DE102006021182A1

DE102006021182A1 - Fluggerät mit vier Hubrotoren und drei Drehachsen als universelle Flugplattform

Info

Publication number: DE102006021182A1
Application number: DE102006021182A
Authority: DE
Inventors: Zoltan Racz
Original assignee: Individual
Current assignee: Racz Zoltan De
Priority date: 2006-05-06
Filing date: 2006-05-06
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-05-07
Also published as: DE102006021182B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluggerät mit vier horizontalen Antriebsrotoren, von denen zwei übereinander angeordnet eine gemeinsame Drehachse teilen. In der Draufsicht bilden die Drehachsen aller Rotoren in der bevorzugten Form ein gleichseitiges Dreieck. Die Drehachsen der Rotoren sind parallel zur Hochachse ausgerichtet, die Rotoren selbst sind in Drehzahl und/oder Blattsteigung regelbar. Das Fluggerät ist gekennzeichnet dadurch, dass die Stabilisierung der Fluglage um alle Achsen (Längs-, Hoch- und Querachse) und die Steuerung des Fluggerätes durch die drehmomenterzeugenden Rotoren selbst erfolgt. Im Besonderen gekennzeichnet durch die übereinander liegende Anordnung und den gegenläufigen Drehsinn der Heckrotoren sowie durch den entgegengesetzten Drehsinn der vorderen Rotoren. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass durch die besondere Anordnung der Rotoren die Rotorendrehmomente sich entweder vollständig aufheben oder zur gezielten Steuerung des Fluggerätes nutzen lassen. Anwendungsbereiche Fluggeräte dieser Art können vielfältig eingesetzt werden, so zum Beispiel als Flugmodell oder als fliegende Plattform für verschiedene Aufgaben. Die im Vergleich zum Hubschrauber hohe Anzahl von Hubrotoren erlaubt den Transport von großen Lasten oder die exakte schwebende Positionierung, wie etwa bei dem Bau von hohen Bauwerken als Ersatz für einen Kran. Ebenso ist ein Einsatz als autonomes Aufklärungsfluggerät möglich, das mit einer Kamera ...

Description

1. Bezeichnung
Fluggerät mit vier Hubrotoren und drei Drehachsen als universalle Flugplattform
2. Kurzbeschreibung der Erfindung und Einsatzgebiete
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluggerät mit vier horizontalen Antriebsrotoren, von denen zwei übereinander angeordnet eine gemeinsame Drehachse teilen. In der Draufsicht bilden die Drehachsen aller Rotoren in der bevorzugten Form ein gleichseitiges Dreieck. Die Drehachsen der Rotoren sind parallel zur Hochachse ausgerichtet, die Rotoren selbst sind in Drehzahl und/oder Blattsteigung regelbar. Das Fluggerät ist gekennzeichnet dadurch, dass die Stabilisierung der Fluglage um alle Achsen (Längs-, Hoch- und Querachse) und die Steuerung des Fluggerätes durch die drehmomenterzeugenden Rotoren selbst erfolgt. Im Besonderen gekennzeichnet durch die übereinander liegende Anordnung und den gegenläufigen Drehsinn der Heckrotoren, sowie durch den entgegengesetzten Drehsinn der vorderen Rotoren. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass durch die besondere Anordnung der Rotoren die Rotorendrehmomente sich entweder vollständig aufheben oder zur gezielten Steuerung des Fluggerätes nutzen lassen.
Fluggeräte dieser Art können vielfältig eingesetzt werden, so zum Beispiel als Flugmodell oder als fliegende Plattform für verschiedene Aufgaben. Die im Vergleich zum Hubschrauber hohe Anzahl von Hubrotoren erlaubt den Transport von großen Lasten oder die exakte schwebende Positionierung, wie etwa bei dem Bau von hohen Bauwerken als Ersatz für einen Kran. Ebenso ist ein Einsatz als autonomes Aufklärungsfluggerät möglich, das mit einer Kamera ausgestattet zum Beispiel nach Naturkatastrophen ein Gebiet nach Überlebenden oder Gefahrstellen absuchen kann.
3. Stand der Technik und Nachteile
Bisherige Fluggeräte dieser Art mit vier Hubrotoren haben üblicherweise eine Anordnung der Rotorenmittelpunkte um die Ecken eines gleichseitigen Vierecks. Dies bringt mehrere Nachteile mit sich:

– Großer Flächenbedarf des Fluggerätes, bedingt durch die Flächen der 4 Rotoren.
– Schwierige Steuerung für den Piloten, da ein „vorn" kaum zu definieren ist.
– Der Schwerpunkt muss sich in der Mitte des von den Antriebsachsen gebildeten Rechtecks befinden (geometrischer Mittelpunkt). Dies ist bei Transportaufgaben ungünstig, da z.B. Lasten nur im Schwerpunkt angehängt werden können, und somit zum Pendeln neigen (Einpunkt-Befestigung). Andere Aufhängungsarten müssen so beschaffen sein, dass der Lastschwerpunkt sich auf derselben Hochachse befindet, wie der Schwerpunkt des Fluggerätes. Dies ist aufwendig und praktisch nicht immer leicht durchzuführen.
– Die Drehmomentsunterschiede der Rotoren können von der Steuerungselektronik schwer erfasst und zugeordnet werden, da die detektierten Kräfte schlecht zu isolieren sind. Das macht die Regelung der Fluglage aufwendig und teuer.
– Schon geringe unausgeglichene Drehmomente haben große Auswirkungen, da zwischen Hubrotor und Schwerpunkt eine Hebelwirkung entsteht.
– Der Schwebeflug ist bei diesen Fluggeräten recht unruhig.

Ebenfalls existieren schon Fluggeräte mit drei Hubrotoren, dessen drei Antriebsachsen in der Draufsicht ein Dreieck bilden. Die Nachteile dieser Lösung sind:

– Die Drehmomente der Rotoren gleichen sich nur dann vollständig aus, wenn die Antriebsachsen in der Draufsicht ein gleichseitiges Dreieck bilden. Dies bedeutet eine starke konstruktive Einschränkung.
– Komplexe Steuerung, insbesondere bei Verschiebung des Schwerpunktes (so etwa bei einem Lastentransport).
– Der Schwerpunkt muss sich in der Mitte des von den Antriebsachsen gebildeten Dreiecks befinden. Dies ist bei Transportaufgaben stark einschränkend.
– Starke Neigung der Fluggeräte sich um die Hochachse zu drehen, da prinzipbedingt nur eine geringe Selbststabilisierung vorhanden ist.
– Der Schwebeflug ist bei diesen Fluggeräten recht unruhig.

Andere vergleichbare Fluggeräte werden durch Kippen der Antriebe bzw. durch zusätzliche Luftklappen im Luftstrom der Antriebe gesteuert. Beides verringert die Effizienz der Antriebe und bringt zusätzliches Gewicht in Form von Verstellmechanismen.
4. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung lag das Problem zugrunde, ein Fluggerät ohne die Nachteile der bisher existierenden Lösungen zu entwickeln. Insbesondere die Steuerung und Stabilisierung des Fluggerätes sollen nur durch die Regelung der Hubleistung der Rotoren erreicht werden, um zusätzliches Gewicht in Form von Steuerungsmechanismen zu vermeiden. Des Weiteren soll eine Möglichkeit geschaffen werden, Lasten in mehreren Punkten anhängen zu können, um ein Pendeln zu verringern oder ganz auszuschalten (Zwei-, Drei- oder Vierpunkt-Befestigung). Der Transport von Lasten ungleichmäßiger Dichte/unregelmäßiger Form soll möglichst effizient durch das Fluggerät durchgeführt werden können, auch wenn durch das Anhängen einer Last eine Verschiebung des Schwerpunktes im Vergleich zum unbelasteten Fluggeräteschwerpunkt entsteht. Ein stabiler Schwebezustand soll ein exaktes Positionieren von Lasten/Effektoren ermöglichen.
5. Beschreibung der Erfindung und der grundlegenden Flugmanöver
Dieses Problem wird bei dem erfindungsgemäßen Fluggerät durch die Anordnung der Hubrotoren nach folgendem Schema gelöst:

– Die vorderen Rotoren sind rechts und links von der Längsachse angeordnet und drehen sich in entgegengesetzter Richtungen. Vorteilhaft ist ein symmetrischer Aufbau zur Längsachse, jedoch nicht zwingend.
– Die Steuerung erfolgt zum überwiegenden Teil mit der Heckanordnung (vorwärts/rückwärts und Drehung rechts/links) (siehe 2). Hier sind die Drehachsen der sich gegensinnig drehenden Rotoren in einer einzigen Antriebsachse zusammengefasst.
– Alle vier Rotoren sind in der Horizontalebene ausgerichtet (siehe 3)
– Der Schwerpunkt des Fluggerätes liegt tiefer als die Rotorenebene, um eine stabile Fluglage zu erreichen.

Die vier Antriebe werden durch einen Rumpf zusammengehalten, dessen Aufbau beispielhaft in 1 bis 3 dargestellt ist. Ebenso kann der Rumpf jedoch aus einer Fachwerkkonstruktion bestehen (Gewichtsvorteil). Die Steuerung des Fluggerätes wird beispielhaft in den Punkten 5.1 bis 5.5 beschrieben. Andere Steuerungsarten, wie zum Beispiel die gleichzeitige Kombination von im Punkt 5.4 und 5.5 beschriebenen Flugmanövern, sind ebenfalls möglich.
Die Energieversorgung des Fluggerätes kann erfolgen über ein oder mehrere Schleppkabel vom Boden aus oder in der besonders bevorzugten Form durch einen oder mehrere aufladbare Energiespeicher direkt an Bord.
Besonders bevorzugt kann die Zuladung an mehreren Punkten am Fluggerät befestigt werden, um somit ein Pendeln der zu transportierenden Last zu verhindern.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Fluggerät durch eine drahtgebundene oder drahtlose Fernbedienung gesteuert.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung verfügt das Fluggerät über eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Flughöhe und Fluglage, diese kann auch mit einem Positionierungssystem (wie etwa GPS) gekoppelt sein, um Positionen automatisch anfliegen zu können.
5.1 Schweben
Das Fluggerät schwebt, wenn die Drehzahl aller Rotoren so eingestellt wird, dass die resultierende Kraft im Schwerpunkt des Fluggerätes genau entgegen der Erdanziehungskraft ausgerichtet ist, und das Fluggerät sich entlang der Hochachse nicht bewegt. Die erzeugten Drehmomente aller Antriebsrotoren müssen sich im Schwebezustand gegenseitig aufheben. Dies erfolgt, indem:

a) die Drehrichtung der vorderen Rotoren R_Links und R_Rechts gegensinnig ist. So wird das erzeugte Drehmoment der vorderen Antriebsrotoren – bei gleicher Größe des Drehmomentes – gegenseitig aufgehoben.
b) die hinteren Rotoren ebenfalls unterschiedliche Drehrichtungen haben. Durch die Anordnung auf der gleichen Antriebsachse heben sich die von den Rotoren erzeugten Drehmomente bei gleicher Größe auf.

Bei dem erfindungsgemäßen Fluggerät gleichen sich die Drehmomente der Heckrotoren gegenseitig aus, ebenso die Drehmomente der vorderen Rotoren. Im Schwebezustand sind somit die von den Heckrotoren erzeugten Drehmomente unabhängig von den Drehmomenten, die von den vorderen Rotoren erzeugt werden, was die Regelung und die Stabilisierung des Fluggerätes enorm vereinfacht.
5.2 Regelung der Flughöhe Regelung Hochachse, siehe 1)
Der Ausgangszustand sei der Schwebezustand. Die Flughöhe kann variiert werden, indem der Hub aller Antriebe so verändert wird, dass die resultierende Kraft im Schwerpunkt des Fluggerätes immer noch genau entgegen der Erdanziehungskraft zeigt, sich jedoch in der Größe verändert. Die erzeugten Drehmomente der Antriebsrotoren müssen sich dabei weiterhin gegenseitig aufheben. Eine Erhöhung der resultierenden Kraft ergibt ein Aufsteigen des Fluggerätes, eine Verringerung ein Sinken.
5.3 Drehung um die Hochachse
Die Gesamthubleistung des Hecks ist die Summe der Rotorhubleistungen von R_Heck/Unten und R_Heck/Oben. Wenn die Gesamthubleistung am Heck beibehalten wird, die Verteilung der Drehmomente von R_Heck/Unten und R_Heck/Oben jedoch verändert wird, so resultiert daraus eine unausgeglichene Drehmomentkomponente mit dem Ergebnis, das das Flugobjekt sich um die Hochachse steuern lässt.
5.4 Vorwärts/Rückwärts Fliegen (Kippen um die Querachse, siehe 1)
Der Ausgangszustand sei der Schwebezustand. Wird nun die Gesamthubleistung am Heck so verändert, dass keine unausgeglichenen Drehmomente entstehen, so erfährt der Schwerpunkt eine Vektorkomponente nach vorn (oder nach hinten), mit dem Ergebnis, dass das Fluggerät nach vorn (oder nach hinten) fliegt. Die Geschwindigkeit und Richtung des Fluges ist von der Veränderung der Gesamthubleistung am Heck abhängig. Eine Erhöhung erzeugt einen Flug nach vorn, dessen Geschwindigkeit vom Maß der Hubleistungserhöhung am Heck abhängt. Eine Verringerung erzeugt einen Flug nach hinten, dessen Geschwindigkeit vom Maß der Hubleistungsverringerung am Heck abhängt.
5.5 Kippen um die Längsachse (siehe 1)
Die Regelung erfolgt durch die Anpassung der Hubleistung von R_Links und R_Rechts.
6. Vorteile der Erfindung
6.1 Steuerbarkeit
Das Fluggerät ist in dem Schwebezustand besonders genau positionierbar, da keine unausgeglichenen Drehmomente auftreten können. Aus diesem Grunde ist das Flugverhalten ebenfalls sehr feinfühlig steuerbar. Bei Änderung der Fluglage entstehen keine unbeabsichtigten Drehmomente (wie etwa bei Fluggeräten mit drei Hubrotoren und drei Antriebsachsen).
6.2 Raumbedarf
Das Fluggerät beansprucht wesentlich weniger Raum in als ein Fluggerät mit vier Rotoren und vier Antriebsachsen, ohne jedoch an Manövrierfähigkeit zu verlieren. Dies ist bei engen Raumverhältnissen (Baustellen, Waldgebiete, Gebäude usw.) von großem Vorteil.
6.3 Lastentransport
Am Fluggerät können sehr flexibel Lasten angehängt werden, da es auf eine Verschiebung des Schwerpunktes wesentlich unempfindlicher reagiert als bisher existierende vergleichbare Fluggeräte. Die Hubleistung der vier Rotoren ermöglicht auch den Transport von schweren Gegenständen.
6.4 Steuerung
Die Steuerung des Fluggerätes kann sehr einfach durch einen elektronischen Regelkreis unterstützt werden, was die Steuerung für den Piloten vereinfacht. Auf das Fluggerät wirkende Kräfte, die nicht vom Piloten beabsichtigt sind, lassen sich durch elektronische Regelkreise leicht detektieren und kompensieren, da die von den Antrieben erzeugten Kräfte isolierbar (und damit zuzuordnen) sind. Somit kann das Fluggerät schon mit wenig Flugerfahrung sicher geflogen werden. Dies ist weder bei heutigen Hubschraubern, noch bei anderen Fluggeräten der Fall.
6.5 Einfachheit
Durch den einfachen Aufbau ist eine kostengünstige Produktion möglich, nur wenige Teile sind erforderlich. Die geringe Anzahl an mechanischen Komponenten begünstigt die Betriebssicherheit. Das Fehlen von mechanischen Steuerungskomponenten (z.B. in Form von Luftklappen oder drehbaren Motorhalterungen) hilft des Weiteren Gewicht zu sparen und verringert die Seitenwindempfindlichkeit des Fluggerätes.
7. Ausführungsformen
Der Antrieb der Rotoren kann über direktantreibende oder übersetzte Elektro- oder Verbrennungsmotoren erfolgen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Fluggerätes
2 eine vereinfachte Darstellung weiterer möglichen Ausführungsformen des Hecks
3 eine vereinfachte Darstellung in 3D-Ansicht mit einer weiteren Ausführungsform des Hecks.
7.1 Erklärung zu 1
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 das Steuergerät (Vorrichtung zur Steuerung der Fluglage bzw. Flughöhe), das Bezugszeichen 2 einen Rotor (Propeller), das Bezugszeichen 3 einen Antrieb. Der Rumpf des Fluggerätes ist mit einem 4 gekennzeichnet.
7.2 Erklärung zu 2
In 2 sind 2 mögliche Ausführungsformen des Hecks dargestellt. Der Drehsinn der Rotoren ist gegensinnig.
7.3 Erklärung zu 3
In 3 sind die Antriebsachsen eines Erfindungsgemäßen Fluggerätes dargestellt. Diese sind mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet. Des Weiteren sind die Drehrichtungen für eine vorteilhafte Ausführungsform beispielhaft angegeben. Gut zu erkennen ist die hintere Antriebsachse mit zwei gegensinnig drehenden Rotoren.

Claims

Fluggerät mit 4 regelbaren Hubrotoren, dessen Antriebsachsen (3, Bezugszeichen 5) zueinander parallel verlaufen und in der Draufsicht ein Dreieck bilden.
Fluggerät mit 4 Hubantrieben, wobei jedem Hubrotor ein eigener regelbarer Antrieb zugeordnet ist, die Antriebsachsen des Fluggerätes in der Draufsicht an den Ecken eines Dreiecks angeordnet sind und genau zwei der vier Hubrotoren eine gemeinsame Antriebsachse haben.
Fluggerät nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet mit genau einem Hubrotorpaar entgegengesetzter Drehrichtung und besonders gekennzeichnet durch die Anordnung der Rotorendrehachsen in einer gemeinsamen Antriebsachse.
Fluggerät nach Anspruch 1 oder 2 mit genau zwei Hubrotoren entgegengesetzter Drehrichtung und paralleler Antriebsachsen.
Fluggerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Stabilisierung der Fluglage und Steuerung der Flugrichtung durch die drehmomenterzeugenden Rotoren selbst.
Fluggerät nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet durch die Anordnung der Heckrotoren R_Heck/Oben und R_Heck/Unten (1, 3) oberhalb und unterhalb einer Antriebseinheit, der wiederum aus zwei getrennt regelbaren Antrieben besteht.
Fluggerät nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet durch Anordnung der Heckrotoren R_Heck/Oben und R_Heck/Unten (1) und der Antriebe an zwei Rahmenauslegern. (2, Ausführungsform A)
Fluggerät nach Anspruch 1 bis 5 gekennzeichnet durch Anordnung der Heckrotoren R_Heck/Oben und R_Heck/Unten (1) direkt untereinander, besonders gekennzeichnet dadurch, dass der Rotor R_Heck/Unten durch eine hohlgebohrte Welle angetrieben wird (2, Ausführungsform B)
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine drahtlose oder drahtgebundene Fernsteuerung.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein GPS-System zur Positionsbestimmung oder zum automatischen Ansteuern einer bestimmten Position.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung von Fluglage und Flughöhe.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen am Fluggerät angeordneten Energiespeicher.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Schleppkabel, durch den vom Boden aus die Energieversorgung und/oder Steuerung des Fluggerätes erfolgt.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum drahtlosen senden und empfangen von Daten.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern und/oder Wärmestrahlung.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Durchführung atmosphärischer Untersuchungen.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Möglichkeit zur Aufnahme von Lasten.
Fluggerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Messung radioaktiver Strahlung.