AT517539A1 - VTOL-Luftfahrzeug mit bewegbarer Masse zur Steuerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein VTOL-Fahrzeug (1) mit mindestens zwei schwenkbaren Rotoren (3). Die Rotoren (3) sind in einer im Wesentlichen horizontalen Position anordenbar, und hierbei jeweils um eine Schubachse (13) parallel zu einer Hochachse (28) des VTOL-Fahrzeugs (1) rotierbar, sodass das VTOL-Fahrzeug (1) in einem Schwebeflug bewegbar ist. Die Rotoren (3) sind in einer im Wesentlichen vertikalen Position anordenbar, und hierbei jeweils um ihre Schubachse (13) parallel zu einer Längsachse (11) des VTOL-Fahrzeugs (1) rotierbar, sodass das VTOL-Fahrzeug (1) in einem Horizontalflug bewegbar ist. Das VTOL-Fahrzeug (1) weist am oder im Rumpf (7) eine bewegbare Masse (9) auf, die während des Schwebeflugs derart bewegbar ist, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1) zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.

Description

VTOL-Luftfahrzeug mit bewegbarer Masse zur Steuerung

Die Erfindung bezieht sich auf ein VTOL-Luftfahrzeug mit bewegbarer Masse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zum Betrieb eines VTOL-Luftfahrzeugs gemäß Anspruch 17.

Gegenwärtige Drehflügel-Luftfahrzeuge, insbesondere VTOL-Luftfahrzeuge (VTOL: „Vertikal Take-Off and Landing“) wie zum Beispiel Dualcopter oder Bicopter, neigen während des Llugbetriebs zur Instabilität. Schwierigkeiten bereitet die Llugstabilität von zweimotorigen VTOL-Luftfahrzeugen mit zwei Rotoren nach dem Stand der Technik, weil die Lluglagenregelung um alle drei Achsen (Sechs Lreiheitsgrade) von nur vier Regelgrößen (Propellerblattstellung der beiden Rotoren sowie Drehzahl der beiden Motoren) kompensiert werden muss. Bei derartigen VTOL-Luftfahrzeugen führt das Zusammenspiel der Trägheitstensoren der Rotoren mit dem Massenträgheitsmoment der unbewegten Teile, beispielsweise dem Rumpf, bei zu schnell vollzogener Kippbewegung der Rotoren aus ihrer Drehebene zu einem gegengleichen Nickmoment. Dies bringt die Gefahr von sich auf schaukelnden Oszillationen mit sich. Daher gilt diese Konfiguration bei VTOL-Luftfahrzeugen bisher als sehr instabil im Schwebeflug, sowie beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug, und umgekehrt.

Ein vergleichbares VTOL-Luftfahrzeug ist aus dem Dokument EP 2 551 190 Al bekannt. Dieses VTOL-Luftfahrzeug weist die oben dargestellte Instabilität während des Llugbetriebs auf, insbesondere beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug und beim Wechsel vom Horizontalflug in den Schwebeflug.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein VTOL-Luftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen VTOL-Luftfahrzeugs zu schaffen, bei dem die vorstehenden Nachteile nicht auftreten, und bei dem die Llugeigenschaften verbessert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, dass das VTOL-Luftfahrzeug am oder im Rumpf eine bewegbare Masse aufweist.

Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass das VTOL-Luftfahrzeug am oder im Rumpf eine bewegbare Masse aufweist, die während einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung der Rotoren derart bewegbar ist, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.

Das Vorsehen dieser bewegbaren Masse, die in einer erfindungsgemäßen Ausführung entlang der Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs verschiebbar ist, hat den Vorteil, dass die Flugstabilität insbesondere bei der Transition, also beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug oder beim Wechsel vom Horizontalflug in den Schwebeflug, sowie beim Schwebeflug selbst, gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.

Eine erfindungs gemäße Ausführung des VTOL-Luftfahrzeugs sieht einen Rumpf, mindestens zwei angetriebene Rotoren, Tragflächen an denen die Rotoren angeordnet sind, sowie eine bewegbare Masse vor. Darüber hinaus ist das System darauf ausgerichtet, dass alle rotierenden Teile so leicht wie möglich gestaltet sind, um die resultierenden Massenträgheitsmomente zu verringern.

Die Rotoren sind durch Aktuatoren schwenkbar. Vorzugsweise sind die Rotoren mindestens in einem 120 Gradwinkel schwenkbar, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, während des Schwebeflugs horizontal, im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche beziehungsweise zur VTOL-Luftfahrzeug-Längsachse, und während des Horizontalflugs vertikal, in einem im Wesentlichen 90-Gradwinkel zur Erdoberfläche beziehungsweise zur VTOL-Luftfahrzeug-Längsachse, angeordnet sind. Bei besonderen Ausführungsformen sind die Rotoren, und somit die Rotorblätter, auch in einem 180-Gradwinkel oder einem 360-Gradwinkel schwenkbar, und können entgegen der Llugrichtung geneigt werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen befinden sich in den Tragflächen Ausnehmungen, in denen die Rotoren angebracht sind. Dies bietet den Vorteil, dass das Entstehen eines, bei VTOL-Luftfahrzeugen im Schwebeflug oft vorzufindenden, Vortexringes, der sehr nachteilig für die LlugStabilität ist, verhindert wird.

In einer vorteilhaften Ausführung sind die Tragflächen laminar und besonders stromlinienförmig ausgebildet. Dies dient der Optimierung der Schnellflugeigenschaften, da das laminare Profil der Tragflächen eine hohe Llächenbelastung im Horizontalflug aufweisen kann.

Die bewegbare Masse ist bei einer erfindungsgemäßen Ausführung an einem Querträger angebracht. Ein Aktuator, der durch eine feste, starre Verbindung mit dem Querträger mechanisch verbunden ist, treibt die bewegbare Masse über eine beweglich gelagerte

Antriebsstange an. Die bewegbare Masse ist vorzugsweise ein Energiespeicher, der beispielsweise für den Antrieb der Rotoren oder des Aktuators genutzt wird.

Das Vorsehen eines digitalen Steuersystems für die Rotoren und für die bewegbare Masse, vorzugsweise ein digitales Kinematikmodell, ermöglicht die Abstimmung der Position der bewegbaren Masse auf die aktuellen Anstellwinkel der Rotoren. Das digitale Steuersystem ermöglicht beliebig viele Übergangspositionen der Rotoren während der Transition zwischen der im Wesentlichen horizontalen und der im Wesentlichen vertikalen Position einzustellen, und die bewegbare Masse derart zu positionieren, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs während der im Wesentlichen horizontalen Position der Rotoren und während der Transition von der im Wesentlichen horizontalen zur der im Wesentlichen vertikalen Position der Rotoren zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. Bei bevorzugten Ausführungen des VTOL-Luftfahrzeugs ist die bewegbare Masse entlang der Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs bewegbar.

Vorzugsweise weist das VTOL-Luftfahrzeug Trägheitssensoren, einen GPS-Empfänger, Beschleunigungssensoren und ein 3-Achsgyroskop auf. Dies ermöglicht es, in Echtzeit Daten zu sammeln, und diese Daten beispielsweise an das digitale Steuersystem weiterzuleiten.

Mit dem erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeug lässt sich ein Verfahren zur Stabilisierung der Plugeigenschaften eines VTOL-Luftfahrzeugs mit mindestens zwei schwenkbaren Rotoren durchführen, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, in einem ersten Schritt in einer im Wesentlichen horizontalen Position angeordnet werden, wobei die Rotoren jeweils um eine Achse parallel zur Hochachse des VTOL-Luftfahrzeugs rotieren und das VTOL-Luftfahrzeug hierbei im Schwebeflug bewegt wird, und wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, in einem nächsten Schritt in einer zweiten im Wesentlichen vertikalen Position angeordnet werden, wobei die Rotoren jeweils um eine Achse parallel zur Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs rotieren und das VTOL-Luftfahrzeug hierbei im Horizontalflug bewegt, wobei während der im Wesentlichen horizontalen Position der Rotoren eine, im oder am Rumpf des VTOL-Luftfahrzeugs angebrachte, bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.

Bei bevorzugten Varianten des VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem die Rotoren in einer Übergangsposition angeordnet werden, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, während der Übergangsposition 45 Grad in Plugrichtung im

Vergleich zu ihrer im Wesentlichen horizontalen Position nach vorne oder nach hinten geneigt werden, und wobei die bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem Schwebeflug, Übergangsposition und Horizontalflug nacheinander eingenommen werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem die Rotoren, und somit die Rotorblätter, zwischen der Einnahme ihrer im Wesentlichen horizontalen Position und ihrer im Wesentlichen vertikalen Position kontinuierlich geschwenkt werden und dabei, neben horizontaler Position, vertikaler Position und Übergangsposition, beliebig viele Übergangszustände einnehmen können, und wobei die Rotoren von ihrer im Wesentlichen horizontalen Position startend zu ihrer im Wesentlichen vertikalen Position schwenken, und umgekehrt, und wobei die bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Figur 1A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOF-Fuftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2A zeigt eine Querschnitts Seitenansicht eines VTOF-Fuftfahrzeugs in Transition gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOF-Fuftfahrzeugs in Transition gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3A zeigt eine Querschnitts Seitenansicht eines VTOF-Fuftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 4 zeigt eine Schemazeichnung einer funktionellen Anordnung des Steuersystems mit Einzelkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1A und Figur 1B zeigen ein VTOL-Luftfahrzeug 1 im Schwebeflug, wobei sich zwei Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, in ihrer im Wesentlichen horizontalen Position befinden. Jeder Rotor 3 ist in einer Ausnehmung 4 der Tragfläche 2 angeordnet und rotiert um eine Schubachse 13. An der Tragfläche 2 ist ein Ruder 5 an geordnet. Eine im Rumpf 7 angeordnete bewegbare Masse 9 befindet sich auf einer resultierenden Schubachse parallel zur Schubachse 13 des Rotors 3. Ein Massenschwerpunkt 12 der bewegbaren Masse 9 und ein Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 befinden sich ebenfalls auf der resultierenden Schubachse, die in Figur 1A und Figur 1B mit der Hochachse 28 zusammenfällt.

Im Schwebeflug sind die Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, im Wesentlichen horizontal, parallel zur Erdoberfläche beziehungsweise zur Längsachse 11 des Rumpfes 7, angeordnet. Dies ermöglicht eine Bewegung des VTOL-Fahrzeugs 1 entlang seiner Hochachse 28, wobei hierzu die Drehzahl der Rotoren 3 synchron gesteigert wird, oder falls nötig eine Änderung der Ausrichtung der Rotoren 3 vorgenommen wird. Eine (Teil-)Rotation des VTOL-Luftfahrzeugs 1 um seine Hochachse 28 ist durch gegengleiches Auslenken der Rotoren 3 möglich. Durch eine dynamische Massenbewegung der bewegbaren Masse 9 wird der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf die resultierende Schubachse, also die Hochachse 28, gelenkt.

Bei gleich großen Schubvektoren (oder Drehzahlen) der beiden Rotoren 3 ist das System im Gleichgewicht, wenn der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf der resultierenden Schubachse liegt und somit keine inhärenten Momente auftreten. Um in den Schwebeflug zu gelangen, hebt das hier vorgestellte VTOL-Luftfahrzeug 1 ab, indem der Gesamtbetrag der Schubvektoren vorerst synchron über den Betrag der Gewichtskraft erhöht wird. In dieser Phase befindet sich der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf der resultierenden Schubachse. Die in dieser Erfindung beschriebene Möglichkeit zur Verlagerung der bewegten Masse 9 wird verwendet, um die Längsachse 11 horizontal zu halten, für den Fall, dass die Rotorebenen gleichförmig um eine zur Querachse parallelen Achse geneigt werden. Hierdurch erzeugen diese, hervorgerufen durch den Kreiseleffekt (Trägheitstensor), eine der Kippbewegung entgegen gesetzte Nickbewegung des VTOL-Luftfahrzeugs 1. Gegengleiches auslenken der Rotoren 3 wirkt sich dann auf die Lage der Längsachse 11 aus, wenn die Beträge der Auslenkungen oder der Trägheitstensoren eine Differenz aufweisen. Durch die Verschiebung der bewegbaren Masse 9 kann ein auftretendes Moment kompensiert werden. Da die bewegbare Masse 9 auch abseits der resultierenden Schubachse verschiebbar ist, ist eine vollständige Regelbarkeit während aller Flugzustände gegeben.

Die Rotation um die Längsachse 11 wird erzielt, indem die Schubvektoren differenziert werden. Die Rotation um die Hochachse 28 erfolgt durch differenziertes Auslenken der Rotoren, und somit der Schubvektoren, aus ihrer vertikalen Lage.

Der Schwebeflug gestaltet sich als permanentes Zusammenspiel von Vektoren, deren Betrag und Richtung prinzipiell zu jedem Zeitpunkt bekannt sind: Längsachse 11:

Querachse:

Hochachse 28:

Wobei L für den linken Rotor und R für den rechten Rotor steht; ω bezeichnet die Rotationsgeschwindigkeit des jeweiligen Rotors; α bezeichnet den Neigungswinkel des jeweiligen Rotors in Bezug auf eine durch Längs- und Querachse aufgespannte Ebene.

Die bewegbare Masse 9 der erfindungsgemäßen Ausführungsform des VTOL-Luftfahrzeug 1 hat die Aufgabe, die Rotation um die Querachse, speziell beim Übergang vom Schwebeflug in den Horizontalflug, oder umgekehrt, zu verhindern. Durch die bewegbare Masse 9 ist der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 nicht starr. Die Massenverschiebung entlang der Längsachse 11 wirkt sich nicht nur statisch aus; auch der Beschleunigungsimpuls der bewegbaren Masse 9 wirkt einer Störgröße entgegen, wodurch sich der Weg der bewegbaren Masse 9 (abhängig von deren Verhältnis zum Gesamtgewicht) bei konsequenter Nutzung dieses Beschleunigungsimpulses relativ gering halten lässt. Zusätzlich befindet sich das System in physikalisch stabilem Zustand, da permanent Auftrieb über dem Gesamtmassenschwerpunkt 6 erzeugt wird.

Figur 2A und Figur 2B zeigen das VTOL-Luftfahrzeug 1 in Transition, also dem Übergang vom Schwebeflug in den Horizontalflug, oder vom Horizontalflug in den Schwebeflug. Die Transition wird in der Regel nur sehr kurz eingenommen. Vorzugsweise sind die Rotoren 3 hierbei um 45 Grad nach vome im Vergleich zur ihrer im Wesentlichen horizontalen Position geneigt, was ihrer Übergangsposition entspricht. Die Rotoren 3 rotieren beim Übergang vom Schwebeflug in die Übergangsposition jeweils synchron nach vorne um eine Schubachse 13.

In Figur 2A ist das Ruder 5 im gleichen Winkel geneigt wie der Rotor 3. Jeder Rotor 3 ist in einer Ausnehmung der Tragfläche 4 angeordnet, wobei er um etwa 45 Grad geneigt ist. Der Motor 14 treibt den Rotor 3 an. Zudem ist die Drehrichtung des Rotors 10 abgebildet. Im Rumpf 7 ist die bewegbare Masse 9 angeordnet, die auf der Längsachse 11 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 bewegbar ist. Vorzugsweise wird die bewegbare Masse 9 durch einen Aktuator ausgerichtet. Die bewegbare Masse 9 wird derart ausgerichtet, dass der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 möglichst durchgehend auf der resultierenden Schubachse liegt, und es zu keinen statischen Momenten in der Übergangsposition oder während der Transition kommt. Der Massenschwerpunkt 12 der bewegbaren Masse 9 befindet sich nicht direkt auf der resultierenden Schubachse, die parallel zur Schubachse 13 des Rotors 3 liegt. Die Fluglage des VTOL-Luftfahrzeugs 1 ist bedingt durch die Anordnung des Gesamtmassenschwerpunktes 6 auf der resultierenden Schubachse besonders stabil. Während der Transition ist hervorzuheben, dass, aufgrund der stabilen Schwerpunktlage, auch der dynamische Impuls einer Korrektur mittels Massenverlagerung einer Auslenkung um die Querachse entgegenwirkt.

Bei alternativen Ausführungen können die Rotoren 3 auch um 45 Grad nach hinten im Vergleich zu ihrer im Wesentlichen horizontalen Position geneigt sein. Zwischen dem Schwebeflug und dem Horizontalflug können die Rotoren 3 theoretisch unendlich viele Positionen einnehmen, die mit der Übergangsposition vergleichbar sind und sich in erster Linie durch den Neigungsgrad der Rotoren 3 von der Übergangsposition unterscheiden.

Figur 3A und Figur 3B zeigen ein VTOL-Luftfahrzeug 1 im Horizontalflug, wobei sich die Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, in ihrer im Wesentlichen vertikalen Position befinden. Die Drehrichtung 10 der Rotoren 3, die in einer Ausnehmung 4 der Tragfläche 2 angeordnet sind und jeweils um eine Schubachse 13 rotieren, ist ebenfalls ab gebildet. Die bewegbare Masse 9 ist unterhalb der Rotoren 3 angeordnet. Der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 befindet sich unterhalb des Auftriebspunktes.

Das VTOL-Luftfahrzeug 1 verhält sich während des Horizontalfluges wie ein „konventionelles“ Flugzeug. Die Schubvektoren werden hier weitgehend synchron geregelt und die bewegbare Masse 9 derart positioniert, dass möglichst ein Kräftegleichgewicht herrscht. Das System hat nun - auch in regelungstechnischem Sinn - die Charakteristik und Freiheitsgrade eines „Starrflüglers“.

Die bewegbare Masse 9 wird durch das digitale Kinematik-Modell derart positioniert, dass der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 während des Schwebefluges und der Transition jeweils zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. Durch die dynamische Massenverlagerung der bewegbaren Masse 9 wirkt auf die Querachse eine zusätzliche ausgleichende Kraft. Diese Massenverlagerung erfolgt sowohl schwerpunktspezifisch als auch impulsgesteuert. Vorzugsweise werden alle Lageänderungen von Beschleunigungssensoren, Trägheitssensoren und Gyroskopen in Echtzeit ermittelt.

Bevorzugte Varianten des VTOL-Luftfahrzeugs 1 umfassen einen GPS-Empfänger 23, ein 3-Achsgyroskop 22, einen elektronischen Kompass 24, oder diverse Servos wie sie folgend anhand der Ligur 4 beschrieben werden.

Ligur 4 zeigt in einer Schemazeichnung eine Anordnung zur Steuerung eines erfindungsgemäßen VTOL-Lahrzeugs 1. Eine bewegbare Masse 9, beispielsweise ein Energiespeicher 15, ist mit einem Steuersystem 18, vorzugsweise ein digitales Kinematik-Modell, verbunden. Das Steuersystem 18 ist zudem mit einem Ultraschall-Näherungssensor 17, einem 3-Achsgyroskop 22, einem GPS-Empfänger 23, einem elektronischen Kompass 24, einem Luftdrucksensor 25 und einem Staudrucksensor 27 verbunden. Zudem ist das Steuersystem 18 mit den Rotoren 3, Querruder servos 19 und Querachsenservos 20 verbunden. Das Steuerungssystem 18 kommuniziert mit den Motoren 14, die die Rotoren 3 antreiben und der Auslenkung der Rotoren 3 dienen. Darüber hinaus steuert das Steuersystem 18 über die Servos 26 die Höhenposition und die seitliche Auslenkung des VTOL-Fahrzeugs 1. Die bewegbare Masse 9, beziehungsweise der Energiespeicher 15, wird über einen Servo 16 zur Aktuation der bewegbaren Masse 9 gelenkt. Das Steuerungssystem 18 ist über Verbindungen 21 mit den aufgeführten Komponenten verbunden.

Trägheitstensoren der Rotoren 3 wirken einem Kippen in Richtung Horizontalfluglage entgegen, was prinzipiell ein negatives Nickmoment zur Folge hat. Dieser Effekt wird durch eine entsprechende Positionierung der beweglichen Masse 9 kompensiert. Darüber hinaus ist das System darauf ausgerichtet, dass alle rotierenden Teile so leicht wie möglich gestaltet sind, um die Massenträgheitsmomente zu verringern und den Ablauf des Kippvorgang (Wechsel von Schwebeflug zu Horizontalflug oder umgekehrt) zu verlangsamen. Dies steht im Gegensatz zu der Möglichkeit, aus jeder synchronen Rotorlage schnell auf Störkräfte zu reagieren, da sich bei gegen gleicher Verdrehung der Rotorebenen ihre Trägheitsmomente ausgleichen. Der restliche Anteil wird durch die Aktuierung der Masse ausgeregelt. Über eine weitere Größe, den Staudruck, kann das System eigenständig ermitteln, welche Kraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zur Umgebungsluft auf aerodynamisch wirkende

Flächen am VTOL-Fahrzeugs 1 wirkt, und somit den Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Fahrzeugs 1 auf die jeweilige Fluglage (Horizontal- oder Schwebeflug) anpassen.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung des VTOL-Fahrzeugs 1 weisen die Tragflächen 2 zur Steuerung im Horizontalflug konventionelle Ruderflächen (Querruder, Höhenruder, Seitenruder) auf. Die Ruderflächen lassen sich unabhängig von der Neigung der Tragflächen 2 bewegen und steuern.

Die Rotoren 3 des erfindungsgemäßen VTOL-Fahrzeugs 1 werden in bevorzugten Ausführungsformen rein elektrisch betrieben oder beruhen auf seriellen oder parallelen Hybridbetriebs strängen. Bei besonderen Ausführungen werden die Rotoren 3 durch Verbrennungskraftmaschinen angetrieben. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind Propellerblattstellung der Rotoren 3 und/oder Drehzahl der Motoren 14 verstellbar. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der Anstellwinkel der Motoren 14 verstellbar. Bei alternativen Ausführungsformen basiert die Schwenk- und Neigbarkeit der Rotoren 3 auf bürstenlosen Gleichstrommotoren.

Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 an den, auf den oder unter den Tragflächen 2 befestigt, wobei die Rotoren 3 bei diesen Ausführungsformen nicht in Ausnehmungen 4 der Tragflächen 3 anordenbar sind. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 an den Enden der Tragflächen 2 befestigt. Bei besonderen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 am Rumpf 7 angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 von einer Ringstruktur umgeben, wobei die Rotoren 3 zusammen mit dem Ring die Tragflächen 2 bilden.

Bei weiteren alternativen Ausführungsformen ist der Rumpf 7 relativ zur Tragfläche 2 verschiebbar.

Verzeichnis: 1 VTOL-Fahrzeug 2 Tragfläche 3 Rotor 4 Ausnehmung der Tragfläche 5 Ruder 6 Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Fahrzeugs 7 Rumpf 8 Leitwerk 9 Bewegbare Masse 10 Drehrichtung des Rotors 11 Längsachse 12 Massenschwerpunkt der bewegbaren Masse 13 Schubachse des Rotors 14 Motor 15 Energiespeicher 16 Servo zur Aktuation der bewegbaren Masse 17 Ultraschallnäherungssenor 18 (digitales) Steuersystem 19 Querruderservo 20 Querachsenservo 21 Verbindungen 22 3-Achsgyroskop 23 GPS-Empfänger 24 Elektronischer Kompass 25 Luftdrucksensor 26 Servo Höhe/Seite 27 Staudrucksensor 28 Hochachse

Claims (19)

1. Patentansprüche

   1. VTOL-Fahrzeug (1) mit mindestens zwei schwenkbaren Rotoren (3), die für eine im Wesentlichen vertikale Bewegung des VTOL-Fahrzeugs jeweils in einer im Wesentlichen horizontalen Position anordenbar und um eine Schubachse (13) parallel zu einer Hochachse (28) des VTOL-Fahrzeugs (1) rotierbar sind, und wobei die Rotoren (3) für eine im Wesentlichen horizontale Bewegung des VTOL-Fahrzeugs jeweils in einer im Wesentlichen vertikalen Position anordenbar und um eine Schubachse (13) parallel zur einer Längsachse (11) des VTOL-Fahrzeugs (1) rotierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1) am oder im Rumpf (7) eine verlagerbare Masse (9) aufweist, die dazu ausgebildet ist, derart verlagert zu werden, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1) zu jedem Zeitpunkt auf einer resultierenden Schubachse liegt.
2. 2. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (3) in Übergangspositionen zwischen der horizontalen Position und der vertikalen Position, insbesondere nach vorne oder nach hinten geneigt, anordenbar sind.
3. 3. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1) ein digitales Steuersystem (18) für die Rotoren (3) und die bewegbare Masse (9) aufweist, wobei das digitale Steuersystem (18) die Rotoren (3) in die horizontale Position, die vertikale Position und die dazwischen liegenden Übergangspositionen stellt und die Masse (9) so verlagert, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1) auf einer resultierenden Schubachse liegt.
4. 4. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Steuersystem (18) als digitales Kinematikmodell konfiguriert ist.
5. 5. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verlagerbare Masse (9) entlang der Längsachse (11) des VTOL-Fahrzeugs (1) verlagerbar ist.
6. 6. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es als unbemanntes VTOL-Fahrzeug (1) ausgebildet ist.
7. 7. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es Tragflächen (2) aufweist, an denen die schwenkbaren Rotoren (3) angeordnet sind.
8. 8. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Rotoren (3) in Ausnehmungen (4) der Tragflächen (2) angeordnet sind.
9. 9. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verlagerbare Masse (9) einen relativ zur Tragfläche (2) verlagerbaren Teil des Rumpfs (7) oder einen Energiespeicher (15) umfasst.
10. 10. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflächen (2) ein laminares Profil aufweisen.
11. 11. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1) einen Querträger aufweist, an dem die verlagerbare Masse (9) angebracht ist.
12. 12. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1) einen Aktuator zur Verlagerung der verlagerbaren Masse (9) aufweist.
13. 13. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator über eine steife Verbindung mit einem Querträger des VTOL-Fahrzeugs (1) mechanisch fest verbunden ist.
14. 14. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Aktuators über eine beweglich gelagerte Antriebs Stange mit der verlagerbaren Masse (9) verbunden ist.
15. 15. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (3) mittels Motoren (14) schwenkbar sind.
16. 16. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1) einen GPS-Empfänger (23) und ein 3-Achsgyroskop (22) aufweist.
17. 17. Verfahren zur Stabilisierung der Flugeigenschaften eines VTOL-Fahrzeugs (1) mit mindestens zwei schwenkbaren Rotoren (3), wobei die Rotoren (3) für eine im Wesentlichen vertikale Bewegung des VTOL-Fahrzeugs jeweils in einer im Wesentlichen horizontalen Position angeordnet werden und um eine Schubachse (13) parallel zu einer Hochachse (28) des VTOL-Fahrzeugs (1) rotieren, und wobei die Rotoren (3) für eine im Wesentlichen horizontale Bewegung des VTOL-Fahrzeugs jeweils in einer im Wesentlichen vertikalen Position angeordnet werden und um eine Schubachse (13) parallel zur einer Längsachse (11) des VTOL-Fahrzeugs (1) rotieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine im oder am Rumpf (7) des VTOL-Fahrzeugs (1) angebrachte, verlagerbare Masse (9) derart verlagert wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1) zu jedem Zeitpunkt auf einer resultierenden Schubachse liegt.
18. 18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (3) in Übergangspositionen zwischen der horizontalen Position und der vertikalen Position, insbesondere nach vorne oder nach hinten geneigt, geschwenkt werden.
19. 19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (3) zwischen der im Wesentlichen horizontalen Position und der im Wesentlichen vertikalen Position kontinuierlich geschwenkt werden und dabei kontinuierlich Übergangspositionen einnehmen, und wobei während des Schwenken der Rotoren (3) die verlagerbare Masse (9) derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1) zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.