CN113993782A - 用于支持可电驱动的、可竖直起飞和着陆的飞行器的功率辅助系统、功率辅助设备和功率辅助方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于支持可电驱动的、可竖直起飞和着陆的飞行器(2)的功率辅助系统(1)，其中，功率辅助系统(1)被设定用于在升高飞行的情形中支持飞行器(2)，且其中，功率辅助系统(1)具有耦联设备(3)，其带有至少一个用于连接功率辅助系统(1)与飞行器(2)的线路(4)。设置成，功率辅助系统(1)具有可飞行的且可竖直起飞和着陆的基础装置(5)，其与飞行器(2)一起升高，以便于在升高飞行的情形中例如通过添加能量和通过控制线路的长度来辅助飞行器(2)。功率辅助系统(1)包括辅助无人机(6)，其支持飞行器(2)与基础装置(1)的耦联且在升高飞行的情形中给飞行器(2)去负荷，其方式为，辅助无人机(6)提升线路(4)。

Description

用于支持可电驱动的、可竖直起飞和着陆的飞行器的功率辅 助系统、功率辅助设备和功率辅助方法

技术领域

本发明涉及一种用于支持可电驱动的可竖直起飞和着陆的飞行器的功率辅助系统，其中，功率辅助系统被设定用于在升高飞行的情形中支持飞行器，且其中，功率辅助系统具有耦联设备，其带有至少一个用于连接功率辅助系统与飞行器的线路。本发明还涉及一种用于支持可电驱动的、可竖直起飞和着陆的飞行器的功率辅助设备和功率辅助方法。

背景技术

飞行器视飞行情况而定(即例如升高飞行、下落飞行或水平飞行)具有不同的功率需求。恰对于升高飞行而言，驱动部件(例如作为驱动器的电动机和作为驱动蓄能器的电池)的相对较高的功率和能量需求是必要的。在水平飞行和下落飞行中，该需求明显较小。在大多数常规应用的情形中，飞行器在飞行运行的占大多数的时间比例上处在水平飞行中。然而，驱动部件也被设计用于升高飞行且相应地在水平飞行的情形中是尺寸过大的且在能量上是不利的。驱动部件大多数在其容量限制下运行且由此鉴于质量、体积、效率以及还有制造成本在飞行器的技术设计和构造的意义中是不利的。不带有太多考虑升高飞行的驱动部件的设计就此而言是有利的。然而为此须找到如下解决方案，其使得尽管设计成较小功率需求仍能够将飞行器且必要时将由飞行器所运送的货物运送到竖直的起飞高度或者目标高度上，在该高度上飞行器可过渡到水平飞行中。

US 2014/0251743 A1公开了一种用于使飞行器起飞的系统。该系统包括被电驱动的、通过升力来支持的飞行器、用于操纵飞行器的控制系统和连结部，其被设定用于耦联飞行器和地面支持的功率供应部以便于给飞行器提供功率。

地面支持的功率供应部具有如下缺点，即，功率供应部仅可高效地实施直至通过其完成功率供应的电气线路。由此，功率供应部仅可受限制地实现且由于运输可能较长的且因此较重的电气线路在能量上是值得改进的。

US 2015/0336677 A1公开了一种用于由被电驱动的飞行器运输的电池的再充电的系统。该系统包括充电飞行器和待充电飞行器。为了功率辅助，充电飞行器和用于耦联充电飞行器与待充电飞行器的耦联设备可被设定用于额外于电池充电电流地提供用于支持待充电飞行器的驱动和供给的功率辅助电流。该充电飞行器可以是无人机。

由于充电飞行器和待充电飞行器的位置的必要的协调，电池的所建议的再充电是值得改进的。此外，潜在的使用范围可通过改进而被扩大。

发明内容

本发明此时目的在于提供一种经改善的功率辅助，其为了降低对飞行器的功率要求和能量要求而具有功率辅助的经改善的使用可能性。

根据本发明设置成，功率辅助系统包括可飞行的且可竖直起飞和着陆的基础装置和辅助无人机。本发明包括可飞行的基础装置，其在竖直的升高飞行中且必要时在下落飞行中陪伴飞行器且在此用作对于飞行器而言的能量源和功率源。通过耦联设备，飞行器可借助于线路为了升高飞行与基础装置相耦联，在升高飞行之后与基础装置解耦。接着，飞行器可进行水平飞行而基础装置可下落至地面，以便于可供该个或另一飞行器的下一次升高飞行使用。本发明允许用于不同类型飞行器的功率辅助。

通过基础装置的可竖直起飞和着陆的能力，直至地面的线路且因此飞行器的地面支持的供给部不是必要的。由此，功率辅助不仅可实现从地面直至相应于线路长度的高度，而且超过该高度。在飞行器与地面之间的距离小于在飞行器与基础装置之间的距离。因此，线路的重量小于现有技术，在飞行器与线路起点之间的空中交通不受影响，有效地避免由于作用在线路处的风的较强的力以及辅助无人机的由于线路重量的增大的尺寸。

飞行器包括驱动器和驱动蓄能器。通过根据本发明的功率辅助系统，驱动器的功率需求和/或驱动蓄能器的所需要的容量可被降低。

根据本发明的辅助无人机被设定用于运载或者引导线路。因此，飞行器自身无须在升高飞行期间运送线路。由此，飞行器可针对升高飞行更高效地且更轻地来设计，因为不需要提高线路的质量。此外，辅助无人机用于在耦联飞行器与基础装置之前、期间且/或之后协调线路。

本发明已认识到如下，即，飞行器利用根据本发明的功率辅助无须完全独立胜任升高飞行。因此，飞行器的相应传动链的部件可功率较弱且能量较弱地且因此更成本效益、更轻地、更高效地且在能量上更有利地来设计。因此，飞行器具有用于尤其升高飞行的常见特性和用于运输例如货物的能力且同时在与基础装置的整体结合中相比预先已知的系统更高效且更成本有利。

该飞行器并非本身由基础装置来运输，而是驱动器被设定用于升高飞行。然而，尤其飞行器的驱动蓄能器相比在预先已知的飞行器的情形中可更小且由此更轻且更高效地实施。此外，尤其驱动器和/或驱动蓄能器的冷却需求可通过本发明被降低，因为冷却需求遵照最大所给予的或者所获得的功率。本发明允许在高起飞功率与对于水平飞行运行所需要的能量之间的解耦。

在本发明的优选的设计方案中设置成，基础装置包括气球，其被填充以具有比空气更小的密度的气体，以便改善功率辅助系统的能量效率。被填充以气体的气球具有上升力，其支持基础装置的升高飞行。作为气体有利地考虑氢气和氦气。氢气可经由线路从基础装置被供应给飞行器，在其处例如利用作为驱动能量转换器的燃料电池将氢气转换成用于对驱动器进行驱动的电能。备选于气球，基础装置可包括尤其可电驱动的功率辅助无人机。

在本发明的另外的优选的设计方案中设置成，基础装置具有基础蓄能器，以便提供能量用于控制基础装置且/或用于支持基础装置的升高飞行和下落飞行。此外基础蓄能器支持如下，即，基础装置并非本地地被耦联到地面站处并且由此可不受限制地胜任升高飞行。能量可尤其以电能形式或以气体(由该气体产生电能)形式存在。基础蓄能器可如此地存储能量，使得所述能量可经由线路被供应给飞行器。

在一种有利的实施形式中，基础蓄能器是电蓄能器，且通过耦联设备可将电能从基础蓄能器供应给飞行器。在该实施形式中，该线路是电气线路，其将电能从基础蓄能器供应给飞行器的驱动蓄能器和/或驱动器，其中，驱动蓄能器被设定用于存储电能。在基础蓄能器中的电能可例如在基础装置的升高飞行之前从地面站的储能器被供应和/或通过将在气球中所收集的氢气转换成电能来提供。

有利地，基础装置具有用于将基础蓄能器所存储的能量转换成电能的能量转换器，其中，基础蓄能器至少部分由气球形成。例如，基础蓄能器可以是被填充以氢气的气球且能量转换器可包括燃料电池，其将氢气转换成电能。因此可利用氢气的协同作用，在其中氢气同时被应用作为升力介质和燃料。

有利地，基础装置具有用于卷收线路的卷收装置，以便于可控制线路的长度。有利地，线路的长度被如此地控制，使得线路既不被太强地拉紧且在其升高飞行中阻拦飞行器，线路也不太长且因此太重且尤其干扰基础装置，例如其方式为，线路到达传动机构中。卷收装置可尤其可电驱动且有利地通过引起预紧的弹簧来支持。

优选地，辅助无人机被设定用于引导线路以便与飞行器耦联，以便于可有利地协调在基础装置与飞行器之间的线路的长度和走向。优选地，辅助无人机也可支持飞行器和线路的耦联和/或解耦。线路可与被设定用于耦联飞行器与线路的耦联器间隔地与辅助无人机牢固地相连接。耦联器可尤其包括电接触部(例如插头)和/或氢气线路。

有利地，基础装置具有用于对基础装置进行水平定位的传动机构。该传动机构改善基础装置尤其在侧风和/或竖直飞行操纵的情形中的水平定位，例如用于在必要情况下以及在升高飞行和下落飞行中根据负荷和当前的上升力而修正。有利地，基础装置包括多个传动机构。该传动机构分别可水平和竖直摆动地且/或具有不同的固定角度，以便于确保对基础装置的控制。有利地，该传动机构或者这些传动机构可被电驱动。

根据本发明的功率辅助设备包括先前所描述的功率辅助系统和地面站，其中，地面站具有用于使基础装置着陆的着陆面和用于存储可被供应给基础装置的能量的储能器。本发明已认识到如下，即，功率辅助系统可特别高效地利用地面站来运行。着陆面可具有被分配给基础装置的着陆场地，其中，每个着陆场地关联有用于一个或多个飞行器的一个或多个另外的着陆区段。储能器可尤其被设定用于提供用于基础装置和/或飞行器的能量。例如，储能器可包括电储能器和/或气体存储器。

根据本发明，用于支持可电驱动的、可竖直起飞和着陆的飞行器的功率辅助方法包括如下步骤：借助于线路建立用于在飞行器与基础装置之间进行能量传递的连接，使飞行器升高飞行且同时使基础装置升高飞行，其中，线路通过辅助无人机来引导，并且在到达目标高度时断开在飞行器与基础装置之间的连接。在建立连接之后，飞行器可由基础装置被供给以能量。因此尤其地，飞行器的驱动蓄能器不需要满足高要求以便胜任升高飞行。本发明也已认识到如下，即，飞行器由于通过辅助无人机引导线路而可被设计用于明显变得容易的升高飞行，这引起部件的提高的效率。在断开连接之后，飞行器可尤其高效地实施水平飞行。

本发明的另外的优选的设计方案由其余的、在从属权利要求中所提及的特征得出。

本发明的不同的在该申请中所提及的实施形式(只要在单个情况下未不同地实施)可有利地彼此组合。

附图说明

本发明在下面在实施例中依据有关附图进行阐述。其中：

图1 显示了带有气球的功率辅助系统的一种实施形式；

图2 显示了带有功率辅助无人机的功率辅助系统的一种实施形式；

图3 显示了带有多个飞行器的功率辅助系统的一种实施形式。

具体实施方式

图1显示了带有气球8的功率辅助系统1的一种实施形式。用于支持可电驱动的、可竖直起飞和着陆的飞行器2或者无人机的功率辅助系统1被设定用于在升高飞行的情形中支持飞行器2。

飞行器2具有电驱动器19和驱动蓄能器20。驱动器19和驱动蓄能器20也被设计用于升高飞行，然而优选被设计用于水平飞行和用于相对来说功率较弱的升高飞行。因此，驱动器19和驱动蓄能器20可特别高效地且轻地实施。

功率辅助系统1包括可飞行的且可竖直起飞和着陆的基础装置5和辅助无人机6。

基础装置5包括带有例如两个平面15,16的结构。上部平面15包括传动机构11和作为尤其用于控制基础装置5的电子控制设备的系统部件14。系统部件14被设定用于控制基础装置5、尤其用于控制卷收装置10和传动机构11、用于协调基础装置5与辅助无人机6且/或用于协调基础装置5与飞行器2。

基础装置5的可电驱动的传动机构1分别可水平和竖直摆动且/或具有不同的固定角度，以便于确保基础装置5的控制。传动机构11用于尤其在侧风的情形中和在竖直飞行操纵的情形中对基础装置5进行水平定位，例如用于在必要情况下以及升高飞行和下落飞行中根据负荷和当前的上升力而修正。

基础装置1包括气球8，其中，气球8在框架结构18内布置在基础装置1的下部平面16中。基础装置5的气球8被填充以气体7，其具有比空气更小的密度。因此，基础装置5可由上升力支持地执行升高飞行。气球8或者其外壳对于气体7而言是不可穿透的。气球8不需要另外的框架结构。气球8在其形状上是灵活的且可视气体含量而定在一定的范围中膨胀和缩小。用来填充气球8的气体7可尤其是氢气。因此，气体7不仅能够用于提升基础装置5而且能够提供可借助于能量转换器12被转换成电能的能量。因此，气球8在该实施例中形成基础蓄能器9，其中，在基础蓄能器9中所存储的能量不仅可被供应给基础装置5的传动机构11而且可为了功率辅助被供应给飞行器2。

在基础装置5的上部平面15中，电蓄能器13和能量转换器12设置在框架结构18的呈环形的区段处。能量转换器12被设定用于将在气球8中以有利地氢气的形式作为气体7而存在的能量转换成电能并且将其供应给电蓄能器13。能量转换器12可例如包括燃料电池、燃气涡轮和/或发电机。电蓄能器13例如包括可再充电的电池。

由气体7所产生的电能和/或在电蓄能器13中所存储的电能可被应用于驱动传动机构11。另外，由气体7和/或在电蓄能器13中所存储的电能可被供应给飞行器2用于功率辅助。

为了电气连接基础装置5与飞行器2设置有耦联设备3。耦联设备3包括电气线路4、用于将电气线路4供应至飞行器2的辅助无人机6和用于联接电气线路4与飞行器2的耦联器21。飞行器2具有用于耦联电气线路4的耦联器21的联结装置。例如，该联结装置可包括插座而耦联器21可包括插头。

电气线路4视在基础装置5与飞行器2之间的距离而定经由基础装置5的主动卷收装置10被卷起和卷开。卷收装置10布置在基础装置5的上部平面15上。对于辅助无人机6而言，在上部平面15上设置有停放场地17。停放场地17由框架结构18来机械支持。

飞行器2的驱动蓄能器20可尤其是电蓄能器。驱动蓄能器20可在升高飞行之前且/或在升高飞行期间被填充。在升高飞行期间，驱动蓄能器20可通过电气线路4被供给以电能，电能由基础装置5的电蓄能器13提供。从电蓄能器13被供应给飞行器2的能量也可被直接被设置用于供给驱动器19。在此，从电蓄能器13被供应给飞行器2的能量不需要被存储在驱动蓄能器20中。例如，飞行器2可具有仅设计用于升高飞行的驱动器19，其仅可从基础装置5的电蓄能器13被供给以电能。

备选地，飞行器2可例如具有用于将氢气转换成电能的燃料电池。在该实施形式中，基础装置5可将在气球8中作为气体7所存储的氢气供应给飞行器2。因此，待供应给飞行器2的能量到电能的转换不是必要的。驱动蓄能器20在该示例中是氢气存储器，借助于线路4可将能量以氢气形式从基础蓄能器9或者气球8供应给该氢气存储器。飞行器2的燃料电池将氢气转换成电能用于驱动驱动器19。线路4、耦联器21和飞行器2的联结装置在该备选的实施形式中被设定用于运输氢气。

例如，驱动蓄能器20可存储大约15kg氢气。为了提升大约2000kg货物需要大约150kg氢气。因此，在飞行器2中所存储的氢气的比例总计为大约多达至少在基础蓄能器9中待存储的氢气的10%。

辅助无人机6是可竖直起飞和着陆的飞行器，其可被电驱动。辅助无人机6被设定用于运载或者引导电气线路4。

图1还显示了功率辅助设备100，其包括带有着陆面102的地面站101、储能器103和先前所描述的功率辅助系统1。着陆面102具有足够的场地用于基础装置5的着陆且用于针对一个或多个飞行器2的停放以及足够的起飞面用于开始升高飞行。在地面站101的区域上存在静止的储能器102，这例如包括蓄电池、电池和/或用于气球8的气体7的存储器。另外可设置有用于气球8的不同的服务单元和维护单元以及必要时用于基础蓄能器9的电流源。

功率辅助系统1可例如在移动服务的范畴内在竖直移动的领域中得到应用。

用于支持飞行器2的功率辅助方法有利地以在地面站101上提供基础装置5而开始。首先，基础装置5处在地面上且传动机构11不在使用中。基础装置5可通过机械的保持连接部被保持在地面处，以便于阻止基础装置5由于其升力的升高。

接着，借助于电气线路4建立在飞行器2与基础装置5之间的电气连接。

在基础装置5与地面之间的机械的保持连接部被松开并且飞行器2和同时基础装置5沿目标高度的方向升高。在此，在基础装置5与飞行器2之间的距离可由控制系统(其不仅可以是地面站101的组成部分而且可以是基础装置5的组成部分)来协调。在此，电气线路4视在基础装置5与飞行器2之间的距离而定经由主动式卷收装置10被卷起和卷开。被卷出的电气线路4的长度被智能地如此控制，使得电气线路4不过度松弛且/或被安放在基础装置5、尤其气球8上。同时，电气线路4的长度被如此地测定，使得电气线路4不太绷紧并且如此经受阻碍飞行器2的升高飞行的机械应力。

电气线路4通过辅助无人机6被引导。辅助无人机6在升高飞行的情形中陪伴基础装置5且支持对电气线路4的引导且尤其支持对电气线路4的长度的控制。

电气线路4且因此在基础装置5与飞行器2之间的距离可随着增加的高度、即基础装置5相对地面的距离被提高且尤其在到达目标高度时被最大化。由此可行的是，飞行器2具有比基础装置4更高的竖直飞行速度。因此可补偿可能相对来说较慢的基础装置4的可能的缺点。

基础装置4的竖直速度可例如经由气球8的填充以及经由在上部平面15上的传动机构11来控制。基础装置5的升力的降低在此不仅可通过传动机构11而且可通过从气球8中抽出气体7而实现。在抽出气体7的情形中，能量转换器12可被供给并且产生电能。备选地，气体7可被释放到周围环境中。

在升高飞行期间，不仅飞行器2的电驱动器而且飞行器2的驱动蓄能器20可被供给或者被充电。因此可达到更高的运行持续时间。也可设想的是以氢气供给飞行器2，只要飞行器2例如利用燃料电池运行。

在达到目标高度时，断开在飞行器2与基础装置5之间的电气连接。辅助无人机6将电流连接与飞行器2断开或者解耦机构被激活。在断开之后，卷收装置10与支持电气线路4的遣返的辅助无人机6合作地卷起电气线路4。辅助无人机6确保如下，即，电气线路4不落到基础装置5上且例如陷于其传动机构11中。接着，辅助无人机着陆在上部平面15的停放场地17上。

飞行器2此时可承担水平飞行而基础装置5可着陆在地面站101上。可选地，飞行器2为了着陆被基础装置5接收，该基础装置在下落飞行的情形中支持飞行器2。

图2显示了带有作为基础装置5的功率辅助无人机的功率辅助系统1的一种实施形式。根据图2的实施形式鉴于根据图1的实施形式的区别来描述。在该示例中，基础装置5不被上升力支持。基础装置5具有传动机构11，其被设定用于借助于电能提升基础装置5且实施升高飞行。在该实施例中，基础蓄能器9是电蓄能器13。基础蓄能器9在使基础装置起飞5之前须被如此地充电，使得基础蓄能器9具有足够的能量用于基础装置5的升高飞行和用于针对飞行器2的功率辅助。

图3显示了一种带有基础装置5和多个飞行器2的功率辅助系统1的实施形式。根据图3的实施形式鉴于根据图1的实施形式的区别来描述。

根据图3中的实施形式，功率辅助系统1被设定用于对多个飞行器2进行功率辅助。为此，功率辅助系统1具有基础装置5和多个辅助无人机6。针对每个辅助无人机6设置有停放场地。

为了对多个飞行器2进行功率辅助，功率辅助系统1具有多个耦联设备3。这也就是说，功率辅助系统1包括多个辅助无人机6、多个线路4、多个耦联器21和多个卷收装置10。因此，每个飞行器2可由基础装置5以及由辅助无人机6在升高飞行中被支持。

附图标记列表：

1 功率辅助系统

2 飞行器

3 耦联设备

4 线路

5 基础装置

6 辅助无人机

7 气体

8 气球

9 基础蓄能器

10 卷收装置

11 传动机构

12 能量转换器

13 电蓄能器

14 系统部件

15 上部平面

16 下部平面

17 停放场地(Stellplatz)

18 框架结构

19 驱动器

20 驱动蓄能器

21 耦联器

100 功率辅助设备

101 地面站

102 着陆面

103 储能器。

Claims (10)

1.一种用于支持可电驱动的、可竖直起飞和着陆的飞行器(2)的功率辅助系统(1)，其中，所述功率辅助系统(1)被设定用于在升高飞行的情形中支持所述飞行器(2)，且其中，所述功率辅助系统(1)具有耦联设备(3)，所述耦联设备带有至少一个用于连接所述功率辅助系统(1)与所述飞行器(2)的线路(4)，其特征在于，所述功率辅助系统(1)包括可飞行的且可竖直起飞和着陆的基础装置(5)和辅助无人机(6)。

2.根据权利要求1所述的功率辅助系统(1)，其特征在于，所述基础装置(5)包括气球(8)，所述气球被填充以具有比空气更小的密度的气体(7)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的功率辅助系统(1)，其特征在于，所述基础装置(5)具有基础蓄能器(9)。

4.根据权利要求3所述的功率辅助系统(1)，其特征在于，所述基础蓄能器(9)是电蓄能器(13)，且通过所述耦联设备(3)能够将电能从所述基础蓄能器(9)供应给所述飞行器(2)。

5.根据权利要求2和3所述的功率辅助系统(1)，其特征在于，所述基础装置(5)具有用于将由所述基础蓄能器(9)所存储的能量转换成电能的能量转换器(12)，其中，所述蓄能器(9)至少部分由所述气球(8)形成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的功率辅助系统(1)，其特征在于，所述基础装置(5)具有用于卷收所述线路(3)的卷收装置(10)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的功率辅助系统(1)，其特征在于，所述辅助无人机(6)被设定用于引导所述线路(4)以便与所述飞行器(2)耦联。

8.根据前述权利要求中任一项所述的功率辅助系统(1)，其特征在于，所述基础装置(5)具有用于对所述基础装置(5)进行水平定位的传动机构(11)。

9.一种功率辅助设备(100)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的功率辅助系统(1)和地面站(101)，其中，所述地面站(101)具有用于使所述基础装置(5)着陆的着陆面(102)和用于存储可被供应给所述基础装置(5)的能量的储能器(103)。

10.一种用于支持可电驱动的、可竖直起飞和着陆的飞行器(2)的功率辅助方法，其包括如下步骤：

- 借助于线路(4)建立用于在所述飞行器(2)与基础装置(5)之间进行能量传递的连接，

- 使所述飞行器(2)升高飞行且同时使所述基础装置(5)升高飞行，其中，

- 通过辅助无人机(6)引导所述线路(4)，并且

- 在到达目标高度时断开在所述飞行器(2)与所述基础装置(5)之间的连接。

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