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Hintergrund der Erfindung
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Hubschrauber
sind Drehflüglerfluggeräte mit wenigstens
einem motorisch angetriebenen Rotor. Es gibt zahlreiche Ausführungsformen
mit unterschiedlich vielen Rotoren in verschiedenen Anordnungen.
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Kleine
und leichte Hubschrauber, vornehmlich mit Elektroantrieb, gewinnen
als unbemannte Kameraträger,
Meßplattformen
und Aufklärungsdrohnen
zunehmend an Bedeutung. Die Entwicklung wird gepuscht durch die
stetige Fortentwicklung elektrischer Energiespeicher, hin zu immer
höherer
Energie- und Leistungsdichte.
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In
dieser Schrift geht es um eine bestimmte Bauart von Hubschraubern,
nämlich
um solche mit drei und mehr Hubeinheiten (sogenannte Mehrrotorenhubschrauber).
Unter Hubeinheit wird die Kombination mindestens eines Rotors mit
mindestens einem den Rotor antreibenden Motor verstanden. Die Hubeinheiten
können
auch andere Komponenten enthalten, z. B. Getriebe oder Drehzahlsteller.
Die Kombination von genau einem Rotor mit genau einem Motor ist
die häufigste
Ausführung
einer Hubeinheit. Die Achsen der Rotoren stehen typischerweise (annähernd) senkrecht.
Die Rotoren dienen vornehmlich der Auftriebserzeugung – daher der
Name Hubeinheit.
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Hervorzuheben
ist der 4-rotorige Hubschrauber, der systembedingte Vorteile hat
und dessen wirtschaftlicher Nutzen zunimmt, forciert durch aktuelle
Entwicklungen verbesserter Techniken zur Stabilisierung der Fluglage,
die sich bei diesem Hubschraubertyp besonders wirkungsvoll umsetzen
lassen. Zu den Vorteilen des 4-Rotoren-Konzepts zählt die
Möglichkeit
einer Steuerung um alle Achsen allein über die Drehzahl von vier starren
Rotoren, also ohne Mechanik außer
drehenden Wellen, insbesondere ohne kollektive und zyklische Rotorblattverstellung.
4-rotorige Hubschrauber können
demnach mechanisch sehr minimalistisch aufgebaut werden.
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In
der Draufsicht sind die Hubeinheiten von 4-rotorigen Hubschraubern
fast immer an den Ecken eines Vierecks angeordnet, oft an den Ecken
eines Quadrats. Die Achsabstände
sind meist so groß,
dass sich die durch die Rotoren definierten Kreisflächen gerade
nicht überschneiden.
Damit können
die Rotoren auf einer Ebene angeordnet sein, ohne sich zu berühren.
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Aus
Gründen
der aerodynamischen Effizienz sollten die Rotoren eher große Durchmesser
aufweisen (niedrige Kreisflächenbelastung).
Mit steigendem Durchmesser wachsen aber auch die äußeren Abmessungen
des Hubschraubers an. Die großen
Dimensionen stören
vor allem bei Lagerung und Transport.
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Einen
Ansatz zu Miniaturisierung von 4-rotorigen Hubschraubern liefert
das deutsche Gebrauchsmuster Nr. 20 2004 016 509.0. Hiernach sind
die Achsabstände
der Rotoren kleiner, mit Überschneidung
der Rotorkreisflächen
einhergehend. Um Kollisionen zu vermeiden, arbeiten die Rotoren
hier auf unterschiedlichen Höhen.
Nachteile dieser Lösung:
etwas reduzierte Effizienz und ein lauteres Rotorgeräusch durch
die (dicht) aneinander vorbeikämmenden
Rotorblätter.
Bei einer Reihe von Anwendungen sind diese Nachteile nicht akzeptabel,
z. B. bei Aufklärungsdrohnen,
die unentdeckt bleiben sollen.
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Die
Anforderungen an kompakte Bauweise sind z. T. extrem streng. So
sollen künftig
Personen, die zu Fuß unterwegs
sind, Aufklärungsfluggeräte in Rucksäcken oder
Handtaschen mit sich führen
(z. B. für
die Suche nach Überlebenden
von Erdbeben innerhalb und außerhalb
einsturzgefährdeter
Gebäude).
Als Mehrrotorenhubschrauber hat ein solches Gerät mit der heute verfügbaren (Kamera)technik
rund einen Meter Gesamtgröße. (Hintergrund:
Nutzlast und geforderte Flugzeit bestimmen die Baugröße.)
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch angetriebenen
Mehrrotorenhubschrauber mit möglichst
kleinen Transportabmessungen zu schaffen, bei gleichzeitig hoher
Effizienz, leisem Fluggeräusch,
einfacher Bedienung sowie kurzer Rüstzeit. Der Erfindung liegt
ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Minimierung der Abmessungen
von Mehrrotorenhubschraubern anzugeben.
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Kurzer Abriss
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mithilfe einer Teilung des Hubschrauber-Traggerüsts gelöst. Die einzelnen Baugruppen
sind durch wenigstens eine lösbare
Steckverbindung mechanisch gekoppelt. Durch Lösen der Steckverbindungen)
kann der Hubschrauber zerlegt werden (Demontage). Durch Zusammenstecken der
Steckverbindungen) kann der Hubschrauber wieder zusammengefügt werden
(Montage).
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Beim
Zusammenstecken einer Steckverbindung werden die zu fügenden Teile
aufeinander zu bewegt und einander durchdringend (überlappend)
zusammengefügt.
Die Bewegung beim Fügen
ist also vorzugsweise translatorisch, kann aber auch Rotation umfassen.
Für das
Lösen einer
Steckverbindung gilt das analog.
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Durch
die Steckbarkeit kann der Platzbedarf bei Lagerung und Transport
des Fluggeräts
beträchtlich reduziert
werden, auch wenn die Achsabstände
der Rotoren so groß ausgeführt werden,
dass sich die Rotorkreisflächen
in der Draufsicht nicht überschneiden
(leises Fluggeräusch).
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Weil
die einzelnen Hubeinheiten mit elektrischer Energie versorgt und
von einer zentralen Steuereinheit angesteuert werden müssen, ist
neben der mechanischen Koppelung der Baugruppen auch eine elektrische
vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens
eine elektrische Verbindung zwischen den Baugruppen vorhanden, die
elektrische Komponenten verschiedener Baugruppen elektrisch leitfähig verbindet.
Zu diesen elektrischen Komponenten zählen alle Einrichtungen, die
mit elektrischem Strom arbeiten (Drehzahlsteller, Elektromotoren, Steuerelektroniken
etc.).
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Die
Kombination von elektrischer und mechanischer Verbindung stellt
hohe Anforderungen an die Verbindungstechnik, da es zudem auch noch
auf hohe Betriebssicherheit, geringes Gewicht und einfache Handhabung
ankommt.
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Nach
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung kann die Verbindung von Baugruppen mit einer lösbaren Steckverbindung
umgesetzt werden, in der elektrische Kontakte integriert sind, vorzugsweise
im Innern der Steckverbindung. Damit können empfindliche Kontakte
vor Beschädigung
und Verschmutzung geschützt werden.
Die an den Kontakten angeschlossenen elektrischen Leitungen können im
Innern des Traggerüsts verlegt
sein. Sie unterliegen dort keiner Biegewechselbeanspruchung, deretwegen
sie vorzeitig ermüden
oder brechen könnten.
Eventuelle Kontaktprobleme können
durch hochwertige Elektrostecker vermieden werden, z. B. mit vergoldeten
Kontakten.
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Die
in der Steckverbindung integrieren Kontakte können so abgedeckt sein, dass
sie auch bei offener Steckverbindung nicht berührt werden können. So
können
z. B. versehentliche Kurzschlüsse
vermieden werden.
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Die
Steckverbindungen können
verwechslungssicher codiert sein. Damit kann eine falsche Montage vermieden
werden. Die Codierung kann sicherstellen, dass die Hubeinheiten
polrichtig angeschlossen sind und jede Hubeinheit an der richtigen
Stelle sitzt, in stets der richtigen Position.
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Nach
einer weiteren Variante der Erfindung kann die Steckverbindung wenigstens
ein faserverstärktes Kunststoffrohr
enthalten, vorzugsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, einem Leichtbauwerkstoff höchster Festigkeit.
Mit Rohren aus diesem Material, wie sie in vielen Varianten am Markt
angeboten werden, lassen sich in vielfältiger Weise leichte und feste
Steckverbindungen und Traggerüste
herstellen.
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Die
Steckverbindungen können
selbstsichernd bzw. selbsthemmend oder mit einer Verriegelung ausgebildet
sein. Damit kann gewährleistet
werden, dass sich Steckverbindungen (während des Flugbetriebs) nicht
unvermittelt löst,
z. B. durch mechanische Vibrationen.
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Die
Blattzahl der (vorzugsweise starren) Rotoren kann variieren. Herkömmliche
Rotoren weisen zwei oder mehr Rotorblätter auf. Kompakte Abmessungen
bei Lagerung und Transport lassen sich erzielen, wenn die Rotorblätter eines
Rotors in einer Flucht liegen, wie typischerweise bei zweiblättrigen
Rotoren. Die Rotoren können
auch nur je ein Blatt aufweisen, mit einem (kurzen) Gegengewicht
auf der anderen Seite, als Ausgleich der rotierenden Massenkräfte. Das
Gegengewicht kann als Stromlinienkörper ausgeformt sein (reduzierter Luftwiderstand).
Mit Einblattrotoren kann von Fall zu Fall das Packmaß weiter
reduziert werden. Die Rotoren können
in eine platzsparende Position gedreht werden, in der das einzelne
Rotorblatt weniger übersteht.
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Gemäß weiteren
Aspekten der Erfindung kann das komplette Fluggerät in einem
kompakten Behältnis untergebracht
werden, dessen Abmessungen und/oder Volumen klein sind.
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Die
Abflugmasse des Hubschraubers kann niedrig sein, bevorzugt unter
ca. 5 kg, besonders bevorzugt unter ca. 1 kg.
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Mit
der Erfindung wird außerdem
eine Verfahren zur Minimierung der Abmessungen eines Mehrrotorenhubschraubers
bereitgestellt. Das Verfahren enthält folgende Schritte:
- • Lösen wenigstens
einer, zwei Baugruppen verbindenden Steckverbindung;
- • Trennung
wenigstens einer elektrischen Verbindung zwischen zwei Baugruppen;
und
- • Anordnen
der Baugruppen in einem Behältnis.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird mit dem Lösen
einer Steckverbindung zeitnah auch eine elektrische Verbindung getrennt.
Das ist typischerweise dann der Fall, wenn die elektrischen Kontakte
in die Steckverbindung integriert sind. Diese Lösung ist besonders bedienerfreundlich.
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Fallweise
kann wenigstens ein Rotor einer Hubeinheit vor oder beim Anordnen
einer Baugruppe im Behältnis
in eine andere Position gedreht werden, um z. B. Platz zu sparen.
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Die
Baugruppen können
im Behältnis
ineinander verschachtelt angeordnet werden. Verschachtelt bedeutet,
dass Teile sich überlappen
oder dass Teile einer Baugruppe sich in „Lücken" anderer Baugruppen erstrecken. Mit
dieser Methode kann Platz eingespart werden.
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Werden
1-Blatt-Rotoren verwendet, so können
diese in verschiedenen Richtungen orientiert im Behältnis angeordnet
werden. Hintergrund: Die Motoren der Hubeinheiten sind – gemessen
an anderen Teilen – meist
recht klobig. Ein besonders raumsparende Verschachtelung ist möglich, wenn
die Motoren nicht „alle
in einer Ecke" des
Behältnisses
untergebracht werden. Das lässt
sich z. B dadurch erreichen, dass die Rotorblätter paarweise um ca. 180 Grad
gedreht im Behältnis
platziert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
die unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren erläutert werden.
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1 zeigt
eine Draufsicht eines 4-rotorigen Hubschraubers mit geteiltem Traggerüst nach
einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines 4-rotorigen Hubschraubers gemäß 1;
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3 zeigt
Draufsichten der fünf
Baugruppen des Hubschraubers gemäß 1,
die durch Lösen
der vier Steckverbindungen entstehen;
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4 zeigt
eine Draufsicht der Baugruppen nach 3 in einer
platzsparenden Anordnung (Variante 1 mit 2-Blatt-Rotoren);
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5 zeigt
eine Draufsicht der Baugruppen nach 3 in einer
besonders platzsparenden Anordnung (Variante 2 mit 1-Blatt-Rotoren);
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6 zeigt
eine Draufsicht einer Hubeinheit mit 1-Blatt-Rotor gemäß 5;
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7 zeigt
eine Längsschnittansicht
einer Steckverbindung des Hubschraubers gemäß 1 im demontierten
Zustand; und
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8 zeigt
eine Seitenansicht einer Steckverbindung des Hubschraubers gemäß 1 im
montierten Zustand.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen
einen 4-rotorigen Hubschrauber 30, der als Mikrodrohne
zu Luftaufklärung
in urbanem Gelände
geeignet ist. Der Hubschrauber umfasst insgesamt vier Hubeinheiten 40.
Die Hubeinheiten 40 besitzen jeweils einen im Ausführungsbeispiel
zweiblättrigen
Rotor 1 sowie einen den Rotor antreibenden Elektromotor 2.
Die Hubeinheiten 40 sind an einem Traggerüst 3 befestigt
und durch dieses miteinander verbunden (Kernaufgabe des Traggerüsts, nicht
nur in diesem Ausführungsbeispiel).
Das Traggerüst 3 trägt ferner
eine zentrale Steuereinheit 4, in der auch die Energieversorgung
(Akku) untergebracht ist, sowie eine Nutzlast 5. Im Ausführungsbeispiel
handelt es sich hierbei um eine Kamera.
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Die
technischen Daten des Hubschraubers
30 sind wie folgt:
| Rotordurchmesser: | 380
mm |
| Leistungsbedarf
(Schwebeflug): | 16
W |
| Flugzeit: | 20
min |
| Abflugmasse: | 300
g |
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Am
Traggerüst 3 ist
typischerweise auch das Landegestell angebracht. Im vorliegenden
Fall sind das vier Stelzenbeine 10. Das Traggerüst 3 kann
aus einzelnen Teilen zusammengefügt
sein. Mechanisch stellt es – im
zusammengesteckten Zustand – eine
(weitgehend) starre Einheit dar, die vornehmlich dazu dient, Kräfte und
Momente zwischen dem Landegestell, den Hubeinheiten, der Steuereinheit
und der Nutzlast zu übertragen.
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Das
Traggerüst 3 besteht
im Wesentlichen aus einem kreuzförmigen
Mittelteil 50 mit vier Auslegern 13 bis 16.
Alle diese Komponenten sind aus kohlefaserverstärkten Kunststoffrohren der
Dimension 8 × 0,5
mm gefertigt.
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Das
Traggerüst 3 des
Ausführungsbeispiels
ist an vier Stellen geteilt. Der Hubschrauber 30 besteht somit
aus fünf
Baugruppen 35 (3): dem Mittelteil 50 mit
den zugehörigen
Komponenten (Steuereinheit 4, Nutzlast 5) und
den vier Auslegern 13 bis 16 mit deren Anbauteilen
(Hubeinheiten 40). An den Trennstellen der Baugruppen 35 sind
vier Steckverbindungen 45 vorgesehen (7 und 8).
Damit werden die einzelnen Baugruppen 35 mechanisch und
elektrisch gekoppelt. Die elektrischen Kontakte 65 sind
im Innern der Steckverbindungen 45 untergebracht. Mit dem
Zusammenstecken wird der Kontakt automatisch hergestellt.
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Die
Steckverbindungen 45 enthalten je ein Rohr 6 aus
Kohlefaserkunststoff, das vornehmlich der Kraftübertragung dient. Es verbindet
den jeweiligen Ausleger mit dem Mittelteil 50, mit dem
es an einem Ende verklebt ist. Das andere Ende bildet die eigentliche
Steckverbindung mit spielarmer Führung
auf dem Ausleger.
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Stirnseitig
weist dieses Ende des Rohrs 6 eine Nut auf. Dort greift
beim Zusammenstecken ein Zapfen 7 ein, der am Ausleger
angebracht ist (8). Damit wird die Steckverbindung 45 gegen
Verdrehung arretiert und verwechslungssicher codiert (Lage und/oder
Form der Zapfen-Nut-Paarung variieren). Außerdem werden die elektrischen
Kontakte 65 mechanisch entlastet. Damit wird auch eine
Relativbewegung während
des Flugs an der Kontaktstelle unterbunden (Maßnahme gegen Wackelkontakt).
Zur schnellen Orientierung, wohin welcher Stecker gehört, dienen
außen
an den Rohren angebrachte Farbmarkierungen.
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Es
kann auch sinnvoll sein, auf eine Codierung zu verzichten, um die
Teilevielfalt zu reduzieren. Zwei gegenüberliegende Baugruppen können wegen
gleicher Drehrichtung der jeweiligen Hubeinheiten jeweils baugleich
ausgeführt
werden.
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Die
elektrischen Kontakte 65 sind im Ausführungsbeispiel als zylindrische
Goldkontaktstecker ausgeführt,
mit jeweils drei Pins. In 7 ist der Übersichtlichkeit
wegen nur ein Pin dargestellt. Die definierte Reibung dieser Elektrostecker
sichert die Steckverbindung 45 selbsttätig (selbstsichernde Steckverbindung).
Die stromführenden
Kontakte sind verdeckt, dass sie nicht berührt werden können, auch
wenn die Steckverbindung gelöst
ist.
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Es
gibt viele Möglichkeiten,
das Konzept der Steckverbindung auszugestalten. Insbesondere die
Codierung, die Dreharretierung und die Sicherung können konstruktiv
auch anders gelöst
werden.
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Die
Trennstellen und damit die Steckverbindungen sind so am Traggerüst positioniert,
dass die Abmessungen der fünf
Baugruppen in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen. Die
Baugruppen können
platzsparend in einem kompakten Behältnis verstaut werden – besonders
kompakt, wenn die einzelnen Teile ineinander verschachtelt werden.
Im Ausführungsbeispiel
nach Variante 1 (4) genügt eine
quaderförmige
Transportbox mit den Abmessungen 430 mm × 100 mm × 70 mm, um alle Teile des
Fluggeräts
unterzubekommen.
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Die
dargestellte Situation nach 4 wird erreicht
durch Demontage des Hubschraubers (Lösen der Steckverbindungen),
durch Drehen der Rotoren in eine bestimmte Position (relativ zum
antreibenden Motor) und Anordnen (Platzieren) der Baugruppen in
einer bestimmten Weise.
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Werden
einblättrige
Rotoren verwendet (6), reduzieren sind die möglichen
Abmessungen. Nach Variante 2 (5) sind
es nur noch 270 mm × 80
mm × 70
mm. Bei diesem Beispiel sind die einzelnen Baugruppen zudem enger
verschachtelt als bei Variante 1. Die größte Abmessung
(270 mm) beträgt
nur etwa 70 % eines Rotordurchmessers (380 mm), obwohl die Rotoren
starr ausgeführt
sind und nicht von den Hubeinheiten getrennt werden.
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Das
Mehrgewicht durch die Steckverbindungen ist minimal (4 g je Steckverbindung).
Weitere Vorteile: robuster Aufbau, einfache Handhabung, verwechslungs-
und betriebssicher. Mit nur wenigen Handgriffen kann das Fluggerät auf- und
abgebaut werden, ohne Werkzeug und in sehr kurzer Zeit. Selbst im
Dunkeln kann nichts falsch zusammengesteckt werden kann, weil falsche
Paarungen nicht zusammenpassen. Einzelne Komponenten können leicht
ausgetauscht werden, z. B. nach einem Defekt. Es können auch
andere Hubeinheiten montiert werden, z. B. solche mit höherer Hubleistung
oder integriertem Kollisionsschutz. Allgemeiner formuliert: Das
Konzept mit Steckverbindungen kann für modularen Aufbau genutzt
werden.
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Interessant
ist auch die Option, den Hubschrauber nur etwa halb so groß wie das
Beispiel zu bauen (also ca. 500 mm Gesamtgröße). Das Behältnis für den demontierten
Hubschrauber kann in diesem Fall auf die Größe eines kleinen Brillenetuis
reduziert werden (135 mm × 40
mm × 35
mm). Damit passt das Fluggerät bequem
in eine Jacken- oder Manteltasche.
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- 1
- Rotor
- 2
- Elektromotor
- 3
- Traggerüst
- 4
- Zentrale
Steuereinheit
- 5
- Nutzlast
- 6
- Rohr
- 7
- Zapfen
- 8
- Rotorblatt
- 10
- Stelzenbein
- 12
- Ausgleichsgewicht
- 13
- Ausleger
(vorne)
- 14
- Ausleger
(hinten)
- 15
- Ausleger
(rechts)
- 16
- Ausleger
(links)
- 30
- Hubschrauber
- 35
- Baugruppe
(des Hubschraubers)
- 40
- Hubeinheit
- 45
- Steckverbindung
- 50
- Mittelteil
- 65
- elektrischer
Kontakt
- 70
- elektrische
Leitung
