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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Antriebssysteme für Luftfahrzeuge
mit einem richtungsgesteuerten Schub und insbesondere Antriebssysteme
für senkrecht
startende und landende Fluggeräte,
die einen steuerbaren vertikalen Auftriebsschub für einen
Schwebeflug benötigen,
der gleichzeitig eine Steuerung des Fluggeräts in der horizontalen Ebene
ermöglicht.
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Kurze Beschreibung
des Standes der Technik
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Bekannt
sind axial angeordnete Luftschrauben mit einer kanalbildenden Ummantelung
und steuerbaren Luftleitblechen oder Klappen am Ende des Kanals,
um eine schuberzeugende Antriebseinheit bereitzustellen mit einem
in der Richtung steuerbaren Antriebsschub. Siehe z. B. US-Patent 4,795,111
von Moller. Hier wird eine fliegende Plattform beschrieben, die
eine oder mehrere Mantelturbinen aufweist, wobei jeder Kanal einstellbare
Leitschaufeln besitzt. Mit den Leitschaufeln kann der Schub in der
Richtung gesteuert werden, um so im Schwebeflug zusätzlich zum
vertikalen Schub auch horizontale Flugmanöver zu erlauben.
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Da
Luftleitbleche, Klappen oder andere Steuerungseinrichtungen, die
sich in einem Luftstrom befinden, zu einer Reduzierung des Luftstroms
führen,
wäre ein
Entwurf für
einen Antrieb, der die Steuerbarkeit des Luftstroms ohne Steuerungselemente im
Luftstrom ermöglicht,
sehr wünschenswert.
Desweiteren würde
eine Reduzierung der mechanischen Komplexität des Gesamtantriebsystems
durch Vereinfachung der Steuerungseinrichtungen zu mehr Ausfallssicherheit
führen.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, Luftleitkanäle und Luftschrauben
so anzuordnen, dass ein schuberzeugendes Antriebssystem entsteht mit
der Fähigkeit,
die Richtung des Schubs über
die Antriebsleistung einzeln getrennt steuerbarer Luftschrauben
zu realisieren. Dabei sollen die Luftleitkanäle so zueinander angeordnet
werden, dass ein höherer
Wirkungsgrad bei der Gesamtantriebsleistung entsteht als im Vergleich
zu einer räumlich
weiter auseinanderliegenden Anordnung von Luftleitkanälen, bei
der eine gegenseitige Beeinflussung der Luftströmungen nicht oder nur minimal
möglich
ist.
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Dieses
wird durch Mittel des Antriebssystems gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die vereinfachte Steuerung
der Richtung des Gesamtantriebsschubs über die individuelle Antriebssteuerung einzelner
Luftschrauben. Dadurch fallen komplexe Steuerungseinrichtungen weg,
wie z. B. Luftleitbleche, die sich im Luftstrom des Antriebs befinden
würden.
Dadurch wird das Antriebssystem zuverlässiger und wartungsärmer.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der geringere Gesamtwiderstand
auf den Luftstrom bei Durchströmung
des Antriebssystems im Vergleich zu einer Antriebseinheit, die Luftleitsteuerungseinrichtungen
enthält,
die sich im Luftstrom befinden.
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In der Zeichnung
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1 zeigt
ein Antriebssystem mit vier symmetrisch aufeinander zulaufenden
Luftleitkanälen, die
jeweils eine Luftschraube enthalten.
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2 zeigt
einen Schnitt durch ein Antriebssystem mit zwei symmetrisch aufeinander
zulaufenden Luftleitkanälen,
die jeweils eine Luftschraube enthaften. Die durch das Antriebssystem
erzeugte Luftströmung
an den Kanalausgängen
wird durch die gestrichelten Pfeile angedeutet.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Es
wird nun Bezug genommen auf 1 der Zeichnung.
Dort wird ein Antriebssystem (1) gezeigt, welches aus vier
Luftleitkanälen
(2) besteht, deren Enden in einem spitzen Winkel aufeinander
zulaufen. Die Bauform sämtlicher
Kanäle
(2) ist gleich und ihre Anordnung im Gesamtantriebssystem
(1) ist symmetrisch. In jeden der Luftleitkanäle (2)
ist eine Luftschraube (4) eingebaut mit einem Antriebsmotormittel,
welches in einem aerodynamisch geformten Gehäuse (5) eingebaut
ist. Als Antriebsmotormittel werden vorzugsweise Elektromotoren
eingesetzt, da mit diesen ein gutes Leistungsgewicht und schnelle
Ansteuerung realisiert werden kann. Die Ausführung der Blätter der
Luftschrauben (4) können
je nach Anforderung entweder im Anstellwinkel kollektiv verstellbar
oder nicht verstellbar sein, abhängig
davon wie schnell die Luftströmungen
in den Kanälen
gesteuert werden müssen.
Wird eine kollektive Blattverstellung genutzt, so ist die Mechanik
mit dem zugehörigen
Motormittel ebenfalls im Gehäuse
(5) untergebracht. Auf die Mechanik der kollektiven Blattverstellung
wird hier nicht näher
eingegangen, da diese hinreichend bekannt ist und entsprechend dem
Stand der Technik ausgeführt
werden kann. Das Gehäuse (5)
mit dem Antriebsmittel und der Luftschraube (4) ist durch
Halterungen (10) im Luftkanal befestigt. In diesen Halterungen
liegen auch die Kabel für
die Energieversorgung der Antriebsmittel der Luftschrauben und gegebenenfalls
auch für
die Steuerung und Energieversorgung der Motormittel für die kollektive Blattverstellung,
falls diese genutzt wird.
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Alle
Luftleitkanäle
(2) besitzen einen separaten Eingang (3) in dem
die von den Luftschrauben (4) angesaugte Luft eintritt.
Die Kanaleingänge
(3) sind so geformt, dass die Luft so eintreten kann, dass
sie sich mit möglichst
wenig Widerstand parallel zur Längsachse
(8) des Gesamtantriebssystems (1) bewegen kann.
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Für die Anordnung
der Ausgänge
der Luftleitkanäle
(2) gibt es zwei unterscheidbare Anordnungen. Zum einen
kann jeder Luftleitkanal (2) einen separaten Ausgang besitzen,
wobei alle Ausgänge
so geformt und so dicht aneinander liegen müssen, dass die austretenden
Luftströme
sich gegenseitig überlagern
(siehe 2/Punkte 7 und 9). Zum zweiten
können
alle Luftleitkanäle
so zusammengeführt
werden, dass ein gemeinsamer Austritt für alle Luftströme resultiert
(6), wie in 1 abgebildet.
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Anhand
von 2 soll die Formgebung eines einzelnen Luftkanals
für 1 erläutert werden, wobei 2 ein
weiteres Antriebssystem darstellt, welches nur aus zwei Luftleitkanälen (2)
inklusive Luftschrauben (4) und Antriebsmittel besteht.
Weiter unten wird diese Anordnung noch einmal näher erläutert.
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Jeder
Luftleitkanal (2) muss derart geformt sein, dass der Richtungsvektor
des aus dem Kanalausgang austretenden Antriebsluftstroms (9)
nicht parallel zur Längsachse
(8) des Gesamtantriebssystems (1) liegen darf.
Wenn von dem Fall ausgegangen wird, dass nur aus einem Luftleitkanal
ein Antriebsluftstrom (9) austritt, dann erzeugt dieser
Antriebsluftstrom (9) den Gesamtschub des Antriebssystems
(1). Der damit resultierende Schubvektor ist ebenfalls
nicht parallel zur Längsachse
(8) des Gesamtantriebssystems (1) gerichtet, da
er in seiner Richtung genau der Richtung des Antriebsluftstroms entgegengesetzt
ist.
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In 1 und 2 sind
die Luftleitkanäle
als Röhren
mit einem kreisförmigen
Querschnitt mit gleichbleibenden Durchmessern geformt. Für jede Röhre gilt,
das der Röhrenabschnitt,
der nach den eingebauten Luftschrauben (4) beginnt, in
der Art gekrümmt
ist, dass die entsprechende Röhre
sich der Längsachse
(8) des Gesamtantriebssystems (1) nähert, so
dass der Luftauslass der Röhre
sich an der Längsachse
(8) mit den anderen Auslässen der anderen Röhren trifft.
Dadurch wird die Luftströmung
innerhalb jeder Röhre
gegen Ende der Röhre
so umgeleitet, dass sie eine Richtung bekommt, die nicht parallel
zur Längsachse
(8) des Gesamtantriebssystems (1) liegt, wodurch
ein teilweise seitlich gerichteter Antriebsschub erzeugt werden
kann.
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Erst
wenn Luftströmung
aus allen Luftleitkanälen
(2) mit gleicher Stärke
an den Ausgängen
oder dem gemeinsamen Ausgang (6) aufeinandertreffen und
sich überlagern,
entsteht ein Gesamtantriebsstrom (7), der parallel zur
Längsachse
(8) des Gesamtantriebssystems (1), liegt und damit
resultiert ein Antriebsschubvektor, der ebenfalls parallel zur Längsachse
(8) liegt. Dabei überlagern
sich die Luftströmungen
an den Ausgängen
oder dem gemeinsamen Ausgang (6) derart, dass ein gemeinsamer
gut gebündelter
und gerichteter Luftstrom (7) entsteht, der einen effektiven
Vortrieb bewirkt.
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Durch
die individuelle Ansteuerung der Luftschrauben (4) bzw.
der entsprechenden Antriebsmittel in einzelnen Kanälen (2)
kann die Stärke
der Luftströmung
in den entsprechenden Kanälen
separat gesteuert werden, und somit kann der Schubvektor des Gesamtantriebsschubs
in der Richtung und Stärke
in gewissen, durch die Konstruktion vorgegebenen Grenzen frei gesteuert
werden.
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Die
individuelle Ansteuerung der Luftschrauben (4) bzw. der
entsprechenden Antriebsmittel wird über ein Computermittel realisiert.
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Wie
oben erwähnt
stellt 2 ein Antriebssystem dar, welches aus zwei Luftleitkanälen (2)
besteht. Mit dieser Anordnung kann, im Gegensatz zum Antriebssystem
in 1, lediglich eine Steuerung des Schubvektors in
einer Ebene erreicht werden, da nur zwei unterschiedlich gerichtete
Antriebsströme gesteuert überlagert
werden können.
Dafür sind
die Platzanforderungen beim Einbau in ein Fluggerät geringer.
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An 1 und 2 sieht
man, dass, je nachdem wie viele Luftleitkanäle in einer gemeinsamen Anordnung
verbaut werden, die Richtungsvariabilität in der Steuerung des Schubvektors
größer oder kleiner
ist. Man kann sich daher je nach Anforderung Antriebssysteme vorstellen
mit zwei, drei, vier, fünf oder
mehr Luftleitkanalanordnungen.
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Als
weitere Ausführungsform
(1 oder 2) können die Antriebsmittel für die Luftschrauben
(4) außerhalb
der Luftleitkanäle
(2) angebracht werden, wobei die Antriebsleistung über eine
ummantelte und damit geschützte
Welle in das innere der Luftleitkanäle an die Luftschrauben (4)
herangeführt
wird. Dadurch kann eine noch leichtere Wartbarkeit des Antriebssystems
(1) erreicht werden.
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Die
zuvor diskutierten Ausführungsformen sind
beispielhaft angegeben, aber andere Ausführungsformen, die das Grundprinzip
der steuerbaren Überlagerung
von verschiedenen Antriebsströmen enthält, ergeben
sich für
den Durchschnittsfachmann innerhalb des Umfangs der Ansprüche.
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Nachfolgend
soll anhand eines Beispiels erläutert
werden, wie die Erfindung in einem Fluggerät verwendet werden kann, um
so die Funktionsweise noch einmal zu verdeutlichen:
Das Fluggerät besteht, ähnlich einem
normalen Flugzeug, aus einem länglichen
Rumpf und zwei Flügeln, derart,
dass ein deltaförmiger
Gesamtkörper
beschrieben wird. Am Ende des Rumpfes ist ein Seitenleitwerk angebracht
und ein Triebwerk für
den Vorwärtsschub.
Die Flügel
dienen bei höheren
Geschwindigkeiten zum einen als Auftriebskörper und zum zweiten als Steuerungselement.
In jedem Flügel ist
jeweils ein Antriebssystem, gemäß der beschriebenen
Erfindung, fest eingebaut, derart, dass die Längsachse (11) des
Antriebssystems vertikal ausgerichtet ist. Zusätzlich ist an der Spitze des
Flugzeugrumpfs ein weiteres Antriebssystem, gemäß der beschriebenen Erfindung,
eingebaut, deren Längsachse
(11) ebenfalls vertikal ausgerichtet ist. Alle drei Triebwerke
dienen dazu, einen Hubschub zu erzeugen für den Schwebeflug. Durch die
individuelle Steuerung jedes der drei Hubantriebssysteme kann das
Fluggerät
jederzeit im Gleichgewicht gehalten werden. Da jedes der drei Triebwerke,
wie in der Erfindung beschrieben, den Schubvektor in einem gewissen
Winkelbereich steuern kann, können
im Schwebeflug auch horizontale Flugmanöver ausgeführt werden bzw. Störkräfte ausgeglichen
werden. Störkräfte können z.
B. Seitenwind oder Gewichtsverlagerung innerhalb des Fluggeräts sein.
Flugmanöver
können
z. B. eine Seitwärtsbewegung
oder das Drehen um die Hochachse des Fluggeräts sein. Jedoch sind keine
höheren
Geschwindigkeiten bei den horizontalen Flugmanövern mittels der Hubtriebwerke
erreichbar. Um höhere
Fluggeschwindigkeiten zu erreichen, wird das Schubtriebwerk genutzt,
welches am hinteren Teil des Rumpfes angebracht ist. In dem Moment,
in dem eine so hohe Geschwindigkeit erreicht wird, dass die Flügel des
Fluggeräts
genügend Auftrieb
erzeugen, um das Fluggerät
in der Luft zu halten, können
die Hubtriebwerke abgeschaltet werden. Desweiteren werden die Ein-
und Ausgänge
der Hubtriebwerke durch Klappen verschlossen, so dass dort Luftturbolenzen
durch die vorbeiströmende
Luft vermieden werden.
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Die
Luftschrauben der Hubtriebwerke, wie auch des Schubtriebwerks, werden
durch Elektromotoren angetrieben. Die Energie für die Elektromotoren wird durch
einen Verbrennungsmotor, der an einen Generator gekoppelt ist, erzeugt.
Der Verbrennungsmotor ist mit dem Generator zusammen im Flugzeugrumpf
eingebaut. Alle Komponenten des Fluggeräts werden über einen redundant ausgelegten
Flugcomputer gesteuert. Der Pilot des Fluggeräts gibt mit seinem Steuerknüppel lediglich
die Flugrichtung vor. Der Flugcomputer steuert alle Antriebstriebwerke
so, dass die vorgegebene Flugbahn eingehalten wird. Äußere oder
auch innere Störeinflüsse werden über Bewegungssensoren,
die im Fluggerät
verbaut sind, registriert und durch entsprechende Steuerungen des
Flugcomputers ausgeglichen. Dadurch wird es für den Piloten sehr einfach
das Fluggerät
zu steuern, und er kann auch bei sehr schlechten Wetterbedingungen
auf der Stelle schweben oder exakte Flugbahnen fliegen.
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Durch
die Erfindung, die in dem oben beschriebenen Fluggerät als Hubtriebwerk
wirksam ist, wird eine Gesamtkonfiguration für das Fluggerät erreicht,
die alle Flugmanöver,
vom Schwebeflug bis zum Flug mit hohen Geschwindigkeiten, erlaubt
und die trotzdem einen relativ einfachen Gesamtaufbau darstellt,
da hier weder Triebwerke geschwenkt werden müssen, noch eine hohe Anzahl
von Steuerungsklappen gesteuert werden müssen. Die Konstruktion ist
dementsprechend wartungsarm und auch günstig in der Herstellung.