DE102004032530A1

DE102004032530A1 - Drehflügler und Steuerung

Info

Publication number: DE102004032530A1
Application number: DE102004032530A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: WO2005087587A1; DE102004032530B4

Abstract

Eine Rotorblattverstellung oder allgemein Luftkraft-beeinflussende Einrichtung benötigt keine Taumelscheibe, sondern reagiert auf zyklische und/oder nichtzyklische Beschleunigungen einer den Rotor gegebenen Drehgröße. In Abhängigkeit der gewünschten Steuerbewegung kann die Antriebskraft moduliert und das Steuersignal als Drehmoment über die Rotorwelle zum Rotor übertragen werden. Dort können die Änderungen als eine das Rotorblatt verstellende Kraft mechanisch eingeleitet oder umgelenkt werden. Mit nur einem einzigen Antriebsmotor können alle Flugbewegungen gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehflügler und ein Verfahren zur Steuerung, insbesondere mittels Verstellung am Rotor. Üblicherweise wird bei Hubschraubern mittels Anstellwinkel-Verstellung der Rotorblätter der Auftrieb verändert, wobei zum Steuern des Steigens eine kollektive Blattverstellung mit gleichsinniger Blatt-Neigung dient, und/oder zum Steuern der Flugneigung (nicken, rollen) eine zyklische Blattverstellung mit üblicherweise gegenläufiger Verstellung an gegenüberliegenden Rotorblättern dient. Diese Ansteuerung erfolgt meist über eine Taumelscheibe, die variabel geneigt wird und ihre Neigung mechanisch auf den rotierenden Teil überträgt, sodass sich einzelne Hauptrotorblätter entsprechend der Drehung zyklisch verstellen. Die erforderliche Mechanik ist aufwändig; ein weiterer Nachteil ist die Störanfälligkeit und Labilität insbesondere gegenüber Verstellungen der Justage, weshalb regelmäßig Nachtrimmung erforderlich ist. Weiterer Nachteil ist das zusätzliche Gewicht, besonders bei kleinen ferngelenkten Tragflüglern, wie sie beispielsweise als Drohnen, für Luftfotografie oder als Spielzeug verwendet werden.

WO 96/01503 beschreibt einen piezoelektrischen Aktuator zum Stellen der Rotorblatt-Neigung, der sich mitdrehen kann. Ein Problem sind dessen geringe Stellwege, ferner die Übertragung der elektrischen Verbindung.

DE 195 28 155 beschreibt ein verdrehbares Rotorblatt, dessen Neigung sich durch einen mitdrehenden Schub-Aktuator verstellen lässt. Hier treten ebenfalls Probleme der Verbindung auf, für kleine Hubschrauber auch die Nachteile des Gewichtes.

WO 02/070094, DE 101 25 734 beschreiben ein fernsteuerbares Fluggerät mit mindestens einem Rotorblatt, dessen Einstellwinkel durch eine elektromagnetisch erzeugte Torsionskraft mit einer Spule verstellbar ist. Das Gewicht der elektromagnetischen Vorrichtung ist geringer. Dennoch ist eine eigene Vorrichtung erforderlich, die ein eigenes Gewicht und eigener, Stromverbrauch aufweist.

WO 2003 03 9950 beschreibt Hubschrauberpropeller mit selbst-stabilisierenden Eigenschaften, bei dem Zentrifugalkräfte bei einem Aufbäumen der Schräglage entgegenwirken sollen. Eine Steuerung ist hierdurch nicht möglich.

Bei Modellhubschraubern, die ohne eine kollektive Blattverstellung auskommen, wird zur Höhen-Steuerung die Drehzahl des Rotors über dessen Antriebskraft variiert. Nachteilig hierbei ist, dass das rotoreigene Trägheitsmoment die Reaktion wesentlich verzögert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, welche eine Steuerung ermöglicht, aber möglichst geringes Gewicht verursacht und gleichzeitig zuverlässig und preiswert ist. Wünschenswert ist dies insbesondere für Hubschrauber in Kleinstbauweise , wie sie z.B. für den Hobbybereich, als Spielzeug sowie für Aufklärungszwecke verwendbar sind.

Hierfür sind die kennzeichnenden Merkmale der Hauptansprüche 1 und 40 vorgesehen. Merkmale vorteilhafter Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Eine um eine Rotor-Achse erfolgende Drehung wird zur Steuerung zyklisch und/oder nichtzyklisch beschleunigt oder variiert; die Variation kann ein über eine Rotorwelle übertragenes Drehmoment oder eine andere, die Rotordrehung betreffende Drehgröße sein. Mindestens ein Teil eines Rotors ist so gestaltet, aufgehängt oder angelenkt, dass es auf resultierende Änderungen der Drehgröße mit einer die aerodynamischen Kräfte beeinflussenden Bewegung relativ zu oder zusätzlich zu seiner ursprünglichen Drehung um die Rotor-Achse reagiert.

Eine einfache Möglichkeit ist, die Spannung eines antreibenden Elektromotors in Abhängigkeit eines Steuersignals zyklisch und/oder nichtzyklisch zu modulieren. Um die Modulationsphase mit der Drehstellung des Rotors zu synchronisieren, kann eine Abtastvorrichtung vorgesehen sein. In Abhängigkeit der gewünschten Steuerbewegung kann somit das Drehmoment variiert werden. Die Änderungen übertragen sich zum Rotor und können dort ausgenutzt werden, beispielsweise als eine das Rotorblatt verstellende Kraft, was durch eine einfache mechanische Umlenkung oder Einleitung innerhalb des Rotors erfolgen kann.

Zyklische Änderungen ermöglichen eine horizontale Steuerung. Hier genügt es, wenn der Rotor durch entsprechende Bauweise auf die gegebene Änderung mit einer geringen geometrischen Unsymmetrie reagiert. Nicht-zyklische, also durchlaufend erfolgende Änderungen ermöglichen eine vertikale Steuerung. Bauteile zum Übertragen eines Stuersignals auf den Rotor können entfallen; die Rotorwelle selbst überträgt mit ihrer Drehung das Steuersignal. Hierzu kann ein Parameter der Antriebskraft, oder allgemein einer an den Rotor übertragenen Drehgröße variiert werden; dies kann eine Drehkraft (auch Drehmoment oder Torsion genannt) und/oder die Drehgeschwindigkeit (auch Winkelgeschwindigkeit oder Drehzahl genannt) und/oder Drehbeschleunigung sein. Da diese Größen miteinander ursächlich zusammenhängen, werden bei Variation einer Größe auch die anderen variiert; die der hier verwendeten Begriffe Drehmoment und Drehbeschleunigung sind dementsprechend allgemein zu verstehen.

Es genügt, wenn die erzeugten Drehmomentänderungen zumindest teilweise derart in ein Rotorblatt oder ein sonstiges bewegliches Rotorteil umgelenkt oder eingekoppelt werden, dass dessen Anstellwinkel oder eine andere aerodynamisch wirksame Größe angelenkt oder variieret wird. Allgemein kann der Rotor kann so gebaut sein, dass er auf Änderungen eines an den Rotor gegebenen Drehmomentes, mit einer aerodynamisch wirksamen Änderung reagiert, etwa durch Verstellung seiner Blätter. Zumindest ein Teil der Drehgröße kann mechanisch so umgelenkt werden, dass hiervon der Rotor oder ein Teil davon in eine zusätzliche Bewegung versetzt wird; diese zusätzliche Bewegung kann eine Luftkraft in Betrag und/oder Richtung beeinflussen.

Die Einkopplung oder Umleitung kann durch eine separate am Rotor vorgesehene Mechanik erfolgen, etwa wie bei 11, oder einfach dadurch, dass das bewegliche Teil selbst die Einkopplung bewirkt, indem der Freiheitsgrad seiner Bewegung geeignet ausgerichtet ist. Beispielsweise kann eine mitdrehende Masse beweglich aufgehängt sein, sodass sie in eine zusätzlich zur Drehbewegung. erfolgende Bewegung versetzt wird. Die Bewegung kann an ein Rotorblatt eingekoppelt werden, oder vom Blatt als bewegliche Masse selbst durchgeführt werden.

Zumindest ein Anteil der induzierten Bewegung wird also, direkt oder über mechanische Ankopplung, von mindestens einem Teil eines Rotorblattes in der Weise mitgemacht oder hierauf übertragen, dass mindestens ein aerodynamisch wirksamer Parameter variiert. Andere und zusätzliche Ausführungen sind in den Merkmalen der Unteransprüche und den Ausführungsbeispielen gegeben.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen vollständig steuerbaren Hubschrauber ohne jegliche Servomotoren oder sonstige Stellgeber. Auch sind keine Schubstangen, Schleifkontakte o.ä. erforderlich. Das Gewicht kann auf ein geringstes Maß eingeschränkt werden. Bei ferngesteuerten Kleinst-Hubschraubern ist die Realisierung sehr einfach, zumal die Beschleunigungskräfte, die an Gerät und Luft erforderlich sind oder auftreten, nur einen geringen Anteil haben. Auch ermöglicht es die Erfindung, mit nur einem einzigen Motor ein um alle Bewegungsrichtungen steuerbares Fluggerät zu bauen, wozu sich insbesondere heckrotorlose oder in sich rotierende Flugkörper eignen.

Die zu variierende aerodynamische Kraft muss nicht notwendig der Betag eines Auftriebes sein; es kann alternativ oder zusätzlich auch eine Richtungsänderung des Auftriebskraft, eine Verlagerung des Angriffspunktes oder Druckpunktes oder ein Luftwiderstand sein, wie weiter unten sowie bei 2 erläutert.

Je nach vorgesehener Bewegung können zyklische Änderungen zur Schubsteuerung und/oder nichtzyklische Änderungen zur Neigungssteuerung vorgesehen werden. Bei Anstellwinkel-Ansteuerung kann beispielsweise ein Rotorblatt in der Weise angebracht oder angelenkt sein, dass es sich bei momentaner Drehmoment-Erhöhung in einen größeren Anstellwinkel neigt und umgekehrt bei zeitweise schwächeren Drehmoment in Richtung kleinerer Anstellwinkel. Ein zweites, gegenüberliegendes Rotorblatt kann entgegengesetzte Bewegungen durchführen, womit eine Neigungssteuerung mit zyklischer Blattverstellung unterstützt wird, etwa wie 1, 3, 4, 5, 7-10.

Auch bei herkömmlichen ferngelenkten Hubschraubern kann die Antriebskraft zur vertikalen Steuerung nicht-zyklisch erhöht oder erniedrigt werden. Damit hierauf die Steuer-Reaktion rascher erfolgt, als über eine Zunahme der Drehzahl wegen des Trägheitsmomentes möglich wäre, kann eine erfindungsgemäße Blattverstellung auch kollektiv erfolgen. Hierfür kann das o.g. zweite Rotorblatt gleichsinnig wie das erste Blatt angesteuert sein, sodass beide ihren Anstellwinkel bei Erhöhung des Drehmomentes vergrößern. Auch herkömmliche Rotorblätter biegen sich, etwa als Folge des erzeugten Auftriebs, aber nicht in der Weise, dass es eine relevante aerodynamische Kraftänderung bewirkt, die für eine Steuerung ausgenutzt werden könnte.

Um eine kollektive und eine zyklische Steuerung miteinander zu kombinieren, genügt es, nur das erste Blatt verstellbar zu machen, was eine gemischt wirkende Kombination aus kollektiver und gegengleicher Bewegung ergibt. Um aber eine bessere Ansteuerung mit mehreren Blättern zu ermöglichen, können gleichsinnige und gegengleiche Bewegung getrennt erlaubt werden und ferner die zyklischen und nicht-zyklischen Änderungen voneinander getrennt werden, etwa durch mechanische Resonanz, wie weiter unten und in 7 und 9 gezeigt.

Um allgemein die Luftkraft zu beeinflussen, kann mindestens ein Rotorblatt neben der Rotordrehung eine zusätzliche Bewegung ausführen. Hierzu kann ein Gelenk vorgesehen sein, das eine Beweglichkeit, z.B. gegenüber dem übrigen Rotor oder gegenüber der Rotorachse, erlaubt. Das Gelenk kann auch durch flexibles Material gebildet werden. Ein elastischer oder flexible Abschnitt kann als Aufhängung für zumindest einen Teil des Rotorblattes vorgesehen werden. Eine weitere Möglichkeit ist, dass das Rotorblatt in sich flexibel ist. Durch geeignete Wahl der Freiheitsgrade kann, wie unten beschrieben, auf einfache Weise erreicht werden, dass Anderungen des Drehmomentes eine zusätzliche Bewegung der Rotorblätter – neben deren normaler Drehbewegung – induzieren.

Bei Drehbeschleunigungen wird der Rotor und dessen Teile den Änderungen entgegenwirken. Ursache hierfür kann einerseits der aerodynamische Widerstand und andererseits die Massenträgheit des Rotors und/oder eines Teils davon, etwa ein mitbewegtes Gewichts, sein. Die auf dem Pfad zwischen Antrieb und angetriebenem Rotor oder betreffendem Rotor-Teil übertragene Kraft variiert also und kann auf vielerlei Weise zur Anlenkung verwendet werden, und zwar sowohl der durch Massenträgheit als Beschleunigungskraft anfallende Teil als auch der durch Aerodynamik anfallende Kraftanteil oder beide.

Zur Ausnutzung der Beschleunigungskraft kann eine Masse auf dem Rotor vorgesehen werden; diese kann auch direkt an einem Rotorblatt angebraucht sein, oder das Gewicht des Blattes selbst kann ausgenutzt werden. Die Masse kann gegenüber der Rotorwelle zumindest begrenzt beweglich oder flexibel angebracht sein, etwa wie in 3, 6, 7, 8, 9 über eine geneigte Kipp-Achse. Drehbeschleunigungen induzieren Kräfte und/oder Bewegungen des Gewichtes relativ zur Rotorwelle. Diese Bewegungen können an mindestens ein Rotorblatt eingekoppelt werden, also in eine aerodynamisch wirksame Bewegung des Rotorblattes eingeleitet oder umgelenkt werden. Die Einkopplung kann mechanisch erfolgen, etwa über ein Gestänge oder indem das Gewicht direkt das Rotorblatt ist oder hieran vorgesehen ist.

Eine weitere Möglichkeit ist, das Drehmoment des Motors dort abzugreifen, wo es auf den Rotor oder einen größeren Teil desselben übertragen wird, und von dort aus eine Anlenkung kraftschlüssig anzukoppeln, etwa mit einer am Rotor angebrachten Mechanik, die das Drehmoment zumindest teilweise aufnimmt und umleitet. Vom drehenden Rotor aus gesehen lässt sich diese Situation so beschreiben, dass eine eingeschränkte Torsions-Bewegung der Rotorwelle gegenüber dem Rotor erlaubt wird, welche die zyklischen Anlenkung antreibt. Zur Anlenkung können herkömmliche Gestänge oder beliebige mechanische Übertragungsmittel verwendet werden.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Luftkraft mittelbar von der Antriebskraft zu beeinflussen. Beispielsweise können zur zyklischen Steuerung verschiedene Blätter eine unterschiedliche Verteilung ihrer Biege-Elastizität entlang ihrer Blatt-Tiefe aufweisen. Bei erhöhtem Drehmoment erhalten beide Blätter, nach erfolgter Beschleunigung, mehr Auftrieb und biegen sich nach oben. Dabei biegt sich eines der Blätter stärker längs seiner hinteren Kante als das andere, was in einem unterschiedlichen Anstellwinkel an den äußeren Blatt-Enden resultiert. Nach einer halben Drehung kann der Antrieb entsprechend vermindert werden und einen entgegengesetzten Unterschied bewirken.

Eine weitere Möglichkeit ist, zunächst einen separaten Körper in Bewegung zu versetzen, etwa ein als Hiller-Paddel bekanntes Hilfsblatt über Ansteuerung dessen Anstellwinkel, und mit der daraus resultierenden Bewegung seinerseits die tragenden Rotorblätter ansteuern. Der Begriff "Rotorblatt" beinhaltet hier auch Hilfspaddel.

Allgemein können erfindungsgemäß die erzeugten Drehbeschleunigungen für eine aerodynamisch wirksame Verstellung ausgenutzt, eingeleitet oder umgelenkt werden. Eine hierzu geeignete Einrichtung kann auf dem Kraft-Übertragungspfad vorgesehen werden, auf dem die Antriebskraft des Motors auf den Rotor oder zumindest zu einem Teil desselben übertragen wird. Diese Einrichtung kann auf Drehbeschleunigungen oder Drehmomentänderungen reagieren. Sie kann bestehen aus einer mechanischen Anlenkvorrichtung, welche eine luftkraft-beeinflussende Vorrichtung im Rotor anlenkt, oder kann aus der luftkraft-beeinflussenden Einrichtung selbst bestehen. Der Kraftpfad des Gegendrehmomentes ist in den Möglichkeiten inbegriffen, insbesondere wenn der Drehflügler einen das Gegendrehmoment aufnehmenden zweiten gegendrehenden Rotor besitzt

1 bis 11 stellen beispielhaft verschiedene Ausführungen der Erfindung dar. In verschiedenen Figuren gleiche Teile sind mit gleichem Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehflüglers mit tragenden Rotorblättern (20) und (30), die nicht verwindungssteif sind sondern eine gewisse Verdrehung erlauben. In dem Moment, in dem die Antriebskraft des Elektromotors (2) erhöht wird, eilt der Flügel (20) gegenüber dem oberhalb angebrachten Gewicht (23) voraus und erhöht damit seinen Einstellwinkel und seinen Auftrieb. Umgekehrt ist am Flügel (30) ein Gewicht (33) unterhalb angebracht und führt zu einer Verringerung des Einstellwinkels und des Auftriebs. Nach einer 180-Grad-Drehung verringert die Ansteuer-Elektronik 6) die Motorkraft um den Betrag, um den sie vorher erhöht wurde, sodass die mittlere gegebene Leistung und der Gesamtauftrieb gleich bleiben. Die Gewichte (23), (33) können von einem (nicht dargestellten) Verkleidungskörper umschlossen sein. Dieser kann an beiden Blattenden gleich geformt sein. Die Ansteuer-Elektronik (6) erhält einerseits ein Synchronisationssignal aus der Abtastvorrichtung 5, die die Rotordrehung synchron abtastet, und andererseits ein über eine Fernsteuerung (nicht dargestellt) empfangenes Steuersignal. Die Ansteuerelektronik (6) erzeugt eine zyklisch modulierte Motor-Speisespannung. Der Modulationshub kann hierbei von der Stärke des gesendeten Steuer-Ausschlags definiert werden; die in Bezug zum Synchronisationssignal erzeugte Phasenlage kann von der Richtung des Steuersignals definiert werden. Wenn die Abtastung der Rotordrehung vom Boden aus erfolgt (nicht dargestellt), so resultiert ein einfacheres Steuerverhalten mit von der Rumpfrichtung unabhängiger Steuerrichtung.
2 zeigt in der Draufsicht einen Rotor mit einem an einem Mittelstück 10 fest angebrachten Rotorblatt 30 und einem weiteren Rotorblatt 20, das über eine flexible Übergangsstelle 21 am Mittelstück 10 angebracht ist. Die Flexibilität kann durch eins örtliche Verschmälerung des Materials oder auch durch eine eigene Scharniervorrichtung erreicht werden. Bei Erhöhung des Drehmoments bleibt das Rotorblatt 20 gegenüber seiner Mittelstellung kurzzeitig zurück (20a). Nach einer 180-Grad-Drehung erfolgt eine Verringerung des antreibenden Drehmomentes und das Rotorblatt (20) eilt wieder vor. Aufgrund seiner Massenträgheit und/oder einer in der Aufhängung 21 eingerichteten Vorspannung kann das Voreilen um eine näherungsweise gleiche Amplitude erfolgen wie das Zurückbleiben. Periodisches vor- und zurück- Schwenken bewirkt Variation des Auftriebs-Ortes, und Verlagerung der Auftriebs-Mittelpunktes des Rotors gegenüber dem Drehzentrum oder dem Schwerpunkt des Flugkörpers und somit eine Flugneigung, also Nick- und/oder Rollbewegung.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Teil des Drehmoments in eine den Anstellwinkel ändernde Kraft umgelenkt wird. Rotorblatt 20 ist über eine flexible Stelle 21 mit dem Mittelstück 10 so verbunden, dass es Kippbewegungen um die gedachte Achse 22 durchführen kann. Die Flexibilität kann erreicht werden wie anhand 2 geschildert. Die Verbindungsstelle 21 ist steif genug ausgeführt, um die Amplitude der Kippbewegung einzugrenzen. Mit einer entsprechenden Vorrichtung 31 ist das zweite Rotorblatt 30 befestigt. Die Achse 22 ist um den Winkel α gegenüber der Blatt-Längsrichtung nach oben geneigt. Die Neigung bewirkt, dass ein Anteil des vom Zentralstück 10 auf Rotorblatt 20 übertragenen Drehmoments bei einer Änderung derselben in die Kippbewegung umgeleitet wird. Die Neigung α bewirkt also eine dynamische Kopplung der beiden Drehungen miteinander. Am anderen Rotorblatt kann die Achse 32 gegengleich nach unten geneigt sein, sodass dort der Anstellwinkel zeitgleich in die umgekehrte Richtung variiert. Zusätzlich sind die Achsen 22 und 32 um einen Vorlaufwinkel β in Laufrichtung versetzt ausgerichtet. Dies bewirkt, dass eine Erhöhung des Anstellwinkels mit einem gleichzeitigen Abwärts-Klappen der Rotorblätter einhergeht und umgekehrt. Dies erfolgt unabhängig davon, ob hierzu das Drehmoment erhöht oder erniedrigt werden musste. Der Sachverhalt bewirkt einerseits, dass die Achse vor dem Druckpunkt des Rotorblattes zu liegen kommt und somit eine dynamische Stabilität erreicht. Ferner wird durch die resultierende Pendelbewegung erreicht, dass das Rotorblatt aufgrund der Zentrifugalkraft seiner Masse wie ein Pendel eine Rückstellkraft erfährt, welche die Steifigkeit der Aufhängung 21 unterstützt und außerdem ermöglicht, die resultierende Resonanzfrequenz auch auf variierende Umdrehungszahl abzustimmen. Anstelle des Vorhaltewinkels β oder in Kombination hiermit kann wie in 7 ein Stabilisator-Gewicht an einem Ort voreilend und quer zum Rotorblatt ausladend vorgesehen sein.
4 zeigt in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel (nur der Rotor dargestellt), dessen Rotorblätter außen mit einem Ring 11 verbunden sind. Bei einem am Mittelstück 10 übertragenen Drehmoment erfahren die Rotorblätter 20 und 30 über ihre innere Aufhängung 21 und 31 eine Zugkraft längs des Blattes. Am äußeren Blattende greift die Zugkraft in einen vorderen (24) und einen hinteren (25) elastischen Hebel an und wird dort so umgeleitet, dass sich die vordere Blatt-Seite hebt und die hintere senkt, da Hebel 24 weiter oben als Hebel 25 am Außenring 11 befestigt ist. Die Spitze des gegenüberliegenden Rotorblatts 30 kann mit umgekehrt geformten Hebeln 34 und 35 an Ring befestigt sein, so dass sich zeitgleich der Anstellwinkel dort verringert. Die übrigen Rotorblätter 40 und 50 können wie dargestellt so angebracht sein, dass die geschilderte Kraft-Einkopplung dort nicht erfolgt. Die Ansteuerung der Motorkraft (nicht dargestellt) kann wie bei 1 oder 6 erfolgen.
5 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, das durch das Drehmoment anstelle einer Zugkraft eine Bewegung derart auf die Rotorblätter übertragen wird, dass ihr inneres Ende mit zunehmendem Drehmoment der Drehbewegung voreilen kann und dementsprechend sich ihr äußeres Ende so kippt, dass der vordere Hebel 24 zusammengedrückt und der hintere Hebel 25 auseinander gezogen wird. Weil beide Hebel unterhalb im Ring münden, erhöht Flügel 20 seinen Anstellwinkel. Gegengleiches gilt für Flügel 30 und dessen oberhalb angebrachte Hebel 34 und 35. Die Ansteuerung der Motorkraft (nicht dargestellt) kann wie bei 1 oder 6 erfolgen.
6 zeigt in der Draufsicht einen Drehflügler, der einen Rotor 4 und einen gegen-drehenden Gegenrotor 3 beinhaltet. Die Antriebs-Steuerung 6 und wahlweise der gesamte übrige Flugkörper kann auf dem Gegenrotor angebracht sein. Die Blattverstellung ist an einem Rotorblatt 20 des Gegenrotors 3 vorgesehen. Sie beinhaltet eine flexible Aufhängung für eine Kippbewegung um eine Achse 27 und zur Anlenkung die Schubstange 8, die einerseits am Motor 2 und andererseits am Rotorblatt 20 angekoppelt ist. Motor 2 ist seinerseits über eine flexible Aufhängung 7 so am Außenrotor 3 befestigt, dass er aufgrund Seines Gegendrehmomentes um eine gewissen Amplitude schwenken kann, und diese Bewegung über Schubstange 8 den Anstellwinkel beeinflussend an das Rotorblatt 20 weitergeben kann. Um nur zyklische Änderungen weiterzugeben, kann Anlenkstange 8 ein Dämpfungsglied sein, z.B. ein ölgefülltes. Die Antriebssteuerung 6 erhält ein Synchronisationssignal von der Abtastvorrichtung 5, deren Gegenstation sich am Boden befindet.
Im Zusammenhang mit einem Gegenrotor eignet sich auch eine Blatt-Ansteuerung entsprechend der vorigen Figuren, und kann für Blätter des Gegenrotors und/oder des Rotors (4) angewendet bzw. vorgesehen werden.
7 zeigt eine Ausführung, bei der zwei gegenüberliegende Blätter als Einheit 75 aufgebaut sind und gemeinsam um eine Achse 22 beweglich sind, was gegenläufige Anstellwinkel-Änderungen impliziert, etwa mittels einem am Zentralstück 10 angebrachten Biegescharnier. Dessen Achse 22 ist wie bei 3 um einen Winkel α geneigt, sodass ein Anteil tan α des antreibenden Drehmomentes für die Blattverstellung ungelenkt oder eingeleitet wird. Als Winkel α eignet sich 5°; 2 bis 30° sind ebenfalls geeignet. Zur Erzeugung einer Gegenkraft sind Gewichte 71 und 72 quer ausladend an der Blatt-Einheit angebracht. Der Begriff "quer" beinhaltet eine wesentliche Komponente senkrecht zur Blatt-Längsachse, aber nicht notwendig genau senkrecht. Die Gewichte haben zusätzlich eine die Neigung stabilisierende Kreiselwirkung. Sie können an einer bei Modellhubschraubern bekannten Stabilisatorstange 73 angebracht sein oder hieraus bestehen. Die Umlenkung der zyklischen Drehbeschleunigung in die blattverstellende Neigung erfolgt wie in 3 durch den Winkel α; aber hier unter Ausnutzung der Trägheitsmomente von sowohl Blatteinheit 75 als auch den Gewichten. Zusätzlich ist eines der Gewichte (72) höher als das andere (71) angeordnet, bezogen auf eine symmetrisch neutrale Blattstellung. Die Höhendifferenz ist so bemessen, dass dabei sie mit der Zentrifugalkraft ein um die Neigachse 22 wirkendes Drehmoment auftritt, welches gerade so stark ist und entgegengesetzt wirkt wie das eingeleitete Drehmoment aufgrund des dauernd vorhandenen mittlere Antriebs-Drehmomentes, sodass dieses ausgeglichen wird, wobei vorteilhafterweise beide Drehmomente gleichermaßen quadratisch von der Drehzahl abhängen.
Für eine gleichzeitig mögliche kollektive Blattverstellung kann der mittlere Abschnitt 77 der Blatteinheit 75 torsionsflexibel gestaltet sein, etwa durch die dargestellte schmalere Stelle.
Die oberen Scharnierhälften 78, 79 wirken als Hebel und vergrößern mit zunehmendem Drehmoment den Anstellwinkel beider Blätter. Weil mit höherem Anstellwinkel die Drehung stärker gebremst, was das Drehmoment zusätzlich erhöht, resultiert eine Wirkungs-Mitkopplung. Die Stärke der Wirkung kann durch geeignete Abstimmung, etwa über die Hebellänge und die Steifigkeit bei 77, so eingestellt werden, dass effektive Lastwechsel mit sehr geringer Drehzahl-Änderung und daher sehr rasch möglich sind.
8 zeigt eine ähnliche Ausführung; im Unterschied zu 7 ist nur die Pendelachse 22 der Stabilisatorstange 73 um den Winkel α geneigt; die Neigachse 80 der Rotorblätter 75 ist separat und zur Rotorwelle orthogonal. Zur Ankopplung ist Schubstange 82 vorgesehen. Als Winkel α eignet sich 3° gut; auch 1 bis 10° sind sinnvoll. Diese Anordnung hat gegenüber 7 den Vorteil, dass das zur Auftriebs-Erzeugung aufgebrachte dauernd vorhandene Drehmoment nicht an der Blattneigungs-Verstellung beteiligt ist; da nur der zur zyklischen Beschleunigung der Gewichte 71, 72 aufgebrachte Anteil des vom Antrieb stammenden Drehmomentes über die geneigte Pendelachse 22 in eine Steuerbewegung umgelenkt wird. Ein Gummischlauch 81 dient als elastische Verbindung zwischen Rotorwelle 84 und Zentralstück 10. Die Elastizität beinhaltet auch Torsions-Bewegungen, sodass die Zusatzgewichte die Drehbeschleunigungen schneller aufnehmen können als die Blatt-Einheit 75 und unabhängig hiervon.
Für eine kollektive Blattverstellung kann anstelle des Gelenkes 80 die bei 7 erklärte Scharnieranordnung vorgesehen werden, hier mit gerader Achse. Von der Drehkraft-Modulation werden zyklische Anteile an der Torsionsverbindung (Gummischlauch 81) entkoppelt aber durch die Gewichte 71,72 aufgenommen, umgekehrt werden nichtzyklische Anteile durch die Torsionsverbindung weitergeleitet. Wegen der Torsions-Elastizität der Scharnieranordnung kann Gummischlauch 81 auch entfallen. Ein zusätzliches Kipp-Scharnier 85, z.B. eine Material-Aussparung, kann in der Rotorwelle 84 zum Entkoppeln von Vibrationen aufgrund von Neigungskräften vorgesehen sein.
In 7 und 8 kann sich die von den Gewichten eingenommene Drehebene von der Rotorblattebene zeitweise unterscheiden; die Differenz entspricht der Amplitude der um Achse 22 erfolgenden Pendelbewegungen und bewirkt die zyklische Anlenkung der Rotorblätter. Die Kreiselwirkung der Gewichte, die auch als Resonanzwirkung eines in der Fliehkraft hängenden Pendels aufgefasst werden kann, hat zur Folge, dass eine einzelne zyklische Änderung der Antriebskraft nur einen kleinen Anteil an der um Achse 22 induzierten Amplitude bewirken, diese Anteile sich aber mit jeder gegebenen Änderung resonanzartig aufsummieren. Dies entspricht einer definierten Roll- oder Nick-Rate der Gewichts-Drehebene, deren Ausrichtung dann von den Rotorblättern übernommen wird.
Vorteil ist, dass eine sehr sensible Reaktion möglich ist, die nur eine geringe Modulation der Antriebskraft und somit am Antrieb nur einen geringen Leistungs-Überschuss erfordert. Gegenüber dem Stand der Technik haben diese Anordnungen den zusätzlichen Vorteil, dass sich die stabilisierende Kreiselmasse gänzlich unbeeinflusst von Luftkräften bewegt, da an der Stabilisatorstange nicht die üblichen Paddel nötig sind, und daher die gesteuerte Flugneigung gegenüber Störungen erheblich stabiler ist.
9 zeigt eine in sich rotierende Ausführung mit Gegenrotor, dessen Blätter flexibel sind. Die Flexibilität betrifft insbesondere eine erhöhte Biegbarkeit entlang der gestrichelt gezeichneten Linien. Dies kann durch Materialverdünnung an diesen Stellen erreicht werden. Die Richtungen der Biegeachsen (90) sind bezüglich der Drehachse unsymmetrisch angeordnet; alternativ oder in Kombination hierzu können die Biegeachsen auch ungleich auf Rotorblätter verteilt sein. Die Wirkung ist, dass eine durch das Gegendrehmoment von Motor (2) und Hauptrotor (4) gegebene Beanspruchung der Blätter diese in eine unterschiedliche, d.h. zur Rotorachse unsymmetrische Verbiegung zieht. Im gezeichneten Fall stellen sich mehrere auf einer Seite gelegenen Blätter bei momentaner Drehmomentzunahme auf, und umgekehrt verflacht sich der Einstellwinkel mehrerer gegenüberliegender Blätter. Das Licht einer radial abstrahlenden modulierten Leuchtdiode (93) wird vom Boden empfangen und liefert dort zur Steuerung des Motors ein Synchronisationssignal. Dieses steuert eine zur Drehung synchrone Leistungsverstellung des Motors (2) über eine (nicht dargestellte) Fernsteuerung. Somit sind bei nur einem Motor alle denkbaren Richtungen steuerbar.
10 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor mit schützendem Außenring, wobei eine Blatteinheit 75 wie in 7 gezeigt und erklärt aufgehängt und angesteuert ist. Die äußeren Blattenden sind drehbar an den Ring 11 verbunden, wozu ebenfalls ein elastischer Abschnitt oder ein Achslager dient. Eine weitere Blatteinheit 76 kann am Außenring fest angebracht sein. In der Mitte kreuzen sich die Blatteinheiten übereinander. Zur Stabilität ist auch obere Blatteinheit 75 mit der Rotorwelle verbunden. Diese Verbindung ist axial beweglich, sodass sie die zur Ansteuerung des unteren Blattes nötige Relativbewegung erlaubt.
Ein ähnlich aussehender Rotor kann auch in sich steif ausgeführt sein oder ohne die Biegeachsen (90), und stattdessen Ganzes über eine geneigte Kipp-Achse mit der Rotorwelle verbunden sein. Dann neigen sich nicht einzelne Blätter sondern der ganze Rotor und ändert den Auftrieb in seiner Richtung.
11 zeigt eine Ausführung mit einem Torsionsstück, dessen Außenteil (10b) gegenüber dem Innenteil (10a) begrenzt verdrehbar ist und die über Kipp-Achsen (80a), (80b) befestigten Rotorblätter (20), (30) trägt. Die im Torsionsstück bei Drehbeschleunigung auftretenden Verdrehungen lenken über die Gestänge (8a), (8b) die Rotorblätter mit gegengleichen Anstellwinkel-Änderungen an.
Die beschriebenen Anordnungen können mit einer kollektiven Blattverstellung kombiniert werden. Hierzu können wie üblich Mischhebel zur Anlenkung der Rotorblätter vorgesehen werden. Die kollektive Steuerbewegung kann durch eine Schubstange im Inneren der Rotorwelle übertragen werden, sodass weder eine Taumelscheibe noch Drehbeschleunigungen am Rotor nötig sind. Die in 8 gezeigte Ausführung muss lediglich so modifiziert werden, dass eine Schubstange (86) direkt an einer für die Achse (22) vorgesehenen Aufhängung angreift und diese in der Höhe verstellt, und dass statt Blatteinheit (75) zwei getrennt neigbare Blätter mit jeweils eigener Schubstange (82) und (83) vorgesehen und zu beiden Hälften der Stabilisatorstange (73) gekoppelt werden. Auf diese Weise erspart Stange (73) obendrein die Mischhebel. Allgemein kann für die kollektive Blattverstellung eines tragenden Hubschrauber-Rotors ein Gestänge im Inneren einer Rotorwelle untergebracht sein und die Steuerbewegung übertragen.
Allgemeines:
Die Erfindung beinhaltet Bausätze zum Zusammenbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie Nachrüstsätze mit zum Umbau eines herkömmlichen Drehflüglers in eine erfindungsgemäße Vorrichtung geeigneten und vorgesehenen Bauteilen.
Der beschriebene Winkel α einer geneigten Kippachse (22) kann auch gegenüber der Rotorblattebene definiert sein; der Unterschied tritt insbesondere dann auf, wenn wie in 8 die geneigte Achse nicht die Rotorblätter betrifft, aber die Rotorblattebene ihrerseits gegenüber der Rotorwelle beweglich ist. Die Neigung kann auch als ein Winkel (γ) gegenüber der Rotoachse definiert sein.
Die gesteuerte Bewegung eines Rotorblattes kann allgemein eine Verschiebung oder Verdrehung um eine oder mehrere auch kombinierte Translations- und/oder Drehachsen sein. Die Bewegung kann auf eine gewissen Amplitude eingeschränkt sein und ist so durchzuführen, dass allgemein eine aerodynamische Kraft variiert, verlagert oder anderweitig beeinflusst wird.
Eine Ansteuerung oder Verstellung einer Blatt-Neigung (Anstellwinkel) kann vom inneren Blatt-Ende aus erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann Verstellung der Blatt-Neigung vom äußeren Blatt-Ende aus erfolgen. Das Blatt kann verwindungssteif sein oder es kann sich bei Verstellung in seiner ganzen Länge oder abschnittsweise verwinden. Verwindung In Kombination mit der Ansteuerung vom äußeren Blatt-Ende hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Auftriebs-Änderungen mit dem Radius längs des Blattes zunehmen, entsprechend dem für eine Einleitung einer Neigung bestehenden Bedarf.
Die Flexibilität des Blattes und/oder dessen Aufhängung lässt sich zu dessen Ansteuerung auszunutzen. Hierzu kann das Blatt und dessen Ansatz so geformt werden, dass die das Blatt antreibende Kraft in eine das Blatt neigende Kraft umgelenkt wird. Eine flexible Vorrichtung, welche die Antriebskraft in eine zusätzlich zur rotierenden Blattbewegung erfolgende Blattverstellung umlenkt, muss nicht auf eine Stelle der Vorrichtung eingeschränkt sein. Sie kann in einer inneren und/oder äußeren Blattaufhängung und/oder im Verlauf des Blattes durch dessen Formgebung dargestellt sein.
Eine Auftriebsänderung kann auch mit einer Störklappenvorrichtung erreicht werden, die an mindestens einem Rotorblatt oder einem Teil desselben vorgesehen ist und eine zyklische Auftriebsverminderung ermöglicht, oder durch eine zusätzliche Bremsklappe. Begriff "Rotorblatt" und "Blattverstellung" beinhalten hier allgemein auch solche Störklappen oder Bremsklappen, ebenso wie auch die horizontale Verstellung in 2.
Alternativ oder in Kombination hierzu kann der Luftwiderstand variiert werden. Dies kann mit einem eigenen am Rotor befindlichen Blatt oder Teil eines solchen erreicht werden, welches mit wesentlicher Querlage und beweglich gegenüber der Luftströmung angebracht ist, sodass es wie eine Bremsklappe wirkt, deren Bremskraft sich zyklisch variieren lässt. Eine solche Steuerung kann eine horizontale Flugbewegung induzieren, auch ohne eine Schräglage.
Es kann wünschenswert sein, bei fehlender Drehkraft-Modulation eine möglichst neutrale Mittelstellung und nur bei höher oder niedriger Antriebskraft eine Auslenkung in die eine oder andere Richtung zu erreichen. Insbesondere für die zyklische Steuerung ist eine Mittelstellung zum Vermeiden von Unsymmetrien wünschenswert. Hierzu können krafterzeugende oder -erwidernde Mittel so eingerichtet sein, dass sie die Wirkung des vom normalen Antrieb stammenden mittleren Drehmomentes aufnehmen oder ausgleichen. Hierfür kann ein elastischer Körper vorgesehen sein, der in Mittelstellung geeignet vorgespannt ist, und/oder die Fliehkraft eines mitdrehenden Körpers ausgenutzt werden.
Zur Kraftverminderung an den zur Steuerung rasch hin- und her zu bewegenden Massen können rückstellende Kräfte vorgesehen sein. Diese können mit den Massen eine Resonanz bilden; deren Frequenz kann vorzugsweise abgestimmt sein auf die Umdrehungszahl des Rotors, sodass in erster Linie die beabsichtigten zyklischen Änderungen durch die Resonanz unterstützt oder verstärkt werden. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die erreichte zyklische Verstellung auch dann mit großer Genauigkeit neutral bleibt, wenn gleichzeitig zur Flughöhensteuerung eine nicht-zyklische Verstellung der Antriebskraft erfolgt. Auch für diese Rückstellkräfte können elastische Kräfte oder Zentrifugalkräfte herangezogen werden. Die Verwendung eines in der Zentrifugalkraft hängenden Pendels ist vorteilhaft, weil die Pendelfrequenz automatisch, auch bei variierender Drehzahl, hierauf abgestimmt ist. Ein solches Pendel lässt sich auch als Kreisel betrachten, wobei die Pendelbewegung einer gegenüber der Rotorblattebene abweichenden Kreisel-Ebene entspricht.
Als Abtastvorrichtung zur Synchronisation mit der Rotordrehung kann eine mit Kontakt oder drahtlos koppelnde Vorrichtung dienen, etwa optisch, magnetisch oder elektromagnetisch. Eine Markierung, ein Sender oder ein Empfänger kann am Rotor mitdrehend befestigt sein, das Gegenstück kann an einem stillstehenden Teil des Flugkörpers oder auch am Boden vorgesehen sein. Letzteres ermöglicht eine Synchronisation auch für sich vollständig drehende Tragflügler. Diese Kopplung kann vorteilhaft kombiniert werden mit der für eine Fernsteuerung vorgesehenen drahtlosen Verbindung. Hierfür kann der Empfänger eine Richtempfindlichkeit aufweisen, und die aktuelle Empfangsstärke, die mit der Drehstellung variiert, ausgewertet und zur Synchronisation der zyklischen Steuerung verwendet werden. Bei einer optischen Übertragung kann hierfür ein Infrarot-Empfänger oder -Sender mit am Rotor radial ausgerichteter Richtcharakteristik verwendet werden; bei einer Funkübertragung kann empfängerseitig eine mitdrehende Antenne mit definierter Richtcharakteristik vorgesehen werden.
Zur Erzeugung zyklischer Beschleunigung kann auch der Antriebsmotor so gestaltet sein, dass dessen abgegebenes Drehmoment von der Drehstellung oder Achs-Winkelstellung abhängt. Hierzu kann beispielsweise ein Mehrphasenmotor, etwa ein kollektorloser Elektromotor, mit unsymmetrischer Leistung gespeist werden. Auch kann eine seiner Phasen als Synchronisationssignal für eine Modulation der Leistung verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist ein zusätzlicher an den Rotor angekoppeler Geber, der eine Zusatzkraft oder eine Zusatzbewegung einspeist oder die Rotordrehung auf andere Weise zyklisch moduliert. Hierzu kann ein mitdrehender Exzenter oder Pleuel dienen, der mit einer von der Steuergabe abhängigen Kraft beaufschlagt wird, etwa über einen elastischen Körper und/oder einen Magneten, und somit an die Rotorwelle abwechselnd ein bremsendes und beschleunigendes Drehmoment abgibt. Eine weitere Möglichkeit ist eine verstellbare exzentrische Masse vorzusehen, welche von der Rotorwelle angetrieben wird und eine zur Rotordrehung synchrone Unwucht oder Beschleunigung erzeugt, und die Beschleunigungskraft ihrerseits in die Drehung der Rotorwelle zurückzuspeisen oder einzumischen. Diese Varianten sind auch für Tragschrauber mit einem tragenden aber nicht angetriebenen Rotor sinnvoll. Erfindungsgemäß können Steuersignale als Drehkräfte über die Rotorwelle übertragen werden, auch ohne dass eine Antriebsenergie übertragen wird.
Die Begriffe Rotorachse, Rotorwelle oder Antriebswelle müssen nicht bedeuten, dass ein dementsprechendes Teil separat vorhanden ist; allgemein kann es eine gedachte Achse, oder ein Abschnitt eines beliebigen, die Antriebskraft übertragenden oder den Rotor tragenden Materials sein. Die Erfindung umfasst demnach sowohl Vorrichtungen, bei denen der Rotor über eine explizite Rotorwelle angetrieben wird als auch solche, bei denen eine andere Dreh-Lagerung, und/oder beispielsweise ein mitdrehender Antriebsmotor oder Außenläufer-Motor vorgesehen ist.
Eine Ausführung der Erfindung beinhaltet neben einem Rotor einen Gegenrotor, der das Gegendrehmoment des Antriebs in einer Gegendrehung ausnutzt. Die erfindungsgemäße Blattverstellung kann vorteilhaft im Gegenrotor realisiert werden. Dessen Drehzahl kann erheblich kleiner sein; dementsprechend kann die Antriebskraft langsamer moduliert sein.
Die Erfindung kann sowohl für Hubschrauber mit stillstehendem Rumpf angewandt werden, wobei auch solche mit mehreren tragenden Rotoren beinhaltet sind und solche mit Rotor und koaxialem Gegen-Rotor, als auch bei völlig eigen-rotierenden Flugkörpern, bei denen die Antriebseinheit und auch die Steuerung mit einem Gegenrotor verbunden ist und mitdreht. Bei in-sich rotierenden Flugkörpern ergibt sich für die erfindungsgemäße zyklische Blattverstellung ein zusätzlicher Vorteil dadurch, dass im zeitlichen Mittel der Schwerpunkt naturgemäß stets zentrisch ist. Da auch keine anderen Geräte-bedingte Driften auftreten können, genügen zur Steuerung der Flugrichtung sehr kleine zyklische Änderungen.
Die Erfindung kann verwendet werden bei Drehflüglern mit mehreren Rotoren mit zur Neigungssteuerung getrennt variabler Antriebskraft. Hierbei können einzelne Rotoren mit der beschriebenen, auf Drehmoment reagierenden kollektiven Blattverstellung versehen sein, was ein rascheres Steuerverhalten ermöglicht.
Die auf Drehmoment-Änderungen reagierende kollektive Blattverstellung kann erfindungsgemäß an einem Heckrotor vorgesehen werden, auch wenn der Hauptrotor herkömmlich ausgeführt ist. Hierbei kann für den Heckrotor ein separater Antriebsmotor vorgesehen sein. Diese Ausführung ermöglicht den Vorteil einer rasch reagierenden Hochachsensteuerung auch dann, wenn diese lediglich durch Motorkraftverstellung erfolgt.
Vorteilhaft für ein einfaches Steuerverhalten können tragende Rotorblätter der Länge nach so gebogen sein, dass ihre äußeren Enden nach unten weisen, also die Oberseite zumindest teilweise konvex ist. Somit kann, wie bei einem Frisbee, eine Druckpunktwanderung nach vorne weitgehend vermieden werden, die normalerweise den Auftriebsmittelpunkt aus der Rotormitte heraus zur Luvseite verschiebt und wegen der Präzessions-Wirkung der Rotordrehung ein seitliches Ausbrechen zur Folge hätte. Im Wesentlichen verbleibt nur der Anteil an Druckpunktwanderung, der durch die Auftriebserhöhung der gegen den Fahrtwind voreilenden Rotorblättern entsteht, und der ein weniger störendes Zurückneigen mit Abbremsen in gerader Richtung zur Folge hat.
Vorteilhaft zur Erhöhung der Bruchsicherheit kann zwischen Rumpf und Rotor eine trennbare Kupplung, etwa eine Schnappverbindung in der Rotorwelle, vorgesehen werden.
Die luftkraftbeeinflussende Vorrichtung im Rotor kann auch so ausgelegt sein, dass sie auf solche zyklischen Änderungen reagiert, deren Frequenz ein Vielfaches der Rotordrehzahl ist.
Die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungen an Vorrichtungen und Verfahren können je nach Anwendung und der beabsichtigten Eigenschaften untereinander beliebig kombiniert werden.

Claims

Drehflügler mit mindestens einem Rotor, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: • Eine um eine Rotorachse erfolgende Drehung lässt sich zur Steuerung zyklisch und/oder nichtzyklisch beschleunigen oder variieren; • mindestens ein Teil eines Rotors ist so gestaltet, aufgehängt oder angelenkt, dass es auf resultierende Änderungen mit einer die aerodynamischen Kräfte beeinflussenden Bewegung relativ zu oder zusätzlich zu seiner ursprünglichen Drehung um die Rotorwelle reagiert.
Drehflügler nach Anspruch 1 mit einer an einem Rotor vorgesehenen verstellbaren Luftkraft-beeinflussenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkraft-beeinflussende Vorrichtung so ausgelegt ist, dass sie auf zyklische und/oder nicht-zyklische Änderungen einer auf den Rotor übertragenen Drehkraft oder Drehgeschwindigkeit reagiert.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche gekennzeichnet durch folgende Merkmale: • zumindest ein Bestandteil des Rotors, welcher zumindest einen Anteil der von der Rotorachse beabstandeten Rotormasse trägt oder beinhaltet, ist in der Weise flexibel oder beweglich gegenüber der Rotorachse angebracht, dass eine Drehbeschleunigung um die Rotorachse eine zusätzliche, relativ zur Rotordrehung erfolgende Bewegung der Masse induziert; • mindestens ein Teil eines Rotorblattes ist mit der Masse in der Weise mechanisch verbunden oder daraus bestehend, dass die induzierte Bewegung zumindest teilweise eine Bewegung des Rotorblattes einschließt oder anregt: • die zusätzliche Bewegung des Rotorblattes vermag eine Veränderung einer aerodynamischen Kraft zu bewirken.
Drehflügler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rotorblatt in der Weise mit einem Gewicht versehen oder gekoppelt ist, dass Trägheitskräfte des Gewichtes bei Auftreten von Drehbeschleunigungen eine den Anstellwinkel verstellende Kraft auf das Blatt ausüben.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einen Rotor gegebenes Drehmoment in Abhängigkeit eines Steuersignals periodisch und synchron zur Rotordrehung moduliert wird.
Drehflügler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Bewegung eine auf die zyklischen Änderungen ansprechende mechanische Resonanz aufweist.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einen Rotor gegebenes Drehmoment in Abhängigkeit eines Steuersignals nichtzyklisch, also unabhängig vom Drehwinkel variiert werden kann, und dass mindestens ein Rotorblatt bei Drehmoment-Erhöhung seinen Anstellwinkel erhöht.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor als Antrieb für den Rotor vorgesehen ist, dessen Kraft durch Variierung der elektrischen Ansteuerung in Abhängigkeit der gewollten Steuerung zyklisch und/oder nichtzyklisch variierbar angesteuert ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche mit mindestens einem angetriebenen Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlenkung auf dem Übertragungspfad vorgesehen ist, der zwischen einem die Gegenkraft des Antriebs aufnehmenden Körper, dem Antrieb, und zumindest einem Teil des angetriebenen Rotors gegeben ist.
Drehflügler nach einem der Ansprüche 2 – 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftkraft-beeinflussende Einrichtung mindestens ein Teil eines Rotorblattes gegenüber dem übrigen Rotor beweglich angebracht oder ausgeführt ist, und dass die Beweglichkeit in ihren Freiheitsgraden so eingerichtet ist, dass die Antriebskraft zumindest teilweise in eine das Blatt verstellende Kraft eingeleitet oder umgeleitet wird.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aerodynamische Kraft in mindestens einer der folgenden Größen variiert wird: Betrag von Auftriebs- oder Schubkraft, Angriffs-Ort eines Auftriebs, Richtung einer Auftriebs- oder Schubkraft, Luftwiderstand.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Bewegung eine Neigung um eine nicht mit der Rotorachse identische Achse ist und eine Anstellwinkel-Änderung beinhaltet oder bewirkt.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rotorblatt (30) gegenüber dem übrigen Rotor in der Weise beweglich oder flexibel angebracht ist, dass bei momentaner Erhöhung des antreibenden Drehmoments sein Einstellwinkel sich verringert und bei Erniedrigung vergrößert.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rotorblatt (20) gegenüber dem übrigen Rotor in der Weise beweglich oder flexibel angebracht ist, dass bei momentaner Erhöhung des antreibenden Drehmoments sein Einstellwinkel sich vergrößert und bei Erniedrigung verringert.
Drehflügler nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellwinkel mindestens teilweise durch Verwindung des Rotorblatts variierbar ist.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Rotorblatt gegenüber dem übrigen Rotor in der Weise beweglich oder flexibel angebracht ist, dass es bei Erhöhung eines antreibenden Drehmoments in seiner Drehbewegung zurückbleibt und bei Erniedrigung voreilt.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Blatt eines auftriebserzeugenden Rotors gegenüber seinem Antrieb in der Weise beweglich oder flexibel angebracht ist, dass die eingenommene Ausrichtung der Drehachse variabel ist und sich bei zyklischen Drehmoment-Variationen gegenüber der ursprünglichen Ausrichtung verschiebt.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Beweglichkeit durch Material-Elastizität von zumindest Teilen des Rotors gegeben ist.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Beweglichkeit um eine Achse gegeben ist, die gegenüber der Rotorblattebene oder gegenüber der zur Rotorwelle senkrechten Ebene in einem definierten Winkel α geneigt ist.
Drehflügler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Achse die Beweglichkeit eines Rotorblattes betrifft.
Drehflügler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Achse gegenüber der Blatt-Längsrichtung in einem Vorlaufwinkel β in Rotor-Drehrichtung ausgerichtet ist.
Drehflügler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Achse die Beweglichkeit eines quer zu den Rotorblättern ausladenden und eine Zusatzmasse tragenden oder beinhaltenden Körpers oder Stabilisatorstange betrifft, dessen Bewegung mit der Blatt-Neigung gekoppelt ist.
Drehflügler nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rotorwelle und -Blatt eine Beweglichkeit vorgesehen ist, welche eine eingeschränkte Torsion um die Rotorachse erlaubt und an weicher die zwischen Welle und Zusatzmasse bestehende Verbindung nicht beteiligt ist, sodass bei Änderungen des Antriebs-Drehmomentes die Zusatzmasse rascher beschleunigt als die Rotorblätter.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Enden der Rotorblätter mit einem Ring verbunden sind.
Drehflügler nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine innere Aufhängung der Rotorblätter, welche geeignet ist, das antreibende Drehmoment zumindest teilweise in eine Zugkraft längs des Rotorblatts umzuleiten und durch eine an mindestens einem Rotorblatt-Ende zum Ring vorgesehene äußere Aufhängevorrichtung, welche geeignet ist, die auftretende Zugkraft in eine Änderung des Anstellwinkels umzulenken.
Drehflügler nach Anspruch 25, gekennzeichnet dadurch, dass die Aufhängung der Rotorblätter in der Weise gestaltet ist, dass das antreibende Drehmoment die inneren Enden der Rotorblätter gegenüber den äußeren voreilen lässt, und dass am äußeren Rotorblatt-Ende eine Aufhängevorrichtung vorgesehen ist, welche geeignet ist, die in Bezug zum Ring auftretende Kippbewegung in eine Änderung des Anstellwinkels umzulenken.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche 2-26, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkraftbeeinflussende Einrichtung am Heckrotor vorgesehen ist.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche 2 – 27 , dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkraft-beeinflussende Einrichtung an einem bezüglich eines Hauptrotors gegendrehenden Gegenrotor vorgesehen ist, welcher das beim Antrieb eines Rotors anfallende Gegendrehmoment aufnimmt.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen einer Gegenkraft, welche bei einer mittleren Antriebskraft dieser Kraft oder der daraus resultierenden Verstellwirkung entgegenwirken, sodass bei Überschreitung der mittleren Antriebskraft eine Verstellung in eine Richtung erfolgt und bei Unterschreiten in die Gegenrichtung.
Drehflügler nach Anspruch 23, dadurch kennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen einer Gegenkraft zumindest teilweise durch Ausnützung von Zentrifugalkräften implementiert sind.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Synchronisations-Vorrichtung (5) zum Erzeugen eines zur Rotordrehung synchronen Signals, einen Elektromotor (2) als Antrieb, und eine Vorrichtung (6) zur synchronen zyklischen Modulation dessen elektrischer Leistung.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Rotor antreibender Motor so ausgeführt ist, dass sein abgegebenes Drehmoment von der Drehstellung abhängt.
Drehflügler nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein kollektorloser Elektromotor oder Mehrphasenmotor ist, und eine der Phasen als Synchronisationssignal dient.
Drehflügler nach Anspruch 31, 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein kollektorloser Elektromotor oder ein Mehrphasenmotor ist, dessen Phasen mit unsymmetrischer Leistung gespeist werden.
Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter der Länge nach so gebogen oder gewölbt sind, dass sie an ihren äußeren Enden tiefer liegen als innen.
Drehflügler, gekennzeichnet dadurch, dass eine für die Blattverstellung vorgesehene Schubstange im Inneren der Rotorwelle geführt wird.
Bausatz für einen Drehflügler, gekennzeichnet durch Bauteile, die spezifisch zum Aufbau der Merkmale gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche vorgesehen sind.
Bau- oder Nachrüstsatz zum Ergänzen oder Umbau in einen Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf Drehmoment oder Drehbeschleunigung reagierende verstellbare Rotorblatt-Ansteuerung.
Bau- oder Nachrüstsatz zur Ausstattung eines Drehflüglers oder zum Umbau in einen Drehflügler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Motorsteuerungs-Vorrichtung, welche eine zur Rotordrehung synchrone Motorkraft-Modulation beinhaltet.
Verfahren zur Steuerung eines Drehflüglers, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: • eine die Drehung eines Rotors betreffende Drehgröße wird als Funktion eines Steuersignals zyklisch und/oder nichtzyklisch variiert; • zumindest ein Teil der Drehgröße wird mechanisch an mindestens ein Teil des Rotors derart gekoppelt oder umgelenkt, dass dieses in eine Bewegung versetzt wird, die zusätzlich zu oder anders als seine ursprüngliche Drehung um die Rotorachse erfolgt; • mithilfe der zusätzlichen Bewegung wird ein aerodynamischer Parameter in mindestens einer der folgenden Grüßen beeinflusst: Auftriebs- oder Schub-Stärke, Auftriebs- oder Schub-Richtung, Angriffs-Ort des Auftriebs, Luftwiderstand.
Verfahren nach Anspruch 40, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: • die Umlenkung erfolgt, indem zumindest ein Bestandteil des Rotors, welcher zumindest einen Anteil der von der Rotorwelle beabstandeten Rotormasse trägt oder beinhaltet und flexibel oder beweglich gegenüber der Rotorwelle angebracht ist, auf eine an der Rotorwelle auftretende Drehbeschleunigung mit einer relativ zur Rotordrehung erfolgenden zusätzliche Bewegung reagiert; • die zusätzliche Bewegung wird zumindest teilweise auf mindestens ein Teil eines Rotorblattes eingekoppelt oder übertragen, indem dieses mit der Masse mechanisch verbunden ist aller daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 40 oder 41 zur horizontalen Steuerung des Drehflüglers, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgröße synchron zur Rotordrehung zyklisch moduliert wird und die zusätzliche Bewegung eine zyklische Bewegung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 – 42, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Bewegung eine Neigung mindestens eines Rotarblattes ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 – 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgrößen-Änderung eine nichtzyklische Veränderung der Antriebskraft beinhaltet und dass die zusätzliche Bewegung bei positiver Drehbeschleunigung des Rotors eine den Anstellwinkel erhöhende und bei negativer Drehbeschleunigung eine den Anstellwinkel erniedrigende Blattbewegung ist.