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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. Ein weiterer Nachteil ist das zusätzliche Gewicht, besonders bei kleinen ferngelenkten Tragflüglern, wie sie beispielsweise als Drohnen, für Luftfotografie oder als Spielzeug verwendet werden.
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Die
WO 96/01503 A1 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.
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Die
DE 195 28 155 C1 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.
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Die
WO 02/070094 A2 und die
DE 101 25 734 A1 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 eigenen Stromverbrauch aufweist.
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Die
WO 2003 03 9950 A2 beschreibt Hubschrauberpropeller mit selbst-stabilisierenden Eigenschaften, bei dem Zentrifugalkräfte bei einem Aufbäumen der Schräglage entgegenwirken sollen. Eine Steuerung ist hierdurch nicht möglich.
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Die
US 3,999,886 A beschreibt ein Rotorblatt, bei dem der Anstellwinkel von einer Durchbiegung des Blattes gesteuert wird, um Resonanzen zu dämpfen, also die dynamische Stabilität gegen parasitäre Schwingungen zu verbessern. Eine zyklische Blattverstellung oder eine Variierung der Antriebskraft ist nicht betroffen. Die am Rotorblatt auftretenden Biegungen sind ausschließlich durch Schwingungen und Resonanzen verursacht, die z. B. aufgrund struktureller Kopplung zwischen Rumpf und Rotor auftreten und möglichst vermieden werden sollen.
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Die
DE 85 05 804 U1 beschreibt einen Spielzeughubschrauber, dessen Antrieb mittels einer Keilnut-Verbindung drehfest verbunden ist um den Montage-Aufwand zu verringern.
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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.
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Die
DE 24 33 801 A1 beschreibt eine Hubschrauber-Blattverstellung, die den Anstellwinkel über die Fliehkraft gesteuert in Abhängigkeit der Drehzahl verstellt, um eine automatische Blattverstellung zu erreichen. Dies kann den o. g. Nachteil höchstens geringfügig mindern, da der gesamte Rotor beschleunigt werden muss, bevor eine Drehzahländerung, und als Folge davon eine Auftriebserhöhung resultiert.
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Ferner gibt es Drehflügelrotoren für Spielzeuge, die einen mit Steckverbindungen montierbaren äußeren Schutzring besitzen, welche zusätzlich auch eine Fliehkraftgesteuerte Verstellung des Anstellwinkels beinhalten. Würde man diese mit einem Antrieb versehen, hätte man eine dem vorigen Absatz ähnelnde Vorrichtung, es würde der gleiche o. g. Nachteil auftreten.
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Die
DE 43 16 712 A1 und die
DE 1 202 649 A beschreiben selbstregulierende Luftschrauben, bei der eine torsionsweiche Zone bzw. ein Scharnier am Blattfuß es ermöglicht, die Steigung in Abhängigkeit der Schubkraft zu verstellen. Bis diese Verstellung erfolgt, muss erst aufgrund einer Drehzahl-Änderung die veränderte aerodynamische Schubkraft auftreten, danach biegen sich die Blätter aufgrund ihres Schubes. Würde man dieses Prinzip auf einen auftriebserzeugenden Rotor eines Hubschraubers übertragen, würde der gleiche oben erläuterte Nachteil auftreten.
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Die
DE 202 06 936 U1 beschreibt einen drehzahlgesteuerten Modellhubschrauber mit drei auftriebserzeugenden Rotoren, wobei zwei Rotoren gegenläufig sind zum Ausgleich des Gegendrehmomentes, und wobei die Steuerung um die Längs- und Querachse ausschließich durch Steuerung der Dehzahlen der einzelnen Rotoren erfolgt.
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Weiterhin sind Quadrokopter oder Multikpopter bekannt, deren Bewegungen in allen Raumachsen über die Drehzahlen der 4 oder mehr Rotoren gesteuert werden.
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Aus der
US 2002/0 104 921 A1 ist ein Drehflügler mit mehreren Rotoren bekannt, bei dem die Neigungssteuerung über die Rotordrehzahlen erfolgt.
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Allgemeiner Nachteil bei drehzahlgesteuerten Multikoptern ist die Verzögerung, die durch Massenträgheit naturgemäß auftritt, bis eine Drehzahländerung und somit die gewünschte Steuer-Reaktion eintreten kann, was insbesondere bei größerer Bauart und bei Verwendung elektronischer Lagestabilisierung eine störende Totzeit bewirkt, welche eine wirkungsvolle Lageregelung der Flugneigungen beeinträchtigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehflügler mit mehreren Rotoren anzugeben, bei dem die Steuer-Reaktion rascher erfolgt, als es über eine Zunahme der Drehzahl wegen des Trägheitsmomentes möglich wäre.
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine um eine Rotor-Achse erfolgende Drehung zur Steuerung nichtzyklisch beschleunigt oder variiert; die Variation kann dabei 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.
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Eine einfache Möglichkeit ist, die Spannung eines antreibenden Elektromotors in Abhängigkeit eines Steuersignals zu modulieren. 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.
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Bauteile zum Übertragen eines Steuersignals 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.
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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.
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Die Einkopplung oder Umleitung kann durch eine separate am Rotor vorgesehene Mechanik erfolgen, etwa wie bei 8, 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.
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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.
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Je nach vorgesehener Bewegung können zusätzlich zyklische Änderungen 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 in den 1, 3, 4, 5, 7.
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In einer nicht auf die Erfindung bezogenen Ausführung kann auch bei herkömmlichen ferngelenkten Hubschraubern 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 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.
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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 gezeigt.
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Um allgemein die Luftkraft zu beeinflussen, kann im Sinne der Erfindung 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 Änderungen des Drehmomentes eine zusätzliche Bewegung der Rotorblätter – neben deren normaler Drehbewegung – induzieren.
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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.
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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 und 7 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.
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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.
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Eine weitere Möglichkeit ist, die Luftkraft mittelbar von der Antriebskraft zu beeinflussen.
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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.
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Anhand der 1 bis 8 werden nachfolgend verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung und andere Rotoren dargestellt, die sich nur teilweise auf die Erfindung beziehen. In verschiedenen Figuren gleiche Teile sind mit gleichem Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 Einen Drehflügler
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2 Einen Rotor in Draufsicht
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3 Einen Rotor in Ansicht
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4 Einen ringförmigen Rotor
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5 Einen zweiten ringförmigen Rotor
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6 Einen Rotor mit Gegenrotor
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7 Einen Rotor mit quer angeordneten Gegengewichten
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8 Einen Rotor mit Torsionsstück.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines nicht direkt auf die Erfindung bezogenen 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.
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2 zeigt, als ein nicht auf die Erfindung bezogenes Ausführungsbeispiel, 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 eine 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 (Stellung 20a). Nach einer 180-Grad-Drehung erfolgt eine Verringerung des antreibenden Drehmomentes und das Rotorblatt 20 eilt wieder vor (Stellung 20b). 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.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches sich bezüglich eines seiner beiden gegengleich bewegten Rotorblätter, Rotorblatt 30, auf die Erfindung bezieht, 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.
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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 elastischen Hebel 24 und einen hinteren elastischen Hebel 25 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.
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In einem nicht auf die Erfindung bezogenen Ausgestaltung kann die Spitze des gegenüberliegenden Rotorblatts 30 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.
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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.
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Gegengleiches kann, in einem nicht auf die Erfindung bezogenen Ausführungsbeispiel, für für Flügel 30 und dessen oberhalb angebrachte Hebel 34 und 35 gelten. Die Ansteuerung der Motorkraft (nichtdargestellt) kann wie bei 1 oder 6 erfolgen.
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6 zeigt in der Draufsicht einen Drehflügler, der einen Rotor 4 und einen gegendrehenden 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.
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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.
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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 a; 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.
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Für eine gleichzeitig mögliche erfindungsgemäße kollektive Blattverstellung kann der mittlere Abschnitt 77 der Blatteinheit 75 torsionsflexibel gestaltet sein, etwa durch die dargestellte schmalere Stelle.
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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.
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8 zeigt eine in Bezug zu Rotorblatt 30 und dessen Anlenkung (8a) erfindungsgemäße 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.
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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.
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Der beschriebene Winkel α einer geneigten Kippachse 22 kann auch gegenüber der Rotorblattebene definiert sein; der Unterschied tritt insbesondere dann auf, wenn 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung bezieht sich speziell zur Verwendung 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.
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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.
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Vorteilhaft zur Erhöhung der Bruchsicherheit kann zwischen Rumpf und Rotor eine trennbare Kupplung, etwa eine Schnappverbindung in der Rotorwelle, vorgesehen werden.
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Die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungen an Vorrichtungen und Verfahren können je nach Anwendung und der beabsichtigten Eigenschaften untereinander beliebig kombiniert werden.
