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Die Erfindung betrifft ein Fluggerät mit einem Rumpf und mindestens zwei am Rumpf ange brachten Querstromrotoren, die im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet sind und die ein Vielzahl von Schaufeln aufweisen, die sich über den Umfang des Rotors erstrecken, wobei de Umfang des Rotors durch eine erste Leitfläche und eine zweite Leitfläche teilweise abgedeckt is so dass zwischen diesen Leitflächen eine Lufteinlassöffnung und eine Luftauslassöffnung gebilde werden.
Es sind vielfache Anstrengungen unternommen worden, die Vorteile eines Flugzeugs mit de nen eines Hubschraubers zu vereinen. Vom besonderen Interesse ist dabei die Eigenschaft vo Hubschraubern, senkrecht starten und landen zu können, oder auch bei Bedarf in der Luft stillste hen zu können, um beispielsweise Personen zu bergen, bzw. um spezielle Transport- und Monte geflugmanöver oder ähnliche Aufgaben zu erfüllen. Nachteilig bei bestehenden Hubschraubern is jedoch der hohe technische Aufwand, insbesondere im Bereich der Rotorsteuerung, sowie da enorme Absturzrisiko bereits bei geringfügigster Berührung der rotierenden Rotorblätter mit einer Hindernis wie z. B Baumwipfel oder Felswände. Gerade Einsatzbedingungen, wie Alpinbergunger sind äusserst kritisch, da einerseits eine Position möglichst nahe an z.
B. einer Felswand erfordei lich wäre, andererseits die geringste Kollision bereits fatale Auswirkungen zur folge hat ; somit kan nur unter Einhaltung entsprechend grosser Sicherheitsabstände gearbeitet werden. Ein weitere Nachteil ist der hohe Treibstoffverbrauch von Hubschraubern, der auch im Reiseflug gegeben ist.
Um diese Nachteile zu vermeiden, sind sogenannte VTOL- oder STOL-Flugzeuge entwicke worden, die vom Aufbau her grundsätzlich Flugzeugen ähneln, jedoch durch verschiedene techn sehe Massnahmen mit der Fähigkeit ausgestattet sind, senkrecht starten und landen zu könner oder zumindest mit extrem kurzen Start- und Landebahnen auszukommen.
Eine solche Lösung ist beispielsweise in der EP 0 918 686 A offenbart. Diese Druckschrift be schreibt ein Flugzeug, das Tragflächen aufweist, die im Wesentlichen durch Querstromrotore gebildet sind. Auf diese Weise ist es möglich, durch entsprechende Strahlumlenkung einen vertik nach unten gerichteten Luftstrahl zu erzeugen, um den Senkrechtstart des Fluggerätes zu ermögl chen. Für den Reiseflug kann der Schub entsprechend umgelenkt werden.
Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist zum einen, dass die auf die Auftriebserzeugung op timierten Tragflächen einen hohen Luftwiderstand aufweisen, so dass der Treibstoffverbrauc insbesondere bei höheren Fluggeschwindigkeiten übermässig gross ist und dass das Flugger insgesamt eine relativ grosse Spannweite aufweist. Es benötigt daher viel Platz und ist auch unte beengten Verhältnissen nicht oder nur schlecht einsetzbar.
Ein weiteres Fluggerät, das Auftrieb unter Verwendung von abgewandelten Querstromventile toren erzeugt, ist in der DE 196 34 522 A offenbart. Abgesehen von der Frage der nicht unmittelba ersichtlichen Funktionsfähigkeit eines solchen Fluggerätes sind auch hier die oben beschriebene Nachteile gegeben.
Ein weiteres Fluggerät mit einem Querstromrotor als Antriebselement ist aus de US 6,016,992 A bekannt. Auch hier ergibt sich durch den Querstromrotor in Flugrichtung eine set grosse Querschnittsfläche, und der Platzbedarf ist ähnlich hoch wie bei den oben beschriebene Lösungen.
Ein weiteres bekanntes Fluggerät mit der Möglichkeit des Senkrechtstarts ist in de US 3,361,386 A offenbart. Bei diesem Flugzeug sind extrem variable Tragflächen vorgesehen, di mit Öffnungen zum Gasaustritt versehen sind. Durch den systembedingt schlechten Wirkungsgra eines solchen Systems ist der Treibstoffverbrauch extrem hoch. Die US 4,519,562 A beschreibt ei senkrecht startendes Flugzeug, bei dem ein nach unten gerichteter Luftstrom über eine Gasturbin erzeugt wird. Auch hier ist ein schlechter Wirkungsgrad mit einem entsprechend hohen Treibstof verbrauch gegeben.
Aus der US 6,261,051 B ist eine besondere Ausbildung eines Querstromrotors bekannt, wobe jedoch keinerlei Angaben über Einbau oder Verwendung dieses Querstromrotors gegeben sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fluggerät zu schaffen, das einen senkrechte Start und eine senkrechte Landung ermöglicht, das in der Luft einen Schwebezustand einnehme kann, mit einer Beweglichkeit, die eine langsame Vorwärts-, Rückwärts-, parallele Seitwärtsbewe gung nach Backbord oder Steuerbord sowie eine Drehbewegung um die Vertikalachse in bzv gegen den Uhrzeigersinn ausführen kann, und das gleichzeitig für einen schnellen Reiseflug ge eignet ist. Insbesondere soll dabei eine hohe Treibstoffökonomie erreicht werden, und der techn
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sehe Aufwand soll minimiert werden. Weiters soll durch eine spezielle Abdeckung der Querstrom- rotoren und durch insgesamt kompakte Bauart erreicht werden, dass das Fluggerät wesentlich näher an Hindernisse (z. B.
Felswand, Hochhauswand) heran manövriert werden kann und dass selbst bei Berührung des Fluggerätes mit einem Hindernis, bedingt durch die gegen Kollision geschützten Querstromrotoren, ein Absturz sicher verhindert werden kann.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass die Rotoren jeweils eine Zylin- derachse aufweisen, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Fluggerätes ist und dass eine Leitfläche zumindest teilweise von einer Aussenfläche des Rumpfes gebildet ist.
Durch die Anordnung der Querstromrotoren parallel zum Rumpf können mehrere Vorteile gleichzeitig erreicht werden. Zum einen können die Querstromrotoren einen relativ grossen Durch- messer aufweisen, ohne die Querschnittsfläche in Fortbewegungsrichtung allzu sehr zu erhöhen, wodurch auch im schnellen Reiseflug ein geringer Treibstoffbedarf gegeben ist. Zum anderen ist das erfindungsgemässe Fluggerät äusserst kompakt aufgebaut und benötigt somit nicht nur wenig Platz in einem Hangar oder dergleichen, sondern ist auch extrem wendig.
Dies ermöglicht bei- spielsweise die Landung auf Waldlichtungen oder im innerstädtischen Bereich zwischen Bauwer- ken, wo die Landung eines Hubschraubers aufgrund des vorgegebenen Rotordurchmessers nicht mehr möglich wäre. Überdies sind Querstromrotoren besonders robust im Aufbau und umfassen im Allgemeinen ausser dem Rotor selbst keine weiteren beweglichen Teile, so dass der technische Aufwand äusserst gering ist. Durch die Anbringung der Rotoren im unmittelbaren Nahbereich des Rumpfes ist die mechanische Beanspruchung der Rotoraufhängungen sehr gering, so dass eine entsprechende Leichtbauweise möglich ist, die wiederum zur Treibstoffersparnis beiträgt.
Eine besonders raumökonomische Anordnung der einzelnen Bauteile ist gegeben, wenn die Rotoren im oberen Bereich des Rumpfes angeordnet sind. Zusätzlich wird dadurch eine besonders aerodynamisch günstige Ausführung erreicht, da die Ansaugöffnungen völlig frei und unbehindert durch sonstige Bauteile des Fluggerätes angeströmt werden.
Eine weitere besonders begünstigte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Ro- toren durch Gasturbinen gegenläufig angetrieben sind. Ähnlich wie Hubschraubern ist bei Gastur- binen ein besonders günstiges Verhältnis von Leistung zu Eigengewicht gegeben. Ein zusätzlicher Vorteil gegenüber Hubschraubern besteht bei der vorliegenden Erfindung darin, dass die Drehzah- len der Querstromrotoren wesentlich höher liegen als die von üblichen Hubschrauberrotoren, so dass sich der bauliche Aufwand für Getriebe wesentlich verringert. Je nach Baugrösse, Einsatz- zweck und Sicherheitsvorschriften können die beiden Rotoren von einer gemeinsamen Gasturbine angetrieben werden, oder es kann jedem Rotor eine eigenen Gasturbine zugeordnet werden.
Der Wirkungsgrad der Querstromrotoren kann insbesondere dadurch weiter verbessert wer- den, dass im Inneren der Rotoren jeweils mindestens eine feststehende Leitschaufel vorgesehen ist bzw. ein verstellbares System von mehreren Leitschaufeln, die die Manövrierbarkeit zusätzlich unterstützen.
Besonders hohe Reisegeschwindigkeiten können dadurch erreicht werden, dass zusätzliche Triebwerke zur Erzeugung eines Schubs für den Vortrieb des Fluggerätes vorgesehen sind. An sich ist es möglich und grundsätzlich auch ausreichend, dass der Vortrieb durch die verstellbaren Leitschaufeln erzeugt wird, indem diese die ausgeblasene Luft nach hinten umlenken. Die Reise- geschwindigkeit ist jedoch in diesem Fall begrenzt, so dass höhere Reisegeschwindigkeiten in vorteilhafter Weise durch die zusätzlichen Triebwerke erreicht werden. Diese können beispielswei- se als Mantelstromtriebwerke ausgebildet werden. Der Start- und Landevorgang kann dadurch unterstützt werden, dass die zusätzlichen Triebwerke schwenkbar angeordnet sind.
Einerseits kann dadurch die Auftriebskraft erhöht werden, wenn der Triebwerksstrahl senkrecht nach unten gerichtet ist, und andererseits kann durch entsprechende Steuerung des Schwenkwinkels die Manövrierbarkeit zusätzlich erhöht werden.
Der Treibstoffverbrauch beim Senkrechtstart bzw. bei der Landung und beim Schwebeflug wird massgeblich von der umgesetzten Luftmenge beeinflusst. Es ist daher insbesondere günstig, wenn sich die Rotoren über mindestens 40%, vorzugsweise über mindestens 70% der Länge des Rump- fes erstrecken. Auf diese Weise ist möglich, bei vorgegebener Querschnittsfläche eine grösstmögli- che volumetrische Leistung der Querstromrotoren zu erzielen.
Die Manövrierfähigkeit, insbesondere im Schwebeflug und beim Start bzw. bei der Landung, kann dadurch verbessert werden, dass im Bereich der Luftauslassöffnungen verstellbare Leit-
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schaufeln vorgesehen sind. Bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten ist die Möglichkeit der Steuerung durch das Leitwerk stark eingeschränkt, so dass sich auf diese Weise eine besonders günstige Manövrierbarkeit ergibt. Um eine Rotation des Fluggerätes auch um eine vertikale Achse zu er- möglichen, ist es in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt, wenn die verstellbaren Leit- schaufeln aus mehreren Segmenten bestehen, die unabhängig voneinander betätigbar sind. Wei- tere verstellbare Leitschaufeln, die um eine Querachse des Fluggerätes schwenkbar sind, ermögli- chen eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung im Schwebezustand, die besonders fein steuerbar ist.
Weiters ist es besonders bevorzugt, wenn die zweite Leitfläche der Rotoren als mechanischer Schutz der Schaufeln gegen eine Kollision mit einem festen Hindernis ausgebildet ist. Dies bedeu- tet, dass die zweite Leitfläche nicht nur als strömungstechnisch relevanter Bauteile ausgebildet ist, sondern auch in mechanisch entsprechend robuster Weise ausgebildet ist, um die Rotoren gegen- über einer Beschädigung zu schützen, wenn das Fluggerät mir geringer Relativgeschwindigkeit eine Kollision mit einem Hindernis erleidet.
In der Folge wird die vorliegend Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Fluggerätes von vorne, Fig. 2 eine Ansicht des Fluggerätes von Fig. 1 von oben, Fig. 3 eine axonometrische Ansicht des Fluggerätes, Fig. 4 eine seitliche Ansicht, Fig. 5 einen Schnitt nach Linie V-V in Fig. 4, Fig. 6 einen Schnitt entsprechend Fig. 5 in einer unterschiedlichen Fluglage und Fig. 7 und 8 weitere Ausfüh- rungsvarianten der Erfindung in einer Darstellung entsprechend Fig. 4.
Das Fluggerät besteht aus einem Rumpf 1 mit einer Längsachse 1 a und zwei oberhalb dieser Längsachse 1a angeordneten Querstromrotoren 2 und 3. Im hinteren Bereich des Rumpfes sind in an sich üblicher Weise ein Höhenleitwerk 4 und ein Seitenleitwerk 5 vorgesehen. Kufen 6 stützen das Fluggerät am Boden ab. Hinter den Querstromrotoren 2,3 sind im Bereich der Leitwerke 4,5 zwei Mantelstromtriebwerke 7 vorgesehen, um den nötigen Vortrieb zu erzeugen.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Länge L1 der Querstromrotoren 2,3 etwa 50% der Länge L des gesamten Fluggerätes entspricht.
In Fig. 5 ist der Aufbau des Fluggerätes in grösserer Detaillierung im Schnitt dargestellt. Die Ro- toren 2,3 besitzen eine Vielzahl von Schaufeln 8, die entlang des Umfanges angeordnet sind. Am Umfang sind die Rotoren 2,3 jeweils durch eine erste Leitfläche 9 und eine zweite Leitfläche 10 abgedeckt. Dabei ist die erste Leitfläche 9 als Teil der Aussenfläche des Rumpfes 1 ausgebildet, während die zweite Leitfläche 10 jeweils als Strömungsleitblech ausgebildet ist. Durch die Drehung der Querstromrotoren 2,3 im Sinne der Pfeile 11wird eine Luftströmung induziert, so dass Luft entlang der Pfeile 12 angesaugt wird und in Richtung der Pfeile 13 ausgestossen wird. Der obere offene Bereich der Rotoren 2,3 dient somit als Lufteinlassöffnung 14, und der untere offene Be- reich als Luftauslassöffnung 15.
Durch den Impuls der nach unten ausgestossenen Luftmengen ergibt sich insgesamt eine Auftriebskraft auf das Fluggerät, die durch den Pfeil 16 dargestellt ist und die bei entsprechender Auslegung ausreicht, das Fluggerät vom Boden abzuheben.
Unterhalb der Rotoren 2,3 sind verstellbare Leitschaufeln 17 vorgesehen, die bei den Ausfüh- rungsvarianten der Fig. 4 und Fig. 8 aus mehreren Segmenten 17a, 17b, 17c bestehen, die unab- hängig voneinander um eine zur Längsachse des Fluggerätes parallelen Achse schwenkbar sind.
Dadurch kann durch die Leitschaufeln 17 auch eine Drehung des Fluggerätes um eine Vertikalach- se 1b bewirkt werden. In Fig. 6 ist gezeigt, dass die unterhalb der Luftausstossöffnungen 15 ange- ordneten Leitschaufeln 17 die Richtung der Luftstrahlen im Sinne der Pfeile 13 entsprechend abgeändert werden kann. In der in Fig. 6 gezeigten Stellung wird durch Verschwenkung der be- weglichen Leitschaufeln 17 eine Kraftkomponente nach Backbord erzeugt, was durch den Pfeil 16 angedeutet ist. Innerhalb der Querstromrotoren können Leitschaufeln 18 zur verbesserten Luft- strömungsführung vorgesehen sein. Die Leitschaufeln 18 können beweglich ausgeführt sein, was die Manövrierfähigkeit bei hohem Wirkungsgrad verbessert.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsvariante mit zusätzlichen schwenkbaren Leitschaufeln 19 zur Sta- bilisierung des Fluggerätes im Schwebezustand in der Luft bzw. zur langsamen und präzisen Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung durch Beeinflussung der Luftstrahlen 13 am Austritt aus den Querstromrotoren 2 und 3.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung, bei der die verstellbaren Leitschaufeln 17
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je Seite aus drei Segmenten 17a, 17b und 17c bestehen und unabhängig voneinander angesteuert werden können.
Der Antrieb der Querstromrotoren 2,3 kann im Prinzip durch Kolbenmotoren erfolgen, wird je- doch bevorzugt über Gasturbinen durchgeführt, was in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Darstellung eines Fluggerätes, das die Möglichkeit eines senkrechten Starts und einer senkrechten Landung aufweist, eine fast unbegrenzte Manöv- rierbarkeit im Schwebezustand erlaubt und gleichzeitig eine hohe Reisegeschwindigkeit bei gleich- zeitiger Treibstoffökonomie bietet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Fluggerät mit einem Rumpf (1 ) und mindestens zwei am Rumpf (1 ) angebrachten Quer- stromrotoren (2,3), die im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet sind und die eine Viel- zahl von Schaufeln (8) aufweisen, die sich über den Umfang des Rotors erstrecken, wobei der Umfang des Rotors durch eine erste Leitfläche (9) und eine zweite Leitfläche (10) teil- weise abgedeckt ist, so dass zwischen diesen Leitflächen (9,10) eine Lufteinlassöffnung (14) und eine Luftauslassöffnung (15) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (2,3) jeweils eine Zylinderachse aufweisen, die im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (1a) des Fluggerätes ist und dass eine Leitfläche (9,10) zumindest teil- weise von einer Aussenfläche des Rumpfes (1 ) gebildet ist.