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Die
Erfindung bezieht sich auf die Steuerungs- und Kontrollmöglichkeiten
von Drehflügelflugzeugen
mit rotierenden Walzen, die zur Erzeugung von Auftriebskräften den
Magnuseffekt nutzen. Hierbei ist bekannt, zu diesem Zweck die vertikale
Achse des horizontalen Hauptdrehsystems um 5-20° nach vorn, hinten oder seitwärts zu neigen
(
DE 197 15 827 A1 ).
Dieses Prinzip ist jedoch nur für
kleine Fluggeräte,
bei denen das Antriebsaggregat mitgeschwenkt wird, geeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksame Steuerung für Drehflügelflugzeuge
mit rotierenden Walzen für
alle möglichen
Bauarten und ohne Gewichts- und Leistungsbeschränkungen zu geben.
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Für die Steuerung
von Drehflüglern
herkömmlicher
Bauart wird vorzugs weise das Prinzip der kollektiven und zyklischen
Blattverstellung angewendet, deren Wirkungsweise und Ausführungen
als bekannt vorausgesetzt werden. Die gleichen Effekte können auch
mit den rotierenden Walzen erreicht werden, wobei kollektive Auftriebsänderungen,
die hier durch gemeinsame und gleichsinnige Drehzahländerungen
erreicht werden, nicht Gegenstand der Erfindung sind.
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Gegenstand
der Erfindung ist vielmehr eine bestimmte Art der Steuerung zur
Erzeugung unterschiedlicher Walzendrehzahlen während einer Rotorum drehung,
vergleichbar mit der zyklischen Blattverstellung herkömmlicher
Bauarten von Drehflüglern.
Hierbei kann an einer beliebigen Position auf dem Rotorkreis des
Rotors eine gezielte asymmetrische Auftriebsverteilung um die Rotorhochachse
erzeugt und dadurch Kippmomente um alle 3 Achsen des Fluggerätes eingeleitet
werden. Diese Möglichkeit
ist in der bereits zitierten Patentschrift
DE 197 15 827 A1 nicht
genannt. Erfindungsgemäß wird dieser Steuerungseffekt
bei einem Walzenrotor nun dadurch erreicht, indem, wie in
1 in
der Draufsicht auf einen Rotor mit zwei Walzen im Prinzip dargestellt,
bei der einen Walze über
eine halbe Rotorumdrehung eine höhere
und gleichzeitig bei der gegenüberliegenden
Walze korrespondierend eine niedrigere gegenüber der mittleren Drehzahl
gefahren wird. Dieses kann vorzugsweise mit einer speziellen elektrischen
Kopplung der beiden Walzenantriebsmotoren erreicht werden, die während einer
halben Rotorum-drehung den einen Motor als Generator schaltet und
diesen eine bremsende Wirkung entfalten läßt. Der dadurch gewonnene Bremsstrom
sowie ein zusätzlicher,
zur Kompensierung von Verlusten und zur Aufrechterhaltung der mittleren
Walzendrehzahl, wird dann direkt in den gegenüberliegenden Motor eingespeist,
dessen Drehzahl während
dieser Rotor-Halbdrehung entsprechend höher zu liegen kommt.
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Gemäß 1 werden
die einzelnen Walzen durch direkt mit diesen verbundenen, integrierten Elektromotoren
angetrieben. Die Drehzahl der Walze wird dabei normalerweise jeweils
so im Verhältnis
zur Rotordrehzahl angepaßt,
daß die
Gleitzahl ε,
definiert als Dezimalbruch von CA/CW, immer im optimalen (kleinst möglichen)
Bereich verbleibt. Eine Leistungsänderung des Rotors wird bevorzugt
direkt durch seine Drehzahländerung
vorgenommen, wobei die Walzendrehzahlen dann so nachgefahren werden,
daß der
optimale Bereich der Drehzahlverhältnisse nicht verlassen wird.
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In
der 2 wird dargestellt, wie beim Ablauf dieser zyklischen
Drehzahländerung
der Walzen durch ihre jeweils als Generator geschalteten Motoren
Rotationsenergie zwischen den Walzen ausgetauscht wird um dadurch
ihre Drehzahlen mit einer geringen von außen zugeführter Energie zu verändern.
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Über die
Stärke
der Erregung des als Generator geschalteten Walzenantriebsmotors
kann der Bremsstrom von Null bis zu einem maximalen Grenzwert, der
durch die Festigkeit der an den Drehbeschleunigungskräften beteiligten
Bauteile bestimmt wird, gesteuert werden. Ebenso kann mit Hilfe
der Meßinformationen,
die die Position der beiden Rotorarme in Bezug auf die Fahrzeuglängsachse
melden, über
ein elektrisch/elektronisches Steuergerät die gewünschte Lage des Kippmomentes
exakt eingestellt werden. Beim Geradeausflug z. B. muß zum Ausgleich
der unterschiedlichen Walzen-Anströmungsgeschwindigkeiten das
erforderliche Kippmoment auf einer rechtwinklig zur Fahrzeuglängsachse befindlichen
Koordinate liegen und der Antriebsmotor für die jeweils voreilende Walze
zum Absenken der Drehzahl als Generator geschaltet werden.
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Vorzugsweise
lassen sich die beschriebenen Effekte mit Synchronmotoren erreichen
und mit abgestimmten Drehmassen, die im Bereich der angestrebten
Drehzahlvariationen in der Nähe
von Eigenresonanzen liegen und zusammen mit der elektrischen Steuerung
einen Schwingkreis ausbilden können.
Zur gezielten Beeinflussung dieses Schwingkreises kann z. B. ein
elektrischer Kondensator mit einbezogen werden.
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Grundsätzlich sei
erwähnt,
daß gleich
wie bei Drehflüglern
mit Rotorblättern
auch bei dem Prinzip mit Walzenrotoren die gleichen Antriebs-, Rotoranordnungs-
und Momentenausgleichs-Konfigurationen gebildet werden können, so
auch die bekannte Konfiguration mit nur einem Hauptrotor und Drehmomentenkompensationen
bekannter Bauarten. Allen diesen bekannten Konfigurationen gegenüber bietet der
Walzenrotor den Vorteil einer einfacheren Ausführung des Rotorkopfes, weil
prinzipiell das mechanische Bauelement "Taumelscheibe" entfällt, da diese Aufgabe hier
rein elektrisch gelöst
wird. Der Bauaufwand für
die Einleitung der elektrischen Energie für den Antrieb der Walzen in
den drehenden Rotorbereich sowie die Rein- und Rausleitung der erforderlichen
Steuerinformationen und Befehle – zu realisieren entweder mit
Schleifringen oder berührungslosen induktiven
Techniken – dürfte prinzipiell
geringer sein als ein solcher für
mechanische Lösungen,
wie sie die Taumelscheibe darstellt.
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In
den Zeichnungen werden das beschriebene Prinzip der zyklischen Drehzahländerung
der Walzen und dadurch erfolgenden Einleitung von Kippmomenten um
die Längs-
und Querachsen eines Drehflügelflugzeuges
näher verdeutlicht.
Hierzu zeigt
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1 eine
vereinfachte Draufsicht auf einen Rotor mit zwei gegenüberliegenden
Rotorarmen und darauf gelagerten drehbaren Walzen, wobei die Kreisfläche, den
diese bei ihrer Drehung um die zentrale Hochachse des Rotors überstreichen,
in die Quadranten I bis IV unterteilt ist.
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2 zeigt
den Verlauf der Über-
und Unterdrehzahlen zur mittleren Walzendrehzahl sowie den dabei
erfolgenden Austausch von Rotationsenergien zwischen den Walzen, über eine
volle Rotorumdrehung. Insbesondere wird hierbei deutlich gemacht, wann
die einzelnen Walzenantriebsmotoren im Generator-Bremsbetrieb und
wann im Motorbetrieb arbeiten.
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Wie
bereits einleitend ausgeführt,
besteht der in Draufsicht gezeigte Rotor in 1 aus zwei gegenüberliegenden
Walzen 1 und 2, die auf zugehörigen Achsen 3 und 4 drehbar
gelagert sind. Die integrierten Elektromotoren 5 und 6 arbeiten
im Normalbetrieb grundsätzlich
als Motor und treiben die zugehörigen
Walzen an. Bei zyklischen Drehzahländerungen werden sie aber zeitweilig
in den Generatorbetrieb geschaltet und wirken dann bremsend auf die
Walzendrehzahl.
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Die
Walzen 1 und 2 sind an ihren äußeren und inneren Enden zur
Minderung von Randwirbelverlusten mit mitrotierenden Endscheiben 7 und 8 versehen.
Die inneren Endscheiben 8 sind funktionsmäßig mit
dem Walzenantriebs-Getriebe 10 kombiniert, was aber hier
nur als Beispiel für
eine Ausführungsmöglichkeit
gedacht ist. Eine andere – hier
nicht dargestellte – Ausführungsvariante
wäre, den
Walzenkörper
gleichzeitig als Rotor eines Antriebsmotors (Rohrmotor) auszubilden
und die zugehörige Walzenachse
mit dem Stator des Motors zu verbinden.
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Die
Walzenachsen 3 und 4 sind mit dem zentral gelagerten
Rotorgabelkopf 9 verbunden, in den – hier nicht weiter dargestellt – die Antriebsenergie
zur Drehung des Rotors eingeleitet wird, die dieser dann auf die
Walzenachsen überträgt.
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Die
eingezeichneten Drehrichtungen der Walzen um ihre zugehörigen Achsen
sowie die Drehrichtung, die diese um die zentrale Rotorachse ausführen (Rotor-Drehrichtung), beziehen
sich auf den Flugzustand "Geradeausflug", der durch einen
Richtungspfeil kenntlich gemacht wird. Dadurch können über die eingetragenen Winkelgrade
die Hauptachsrichtungen des Drehflügelflugzeuges bestimmt werden:
Die Achse 90°-270° definiert
die Längsachse und
0°-180° die Querachse.
Die um den zentralen Rotorgabelkopf kreisenden Walzen 1 und 2 überstreichen
bei einer Rotorumdrehung die Quadranten I bis IV.
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Die
in 2 eingetragenen Winkelgrade 0°/90°/180°/270°/360° sowie Quadranten I bis IV korrespondieren
mit den entsprechenden Angaben in 1. Das Diagramm
zeigt den Verlauf der Drehzahländerungen "±ΔnWalze" gegenüber einer
mittleren Drehzahl "nWalze-mittel" bei den einzelnen Walzen während einer
Rotorumdrehung im zyklischen Drehzahlbetrieb, wobei der Verlauf
von Walze 1 ausgezogen und von Walze 2 gestrichelt
dargestellt ist. Dazu korrespondierend wird mit den gleichen Unterscheidungsmerkmalen
der Verlauf der Schwankungen an kinetischer Rotationsenergie "ΔWWalze" um einen Mittelwert
herum sowie die Übertragung
von Bremsenergie von der jeweils über eine halbe Rotorumdrehung
voreilenden Walze in die gegenüberliegende, gleichzeitig
nacheilenden Walze gezeigt.
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Der
exakte Verlauf von Walzendrehzahl-Änderung und zugehöriger Schwankung
an Rotationsenergie wird an den ausgezogenen Kurven der Walze 1 beschrieben.
Entsprechend 1 eilt Walze 1 in der
dargestellten Lage mit maximaler Geschwindigkeit nach vorne in Flugrichtung
und erfährt
dadurch die größte Luftanströmung während ihres
Umlaufs um die zentrale Rotorachse. Um nun keinen größeren Auftrieb
als die gegenüberliegende,
rückeilende Walze 2 zu
erzeugen, muß die
Drehzahl der Walze 1 in dieser Lage ihren niedrigsten Wert
aufweisen, was in 2 aufgezeigt wird. Der Drehzahlverlauf
der Walze 1 beginnt links im unteren Teil des Diagramms mit
der stärksten
Walzen-Unterdrehzahl und durchwandert den Quadranten I bis zur 90° Position
mit dem Übertritt
in den Quadranten II (oberer Teil des Diagramms). Während der
Durchwanderung durch den Quadranten I muß die Walzendrehzahl bis zum Mittelwert
in der 90° Position
wieder zunehmen und gleichzeitig die Drehzahl der gegenüberliegenden Walze 2 bei
ihrer Durchwanderung durch den Quadranten III abnehmen, was erfordert,
daß der
Antriebsmotor 6 als Generator geschaltet ist und Bremsstrom
erzeugt, der zur Drehzahlerhöhung
der Walze 1 in den zugehörigen Antriebsmotor 5 eingespeist wird.
Es findet also ein Fluß von
Rotationsenergie von der Walze 2 in die Walze 1 statt,
was durch die Pfeile von der oberen gestrichelten Kurve (Walze 2) in
die untere ausgezogene Kurve (Walze 1) deutlich gemacht
wird. Die bei dieser Übertragung
entstehenden elektrischen Verluste sowie die ständig auftretenden Verluste
durch Luft- und Lagerreibung werden zusätzlich über den Walzenantriebstrom
ausgeglichen, was durch die beiden Abstandslinien in der Mitte des
Diagramms zwischen dem oberen und unteren Kurventeil angedeutet
wird.
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Während des
Durchlaufs der Walze 1 durch den Quadranten II nimmt ihre
Drehzahl weiter zu bis zu einem max. Wert in der 180° Position
(1), was weiterhin einen Energiefluß von der
Walze 2 nach Walze 1 erfordert. Beim Durchlaufen
von Walze 1 durch die Quadranten III und IV wird ihre Drehzahl über 180° Rotorumdrehung
dann abgebaut, wodurch sich der Energiefluß umkehrt und nunmehr von Walze 1 nach
Walze 2 verläuft.
Dann beginnt der Vorgang von neuem.