AT509390A1

AT509390A1 - Luftschiff

Info

Publication number: AT509390A1
Application number: AT0015810A
Authority: AT
Original assignee: Riha Georg
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-08-15
Also published as: AT12842U1

Abstract

Es wird ein Luftschiff beschrieben, das folgende Komponenten aufweist: einen durch eine Ballonhülle gebildeten Auftriebskörper, einen ringförmigen Träger, auf dem die Ballonhülle aufgespannt oder in dem die Ballonhülle eingespannt ist, sowie mehrere gleichmäßig um den Umfang verteilte Propellereinheiten zum dreidimensionalen Navigieren in der Luft.

Description

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Beschreibung Autonomes Luftschiff 5 Die Erfindung betrifft flexibel einsetzbares, autonomes Luftschiff .

Es sind unterschiedliche Fluggeräte bekannt, die sich unbemannt und autonom in der Luft bewegen können. Im militari-10 sehen Bereich werden derartige Fluggeräte häufig als "Drohnen" bezeichnet, welche - meist mit Kameras ausgestattet - zu Aufklärungszwecken eingesetzt werden. Auch im zivilen Bereich (z.B. Verkehrsüberwachung, Vermessungstechnik, etc.) werden zu diesem Zweck häufig Helikopter eingesetzt (siehe z.B. 15 Diehl BGT defence Quadrotor-Minihubschrauber, online: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4e/Diehl_BGT_ defence_Minihubschrauber.jpg). Helikopter benötigen jedoch viel Energie, selbst wenn Sie lediglich in der Luft schweben sollen. Aus Gewichts- und Lärmgründen ist es häufig wün-20 sehenswert Elektromotoren als Antrieb zu nehmen, jedoch ist bei elektrisch angetriebenen Hubschraubern die Energieversorgung problematisch. Aus Gewichtsgründen können nur verhältnismäßig kleine Akkumulatoren zur Stromversorgung verwendet werden, was die Reichweite bzw. die Einsatzdauer so stark 25 einschränkt, dass derartige Fluggeräte für viele Zwecke nicht sinnvoll einsetzbar sind.

Ein Luftschiff ist ein lenkbares Luftfahrzeug dessen Auftrieb auf aerostatischen Kräften beruht und das über einen eigenen 30 Antrieb verfügt. Bei Anwendungen wie z.B. die Bodenüberwachung aus der Luft, z.B. zum Anfertigen von Fotografien oder Filmen aus der Luft, bieten aus energetischen Gründen Luftschiffe viele Vorteile gegenüber den oben erwähnten Hub-

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RGE001AT 2 schraubern, da der notwendige Auftrieb zum Schweben in einer bestimmten (Soll-)Höhe nicht vom Antrieb erzeugt werden muss. Energie wird lediglich zum Erzeugen von Schub für die Vorwärtsbewegung oder zum Stabilisieren des Luftschiffes an ei-5 ner Position über dem Boden benötigt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein besonders leichtes und leises Luftschiff zur Verfügung zu stellen, das zeitlich und örtlich vorgebbaren Flugpfaden au-10 tonom folgen sowie für längere Zeit praktisch lautlos an einer beliebigen Position über Grund verharren kann.

Diese Aufgabe wird durch das Luftschiff gemäß Anspruch 1 gelöst . Unterschiedliche Ausführungsformen sind Gegenstand der 15 abhängigen Ansprüche.

Es wird ein Luftschiff beschrieben, das folgende Komponenten aufweist: einen durch eine Ballonhülle gebildeten Auftriebs körper; einen ringförmigen Träger auf dem die Ballonhülle 20 aufgespannt ist; und mehrere gleichmäßig um den Umfang verteilte Propellereinheiten zum dreidimensionalen Navigieren in der Luft.

Die Propellereinheiten können mindestens zwei Propellerpaare 25 aufweisen, wobei jedes Propellerpaar aus zwei diametral gegenüberliegenden, umfangseitig am Träger montierten Propeller-Einheiten besteht. Der ringförmige Träger weist eine senkrechte Symmetrieachse 50 (siehe Rotationsachse in Fig. 3) auf. Des weiteren ist zumindest ein Propellerpaar so ausge-30 richtet, dass es Schub parallel zu der senkrechten Symmetrieachse 50 erzeugen kann. Zumindest ein weiteres ein Propellerpaar ist hingegen so ausgerichtet, dass es in Schub normal zu der senkrechten Symmetrieachse 50 erzeugen kann. Die Propel-

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lereinheiten können am ringförmigen Träger derart schwenkbar angeordnet sein, dass eine Drehachse des jeweiligen Propellers von einer waagrechten Position in eine senkrechte Position schwenkbar ist. 5

Unterhalb des ringförmigen Trägers kann ein Befestigungselement für eine Nutzlast angeordnet sein, wobei die Nutzlast an dem Element so aufgehängt ist, dass keine Nick- oder Rollmomente auf den Träger wirken. Das Befestigungselement für die 10 Nutzlast kann eine Kardanaufhängung aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Abbildungen dargestellten Beispielen veranschaulicht und näher erläutert.

In den Abbildungen zeigt: 15 20 25

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels des erfindungsgemäßen Luftschiffs;

Figur 2 eine andere perspektivische Darstellung des Luftschiffs aus Figur 1, wobei der Auftriebskörper halbtransparent dargestellt ist; und

Figur 3 eine perspektivische Darstellung der Trägerkonstruktion (des Gerüsts) des Luftschiffs aus Figur 2.

In den Abbildungen zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleicher bzw. ähnlicher Bedeutung.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung von unten ei-30 nes Beispiels einer erfindungsgemäßen Luftschiff-

Konstruktion. Das Luftschiff 1 umfasst einen annähernd rotationssymmetrisch geformten Auftriebskörper 10, der das Traggas (z.B. Helium) enthält, der ähnlich wie bei einem Zeppelin

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durch eine Ballon-Hülle begrenzt wird. Figur 2 zeigt das gleiche Luftschiff in einer anderen perspektivischen Ansicht (von oben), wobei der Auftriebskörper 10 halbtransparent dargestellt ist, sodass der innen liegende Gerüst (Skelett) 5 des Luftschiffs sichtbar ist. Figur 3 zeigt die gleiche Ansicht, jedoch ohne die Ballon-Hülle, sodass das Gerüst des Luftschiffs sichtbar wird.

Der ringförmige Träger 20 gibt dem Auftriebskörper 10 annä-10 hernd die Form eines abgeplatteten Rotationsellipsoids. Der Auftriebskörper 10 hat eine annähernd linsenförmige Quer-schnittsflache, die sich als günstig herausgestellt hat. Eine derartige Form wird in erster Linie durch den in Figur 2 dargestellten kreisringförmigen Träger 20 ermöglicht, der auch 15 im Wesentlichen das Skelett des Luftschiffes bildet. Das Luftschiff 1 kann daher aufgrund dieser Konstruktion als halbstarres Luftschiff angesehen werden. Die Linsenform, d.h. die geringe Höhe im Vergleich zum Durchmesser, reduziert die Angriffsfläche für Seitenwinde. Wie bei halbstarren Luft-20 schiffen oder Prallluftschiffen üblich sorgt ein Ballonett dafür, dass im Inneren des Auftriebskörpers 10 stets ein leichter Überdruck herrscht, um ihn dadurch prall zu halten. In den Figuren 1 und 2 liegt die Ballon-Hülle außen an dem reinförmigen Träger an, was dem gesamten Auftriebskörper eine 25 stabile form gibt. Es ist jedoch auch möglich, den Träger außerhalb der Hülle anzuordnen und den Auftriebskörper z.B. ü-ber Seile an dem ringförmigen Träger 20 ringsum zu befestigen und der Hülle auf diese Art aufzuspannen. Um ein einen einfachen Transport und Zusammenbau am Startort zu ermöglichen 30 kann der ringförmige Träger 20 aus mehreren Teilen (Segmenten) gebildet sein, die ein vertauschungssicheres Stecksystem bilden, so dass der ringförmige Träger 20 nur auf eine bestimmte Art aus den Segmenten zusammengebaut werden kann.

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Die Größe des Auftriebskörper ist derart ausgelegt, dass das Luftschiff mit seiner Nennlast beladen ohne zusätzlichen Antrieb in einer vorgegebenen Höhe schweben kann. An der Außen-5 seite des kreisringförmigen Trägers 20 können eine oder mehrere Propeller-Einheiten 30 bzw. 31 montiert sein. In dem in Figur 2 gezeigten Beispiel sind symmetrisch um den kreisringförmigen Träger 20 acht Propeller-Einheiten 30 und 31 befestigt. Dabei ist jede Propeller-Einheit an einem am Träger 20 10 befestigten Ausleger montiert, der in radialer Richtung von dem kreisringförmigen Träger 20 absteht.

Entlang des Umfangs des Trägers 20 ist jede zweite Propeller-Einheit 31 so ausgerichtet, dass die Propellerdrehachse senk-15 recht steht. Die Propeller-Einheiten 31 dienen also zur Erzeugung zusätzlichen Auftriebs zur Feinabstimmung der Flughöhe des Luftschiffes. Im Gegensatz dazu sind die anderen Propeller-Einheiten 30 so ausgerichtet, dass die Propellerdrehachsen waagrecht stehen. Die Propeller-Einheiten 31 dienen 20 also zur Erzeugung von seitlichem Schub, der je nach Ansteuerung der Propeller-Einheiten 30 in eine beliebige radiale Richtung gerichtet sein kann.

Alternativ können die Propeller-Einheiten auch so ausgebildet 25 sein, dass die Propellerachse von einer waagrechten Position (zur Erzeugung von Schub in seitliche Richtung) in eine senkrechte Position geschwenkt werden kann (zur Erzeugung von Schub nach oben, also von zusätzlichem Auftrieb). Bei der ersten Variante mit starren Propellerachsen ist die Position 30 und die Geschwindigkeit (relativ zum Grund) des Luftschiffs jedoch einfacher zu regeln.

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Das Luftschiff ist im wesentlichen symmetrisch in Bezug auf eine horizontale Symmetrieachse 50 ausgebildet, was gegenüber von herkömmlichen, zeppelinförmigen Luftschiffen einige Vorteile bietet, da die Regelung (Positions- oder Geschwindig-5 keitsregelung) des Luftschiffs sehr schnell auf Störungen z.B. durch Windböen aus beliebiger Richtung reagieren kann, um das Luftschiff auf einer gewünschten Flugbahn oder an einer bestimmten Position über Grund zu halten. 10 Die mit dem Luftschiff zu transportierende Nutzlast 40 ist unter dem Auftriebskörper 10 so befestigt, dass der Schwerpunkt der Nutzlast in der senkrechten Symmetrieachse 50 des Auftriebskörpers 10 liegt, d.h. so, dass auf den Auftriebskörper 10 keine Drehmomente um eine waagrechte Achse (Nick-15 oder Rollmomente) wirken. Beispielsweise ist die Nutzlast 40 mit zumindest drei Seilen 41 an dem ringförmigen Träger 20 aufgehängt und befindet sich somit immer unterhalb der Mitte des Auftriebkörpers. Die Last 40 kann über eine kardanische Aufhängung (Gimbal) mit den Seilen 41 verbunden sein, was den 20 Vorteil hat, dass die Last 40 (z.B. ein Kamerasystem) in eine beliebige Richtung gedreht werden kann, ohne das Luftschiff drehen zu müssen.

Die Nutzlast 40 kann neben zu transportierenden Messgeräten 25 auch die Steuer- und Kommunikationseinheit sowie die Energieversorgung (z.B. Akkumulatoren) umfassen. Die Steuereinheit kann zur Bestimmung der absoluten Position und der Geschwindigkeit über Grund ein Empfänger für ein Satellitennavigationssystem (z.B. GPS-Empfänger) aufweisen. Alternativ wäre 30 auch eine Navigation mit Hilfe von vom Boden aus gesendeten

Funkfeuern möglich. Des Weiteren ist ein Kommunikationssystem vorgesehen, das vom Boden aus eine Programmierung der Flugbahndaten ermöglicht. nachgereicht |

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Durch Verwendung von Geokoordinaten (GPS-Signalen) kann mit einer einfach zu bedienenden Software die Position und die Flugbahn des Luftschiffes vorgegeben werden. Dabei sind die 5 Propellereinheiten derart geregelt, dass Windgeschwindigkeiten bis zu 40km/h vollautomatisch kompensiert werden können.

Ein derartiger autonomer Flugmodus ermöglicht es erstmals in kostengünstiger Weise, unabhängig von der Windgeschwindigkeit 10 definierte Positionen wiederholt anzufahren oder definierte Flugbahnen zu durchlaufen.

Wie erwähnt, bietet auf Grund der symmetrischen Ausführung des Auftriebskörpers die komplett neuartige Konstruktionsart 15 mit Hilfe des ringförmigen Trägers wesentliche Vorteile im

Vergleich zu zeppelinförmigen Luftschiffen. Wesentlichen Einfluss auf die Aerodynamik hat die Spannung der Ballonhülle.

Es muss zu jeder Zeit gewährleistet sein, dass das Ballonett die Ballonhülle straff hält, damit die Angriffsfläche für 20 Winde möglichst gering bleibt. Wünschenswert wäre es, wenn das Gesamtgewicht des Luftschiffs 25kg nicht überschreitet. In diesem Fall unterliegt das Fluggerät keinen gesetzlichen Beschränkungen und besonderen admi-25 nistrativen Hürden wie Fluggenehmigungen, Flugverbote über bebauten Gebiet und Veranstaltungen und anderes mehr, außerhalb von Kontrollzonen. Eine Nutzlast von 4 kg wäre für aktuelle kleine professionelle Kamerasysteme ausreichend. 30 Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, besonders leichte und stabile Materialien zu verwenden (z.B. kohlen-stofffaserverstärkte Kunststoffe, d.h. CFK, Aluminium, etc.). Dies gilt gleichermaßen für die strukturgebenden Materialien

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RGE001AT (insbesondere für den ringförmigen Träger 20) als auch für elektronisches Equipment, die Propeller-Einheiten 30, 21 und die Ballonhülle. 5 Um bei Windgeschwindigkeiten bis zu 40 km/h sicher manövrieren zu können, ist die Verwendung von besonders effizienten und gleichzeitig leichten Antriebs-Komponenten notwendig. Die Propeller-Einheiten 30,31 umfassen jeweils einen energieeffizientem Elektromotor, einen Hochleistungsakku und Propel-10 1er. Die Leistungsfähigkeit der Antriebe für die laterale Bewegung sollte so dimensioniert werden, damit beim Outdoor-Betrieb auch bei plötzlich auftretenden Böen, Scherwinden o-der thermischen Schichtungen notwendige Leistungsreserven für eine einwandfreie Landung vorhanden sind. Durch die Anordnung 15 der Akkus direkt in den Propeller-Einheiten 31,31 wird das Gewicht einer aufwändigeren Verkabelung eingespart.

Wie oben erwähnt, kann die tragende Struktur des Luftschiffes einen Ring (Träger 20) aus CFK (kohlefaserverstärktem Kunst-20 stoff) umfasst, dessen Durchmesser den Durchmesser der Ballonhülle und damit auch den des Auftriebskörpers bestimmt.

Der CFK-Ring 20 kann als vertauschungssicheres Stecksystem ausgeführt sein, um einfachen Transport und Zusammenbau zu ermöglichen. In Kombination mit der darauf aufgespannten Au-25 ßenhülle ergibt sich daraus ein in sich ein stabiler Auftriebskörper 10.

Zur weiteren Stabilisierung können in die an sich flexible Ballonhülle an deren oberen und deren unteren Ende waagrecht 30 und symmetrisch zur Symmetrieachse 50 scheibenförmige Platten 61 bzw. 62 eingesetzt werden. Insbesondere die untere Platte 62 kann auch zur zusätzlichen Befestigung und damit der Stabilisierung der Nutzlast dienen. Des weiteren trägt die unte-

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re Platte 62 ein Ventil zur Befüllung der Ballon-Hülle und der darin angeordneten Ballonetts.

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Claims

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Patent ansprüche 1. Luftschiff mit folgenden Komponenten: einen durch eine Ballonhülle gebildeten Auftriebskörper 5 (10) einen ringförmigen Träger (20) auf dem die Ballonhülle aufgespannt ist bzw. in dem die Ballonhülle eingespannt ist; und mehrere gleichmäßig um den Umfang des ringförmigen Trä-10 gers (20) verteilte Propellereinheiten (30, 31) zum dreidimensionalen Navigieren in der Luft.
2. Luftschiff gemäß Anspruch 1, bei dem die Propellereinheiten mindestens zwei Propellerpaare aufweisen, wobei jedes 15 Propellerpaar aus zwei diametral gegenüberliegenden, umfangseitig am Träger (20) montierten und Propeller-Einheiten besteht .
3. Luftschiff gemäß Anspruch 2, bei dem der ringförmige Trä-20 ger (20) eine senkrechte Symmetrieachse aufweist, und zumindest ein Propellerpaar (31) so ausgerichtet ist, dass es Schub parallel zu der senkrechten Symmetrieachse erzeugen kann, und bei dem zumindest ein weiteres ein Propellerpaar (30) so ausgerichtet ist, dass es in Schub normal zu der 25 senkrechten Symmetrieachse erzeugen kann.
4. Luftschiff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Propellereinheiten (30, 31) am ringförmigen Träger (20) derart schwenkbar angeordnet sind, dass jeweils eine Drehachse 30 des jeweiligen Propellers von einer waagrechten Position in eine senkrechte Position schwenkbar ist. NACHGEREICHT RGE001AT 11 • »« ·· · I ·· · » I « I • · a · · · · • I * ·«· l«l» • ♦ · ♦ t ·«·*··* · · *
5. Luftschiff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mittig unterhalb des ringförmigen Trägers (20) ein Befestigungselement für eine Nutzlast (40) angeordnet ist, die an dem E-lement (20) so aufgehängt ist, dass keine Nick- oder Rollmo- 5 mente auf den Träger (20) wirken.
6. Luftschiff gemäß Anspruch 5, bei dem das Befestigungselement für die Nutzlast (40) eine Kardanaufhängung aufweist.
7. Luftschiff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der ringförmige Träger (20) aus mehreren Segmenten gebildet ist, die ein vertauschungssicheres Stecksystem bilden, so dass der ringförmige Träger (20) nur auf eine bestimmte Art aus den Segmenten zusammengebaut werden kann. 15 NACHGEREICHT