to easily manageable flight mechanics with low mechanical complexity.
Als entscheidende Nachteile der Quadrotoren sind allerdings geringe Reichweite und Fluggeschwindigkeit zu nennen, was auf die begrenzte Batteriekapazität und den mangelnden Vorwärtsflug-Antrieb zurückzuführen ist. Außerdem vermindert das ungünstige Verhältnis Gewicht zu Leistung der Batterie die Nutzlast. Somit können verschiedene Missionen von den Quads nicht wahrgenommen werden. Hier sind andere Fluggeräte im Vorteil, vor allem Flächen- oder Verbundflugzeuge mit VTOL-Antrieben: Kipprotoren, Kipp-Propeller, Kippflügler, Bläser im Flügel (z. B.
Aufgabenstellungtask
Nach vorstehender Analyse von VTOL-Geräten ist es Aufgabe der Erfindung, die Kombination Flugzeugzelle/Quadrotor hinsichtlich Aerodynamik und Gewicht gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern, um damit den Flugbereich hinsichtlich Geschwindigkeit, Einsatzradius und Flugdauer zu erweitern. Als Anwendungsgebiete kommen vielfältige Drohnenmissionen aber auch – je nach zukünftiger Batterieentwicklung – der Leichtflugzeugbau infrage.After the above analysis of VTOL devices, it is an object of the invention to improve the combination airframe / quadrotor in terms of aerodynamics and weight over the prior art, so as to expand the flight range in terms of speed, radius of use and flight duration. Areas of application are diverse drone missions but also - depending on future battery development - light aircraft construction in question.
Beschreibungdescription
In Anlehnung an den Begriff ”Verbund-Hubschrauber” (Hubschrauber mit getrenntem Vorwärtsflug-Antrieb und ggfs. Flügel) wird hier für die Kombination einer Flugzeugzelle mit einem Quadrotor, plus getrennten Antrieb für den Vorwärtsflug, die Bezeichnung ”Verbund-Quadrotor” vorgeschlagen.Following the term "compound helicopter" (helicopter with separate forward flight drive and possibly wings) is proposed here for the combination of an airframe with a quadrotor, plus separate drive for the forward flight, the term "compound quadrotor".
Der erfindungsgemäße Verbund-Quadrotor ist entsprechend dem Patentanspruch 1 durch zwei schlanke Tragholme gekennzeichnet, welche in einer Doppelfunktion die aerodynamischen Flächen (Flügel, Leitwerke) verbinden und zugleich als Basis für die Rotorantriebe dienen. Mit diesem Konzept wird erreicht, dass Oberfläche, Gewicht und Widerstand minimiert werden können. Dabei ersetzen die beiden Tragholme den konventionellen Rumpf als Leitwerksträger, während zur Aufnahme der Nutzlast ein am Flügel bzw. Entenleitwerk montierter Profiltropfen vorgesehen ist. Desweiteren gewährleisten die Tragholme auch die Ausbildung einer Enten-/Tandemkonfiguration; ebenso ist ein Nurflügel-Quad möglich.The composite quadrotor according to the invention is characterized according to
Der Verbund-Quad verfügt typischerweise über elektrisch betriebene Hubrotoren, ergänzt durch einen davon getrennten Antrieb für den Vorwärtsflug. Für eine längere Flugdauer kommt hierfür gegenüber dem E-Antrieb am ehesten ein Verbrennungsmotor infrage. Dieser ist vorzugsweise am Heck des o. g. Profiltropfens zwischen den Tragholmen montierbar, um so im Falle einer Drohnenanwendung den vorne installierten Sensoren ein ungestörtes Sichtfeld zu gewährleisten.The compound quad typically has electrically driven lift rotors, supplemented by a separate drive for forward flight. For a longer flight duration, this is most likely to be compared to the electric drive an internal combustion engine in question. This is preferably at the rear of the o. G. Profile drop between the support beams mountable so as to ensure in the case of a drone application the front mounted sensors an undisturbed field of view.
Systembedingt muß beim Verbund-Quadrotor der Schubmittelpunkt der Rotoren sich mit dem Schwerpunkt der Flugzeugzelle decken. Hierfür ist die Länge der Tragholme anzupassen oder es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Hubeinheiten vor und hinter dem Schwerpunkt bezüglich Rotordurchmesser oder/und Antriebsleistung unterschiedlich ausgelegt werden. Damit ist eine Verschiebung des Schubmittelpunkts möglich und die Tragholmlänge ist minimierbar (vgl. im Gegensatz dazu
Außerdem sei erwähnt, dass die Installation der Hubeinheiten auf den Tragholmen Rotoren mit großen Durchmessern erlauben, was geringe Strahlflächenbelastung (hoher spezifischer Schub) ergibt. Zudem werden keine aerodynamischen Flächen vom Rotorabwind beaufschlagt, wodurch die volle Hubkraft erhalten bleibt.In addition, it should be noted that the installation of the lifting units on the support bars allow rotors with large diameters, resulting in low jet area loading (high specific thrust). In addition, no aerodynamic surfaces are acted upon by the rotor tailwind, whereby the full lifting capacity is maintained.
Zeichnungendrawings
Die Erfindung ist anhand von Zeichnungen dargestellt und näher beschrieben. Die Figuren zeigen:The invention is illustrated with reference to drawings and described in more detail. The figures show:
In
Fig. 1aFig. 1a
Die Zeichnung zeigt den typischen Aufbau eines Quadrotors mit vier elektrisch angetriebenen Hubeinheiten an den Enden der Auslegerarme und das zentrale Gehäuse für Steuerung und Batterien. Mit dieser Auslegung sind Flugdauer und Reichweite aber beschränkt, so dass nur kurze Einsätze im Nahbereich möglich sind.The drawing shows the typical structure of a quad rotor with four electrically driven lifting units at the ends of the cantilever arms and the central housing for control and batteries. With this design, flight duration and range are limited, so that only short operations at close range are possible.
Fig. 1bFig. 1b
In der Skizze ist das Spielzeugmodell ”Raptor Dogfight Quadcopter F2” dargestellt. Dabei ist die einem Quadrotor umgebende Flugzeugzelle lediglich Attrappe zur Vortäuschung eines VTOL-Flugzeugs. Letztlich sind alle Flugmanöver vom eingebauten Quadrotor abhängig, da ein Vortriebspropeller fehlt. Schließlich liefern die in der Zelle integrierten kleinen Propeller wegen hoher Strahlflächenbelastung nur wenig spezifischen Schub.The sketch shows the toy model "Raptor Dogfight Quadcopter F2". The airframe surrounding a quadrotor is merely a dummy for simulating a VTOL aircraft. Ultimately, all maneuvers are dependent on the built-Quadrotor, as a propulsion propeller is missing. After all, the small propellers integrated in the cell only provide a small amount of specific thrust due to high jet area loading.
Fig. 1cFig. 1c
Die Systemzeichnung zeigt eine Zweiseitenansicht der ”Panther”-Drohne der Fa IAI/Israel (
Fig. 1dFig. 1d
Dargestellt ist eine Skizze der o. g. Drohne der Fa Arcturus/USA, wobei ein Quadrotorsystem in einer vorhandenen Flugzeugzelle integriert ist. Ersichtlich ist, dass der Schubmittelpunkt im Schwerpunkt liegt und deshalb die vorderen Rotorträger länger als die hinteren Träger ausgebildet sein müssen. Bei der strukturellen Integration bleibt auch der voluminöse Rumpf als Leitwerksträger erhalten, was Gewicht und Oberfläche verursacht und die Aerodynamik verschlechtert. Außerdem läßt die Rumpfkonstruktion den Einbau einer Druckschraube im Heck eher nicht zu (Schwerpunktproblem), was den Sensoren im Vorderrumpf wegen dem vorne liegenden Antrieb nur ein beschränktes Sichtfeld gibt.Shown is a sketch of the o. G. Drone of the company Arcturus / USA, whereby a quadrotor system is integrated in an existing airframe. It can be seen that the shear center is in the center of gravity and therefore the front rotor carrier must be designed to be longer than the rear carrier. In the structural integration of the voluminous hull remains as a tail boom, which causes weight and surface and deteriorates the aerodynamics. In addition, the hull construction allows the installation of a pressure screw in the rear rather not (focus problem), which gives the sensors in the front fuselage because of the front drive only a limited field of view.
Fig. 2Fig. 2
Die Zeichnung zeigt den erfindungsgemäßen Verbund-Quadrotor in einer Drohnenausführung. Die beiden zur Längsachse (
Die Schubresultierende der Hubmotoren (
Zur Unterbringung der erforderlichen Flugsysteme (Steuerung, Regelung, z. T. Energieversorgung) dient die zentral und widerstandsarm angeordnete Rumpfgondel (
Fig. 3Fig. 3
Als Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ist ein Enten-/Tandemflugzeug dargestellt. Die beiden Tragholme (
Fig. 4Fig. 4
Dargestellt ist ein Nurflügel (
Fig. 5Fig. 5
Die Zeichnung zeigt in der Draufsicht eine Version des Verbund-Quadrotor in einer Ausführung als zweisitziges Leichtflugzeug. Der Antrieb (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Flugzeuglängsachse (= Symmetrieachse)Aircraft longitudinal axis (= symmetry axis)
- 22
- Tragholmspar
- 2'2 '
- TragholmkonusCarrying beam cone
- 3, 3'3, 3 '
- ElektrohubmotorElektrohubmotor
- 44
- Flügelwing
- 55
- Höhenleitwerktailplane
- 5'5 '
- Enten-/TandemflügelDuck / Tandem wing
- 6, 6'6, 6 '
- Rotor/Propeller-KreisflächeRotor / propeller-circular surface
- 77
- Schwerpunkt = RotorschubmittelpunktCenter of gravity = rotor thrust center
- 88th
- Mittlere FlügeltiefeMean chord depth
- 99
- Antrieb VorwärtsflugDrive forward flight
- 1010
- Rumpfgondelhull gondola
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 29916203 [0004] DE 29916203 [0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Flight-Magazin, 29. Apr. 2014, S. 16; vgl. Zeichnung Fig. 1d [0004] Flight Magazine, Apr. 29, 2014, p. 16; see. Drawing Fig. 1d [0004]
- Flight-Magazin, 11. Febr. 2014, S. 15 [0020] Flight Magazine, 11 Feb. 2014, p. 15 [0020]
Claims (7)
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Publications (1)
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Legal Events
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Effective date: 20140828 |
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R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |
Effective date: 20150408 |