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Zugehörige Anmeldung
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Diese Anmeldung ist eine Teilfortführung der U.S. Patentanmeldung Seriennr. 11/465,781, 18. August 2006, die eine Teilfortführung der U.S. Patentanmeldung Seriennr. 11/462,177 ist, eingereicht am 3. August 2006, welche die Priorität der Belgischen Patentanmeldung Nr. 2006/0043, autostabiler Helikopter von Alexander VAN DE ROSTYNE betitelt, beansprucht, die am 19. Januar 2006 eingereicht wurde. Die Inhalte dieser Anmeldungen sind durch Bezugnahme hiermit einbezogen.
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Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Helikopter.
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Die Erfindung betrifft einen Helikopter im Allgemeinen. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sie sich auf einen Spielzeughubschrauber und insbesondere auf einen ferngesteuerten Modellhelikopter oder einen Spielzeughelikopter.
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Aus der Druckschrift
US 5 511 947 A ist ein Helikopter bekannt, umfassend ein Gehäuse, einen Hauptrotor mit Rotorblättern, der durch eine Rotorwelle angetrieben wird und der schwenkbar an der Rotorwelle angebracht ist, so dass der Winkel zwischen der Rotationsebene des Hauptrotors und der Rotorwelle variierbar ist. Ferner ist eine Steuerung zum zyklischen Einstellen des Anstellwinkels eines Blatts des Rotors relativ zum Anstellwinkel des anderen Blatts des Rotors vorgesehen.
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Aus der Druckschrift
US 4 118 143 A ist eine Vorrichtung zum Stabilisieren und Regeln eines Helikopter-Rotors mit zwei Rotorblättern bekannt. Eine der Stabilisierung dienende Stange besitzt ein aerodynamisch geformtes Bauteil wie ein Winglet an seinen entgegengesetzten Enden. Die Stange ist so angebracht, dass sie um ihre Längsachse drehbar und um eine im rechten Winkel dazu angeordnete Drehachse verschwenkbar ist. Ferner ist die Stange mit einer Rotorwelle verbunden, an der zwei Rotorblätter angebracht sind.
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Die Druckschrift
GB 958 536 A beschreibt einen Helikopter, dessen Rotorblätter an klappbaren Scharnieren angebracht sind. Durch einen speziellen federbelasteten Mechanismus soll eine übermäßige Verformung der Rotorblätter verhindert werden, so dass diese nicht den Rumpf oder andere Teile des Helikopters berühren können.
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In der
DE 1 270 408 A wird eine Dämpfungseinrichtung für einen Rotor eines Hubschraubers mit einem halbstarren Blattanschluss vorgeschlagen, bei dem der Anstellwinkel der Rotorblätter durch eine mit der Rotorwelle umlaufende, allseitig neigbar mit dieser verbundene Trägheitseinrichtung in Form einer Stabilisierungsstange steuerbar ist, wobei die Neigung der Rotationsebene der Blattspitzen gegenüber der Neigung der Rotationsebene der Trägheitseinrichtung mittels einer bedienbaren, die Rotorblätter und die Trägheitseinrichtung verbindenden Steuereinrichtung veränderbar ist, wobei die Dämpfungseinrichtung zwischen die Trägheitseinrichtung und die Rotorwelle so eingeschaltet ist, dass Neigungsbewegungen der Trägheitseinrichtung gegenüber der Antriebswelle gedämpft werden.
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Zusammenfassung
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Es ist bekannt, dass ein Helikopter eine komplexe Maschine ist, die instabil und demzufolge schwierig zu steuern ist, so dass viel Erfahrung nötig ist, solche Helikopter sicher ohne Missgeschicke zu betreiben.
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Üblicherweise enthält ein Helikopter einen Rumpf bzw. ein Gehäuse, einen Hauptrotor und einen Heckrotor.
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Der Hauptrotor stellt eine Aufwärtskraft zur Verfügung, um den Helikopter in der Luft zu halten, sowie eine Seitwärts- oder Vorwärts- oder Rückwärtskraft, um den Helikopter in benötigte Richtungen zu steuern. Dies kann durch eine zyklische Veränderung des Anstellwinkels der Rotorblätter des Hauptrotors bei jeder Umdrehung des Hauptrotors erreicht werden.
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Der Hauptrotor hat eine Tendenz, von seiner Position abzuweichen, was zu unkontrollierten Bewegungen und zu einem Absturz des Helikopters führen kann, wenn der Pilot die Kontrolle über die Steuerung des Helikopters verliert.
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Es gibt bereits Lösungen zur Abschwächung dieses Effekts. Diese enthalten die Verwendung von stabilisierenden Stangen und Gewichten an den Flügelspitzen der Propellerblätter.
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Alle diese Lösungen machen vom bekannten Phänomen der durch die Corioliskraft und die Zentrifugalkräfte verursachten Kreiselbewegung Gebrauch, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
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Der Heckrotor muss verhindern, dass sich das Gehäuse um die Antriebsachse des Rotors infolge des Widerstandsdrehmoments des Rotors auf das Gehäuse dreht.
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Dazu ist der Heckroter so aufgerichtet, dass er eine seitliche Schubkraft entwickelt, die dem oben erwähntem Widerstandsdrehmoment des Rotors entgegenwirkt, und der Helikopter wird mit Mitteln ausgestattet, die es dem Piloten ermöglichen sollen, die seitliche Schubkraft zu kontrollieren, so dass die Flugposition um die vertikale Achse bestimmt werden kann.
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Da das Heck des Helikopters dazu tendiert, sich um die Antriebsachse des Hauptrotors zu drehen, auch in dem Fall geringer Veränderungen im Antriebsdrehmoment des Hauptrotors, werden viele Helikopter mit einem separaten und autonomen mechanischem oder elektromechanischem System ausgestattet, wie z. B. einem Kreisel oder dergleichen, der automatisch die Schubkraft des Heckrotors bei unerwarteten Rotationen ausgleicht.
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Im Allgemeinen ist die Stabilität eines Helikopters das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen:
der Rotation der Rotorblätter; den Bewegungen jeglicher möglicher stabilisierenden Stangen; dem Ausgleich des Widerstandsdrehmoments des Hauptrotors mittels des Heckrotors;
einem System, wie z. B. einem Kreisel oder dergleichen, um kleine unerwünschte Veränderungen im Widerstandsdrehmoment des Hauptrotors auszugleichen; und
der Steuerung des Helikopters, welche die Rotationsgeschwindigkeit des Hauptrotors und des Heckrotors steuert.
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Wenn diese Elemente im Wesentlichen in Balance sind, sollte der Pilot fähig sein, den Helikopter wie gewünscht zu steuern.
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Dies bedeutet jedoch nicht, dass der Helikopter selbst fliegen kann und daher eine gewisse Flugposition halten oder Manöver ausführen kann, z. B. Schweben oder Durchführen langsamer Bewegungen, ohne den Eingriff eines Piloten.
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Überdies erfordert das Fliegen eines Helikopters für gewöhnlich ein intensives Training und viel Erfahrung des Piloten, sowohl das eines original großen betriebsbereiten echten Helikopters wie auch das eines Spielzeughelikopters oder eines ferngesteuerten Modellhelikopters.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu minimieren. Es soll insbesondere eine einfache und billige Lösung zur Verfügung gestellt werden, um einen Helikopter automatisch zu stabilisieren. Ferner soll das Betreiben des Helikopters einfacher gemacht und die Notwendigkeit einer langjährigen Erfahrung des Piloten reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 21.
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Der Helikopter kann durch eine Änderung der Rotordrehzahl auf- und abwärts bewegt werden. Der Kurs kann durch eine Änderung der Heckrotordrehzahl geändert werden. Der bekannte Helikopter kann nicht so effektiv gesteuert werden, um weder vorwärts oder rückwärts, noch seitlich links oder rechts, nämlich in den horizontalen Dimensionen, zu beschleunigen.
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Um einen Helikopter im Flug zu steuern, sind permanent Steuerbefehle nötig, um ihn in die gewünschte Richtung zu lenken. Daher wird ein System benötigt, um die Auftriebskraft des Rotors in einer zyklischen Art und Weise zu beeinflussen.
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Ein Helikopter enthält ein System, um eine Bewegung wahlweise eine gewünschte horizontale Richtung zu bewirken. Die Rotorblätter werden durch eine Rotorwelle angetrieben und sind schwenkbar an dieser Rotorwelle angebracht, so dass der Winkel zwischen der Rotationsebene des Hauptrotors und der Rotorwelle variieren kann.
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Eine Steuerung zum zyklischen Ändern des Anstellwinkels wenigstens eines Rotorblatts entlang eines 360 Grad Rotationswegs um die vertikale Rotorwelle, welche eine Veränderung in einer Auftriebskraft des Blatts entlang des Rotationswegs bewirkt, veranlasst das Gehäuse, in eine relativ horizontale Richtung von einer horizontalen Ausgangslage gezwungen zu werden. Die horizontale Ausgangslage ist eine schwebende Position über einem Grundniveau. Mit dem Ausdruck „Anstellwinkel” ist der relative Angriffswinkel des Blatts gegen die Rotationsebene gemeint.
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In unterschiedlichen Ausführungen ist das System ein Mehrkanalsystem zum Steuern des Helikopters in unterschiedlichen im Wesentlichen horizontalen Richtungen.
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Das System beinhaltet einen Rotor, der vorzugsweise mit einem Hilfsrohr versehen ist. Es gibt einen am Hauptrotor angebrachten Steuerring und eine mit der Helikoptergehäusestruktur verbundene Stellgliedvorrichtung. Der Steuerring ist im Allgemeinen um die vertikale Rotorwelle zentriert und bewegt sich mit dem Rotor, wenn sie um eine Federachse geneigt wird.
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Die Steuerung beinhaltet ein Stellglied zum Angreifen an eine mit dem Rotor verbundene Baugruppe. Der Angriff des Stellglieds an der Baugruppe bewirkt eine Änderung im Anstellwinkel wenigstens eines Rotorblatts.
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Es kann mehrere Stellglieder geben, wobei die mehreren Stellglieder ringsum die Rotorwelle verteilt sind, um mit der Baugruppe ringsum an unterschiedlichen Positionen relativ zur Rotorwelle wechselzuwirken.
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Das Stellglied beinhaltet einen zwischen einer Ruheposition und einer Position eines Angriffs an die Baugruppe beweglichen Arm. Der Bewegungsgrad des Arms bewirkt den Grad der Wechselwirkung mit der Baugruppe und den Grad der Änderung des Anstellwinkels wenigstens eines Blatts. Die Länge des Arms relativ zur Länge der Baugruppe gegenüber dem Rotor kann den Grad der Wechselwirkung mit der Baugruppe und den Grad der Änderung des Anstellwinkels wenigstens eines Blatts beeinflussen. Des Weiteren kann die durch den Arm auf die Baugruppe ausgeübte Kraft den Grad der Wechselwirkung mit der Baugruppe und den Grad der Änderung des Anstellwinkels wenigstens eines Blatts beeinflussen.
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Das Stellglied beinhaltet einen zwischen einer Ruheposition und einer Position eines Angriffs mit der Baugruppe beweglichen Arm. Die Baugruppe beinhaltet einen transversal um die Rotorwelle gelegenen und mit der Rotorwelle beweglichen Ring. Das Stellglied ist fest am Gehäuse angeordnet.
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Durch die Wirkung der Steuerung wird das Blatt bezüglich der Federachse gedreht.
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Das Blatt wird um den Anstellwinkel periodisch oder zu ausgewählten Zeitpunkten oder bei ausgewählten Winkeln in der 360 Grad Rotation, welche im Wesentlichen durch die Position des Stellglieds am Gehäuse bestimmt wird, gedreht. Dabei gibt es eine ausgewählte Kraft oder Bewegung, wodurch wahlweise der Anstellwinkel des Blatts im erforderlichen Ansprechverhalten auf die Steuerung geändert wird.
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Der Helikopter ist vorzugsweise mit einem Hilfsrotor ausgestattet, welcher durch die Welle des Hauptrotors angetrieben wird und welcher mit zwei im Wesentlichen in Linie mit ihrer Längsachse sich erstreckenden Flügeln ausgestattet ist. Die „Längsachse” wird im Rotationssinn des Hauptrotors gesehen, und ist im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung von wenigstens einem der Rotorblätter des Hauptrotors oder ist innerhalb eines relativ kleinen spitzen Winkels mit der Längsrichtung gelegen. Dieser Hilfsrotor ist schwenkbar an einer Pendelwelle angebracht, die im Wesentlichen quer zur Rotorwelle des Hauptrotors angebracht ist. Dieser ist im Wesentlichen quer zur Längsachse der Flügel gerichtet. Der Hauptrotor und der Hilfsrotor sind miteinander durch eine mechanische Verbindung verbunden, so dass die Schwenkbewegungen des Hilfsrotors den Anstellwinkel von wenigstens einem der Rotorblätter des Hauptrotors steuern.
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Der Helikopter erfüllt im Wesentlichen folgende Anforderungen:
- (a) er kann im Falle von unerwarteten Störungen der Flugbedingungen in eine stabile Schwebeposition zurückkehren. Solche Störungen können in der Form einer Windböe, Turbulenzen, eines mechanischen Lastwechsels, einem Positionswechsel des Gehäuses infolge einer Anpassung an die zyklische Veränderung der Steigung oder des Anstellwinkels der Rotorblätter des Hauptrotors oder einer Steuerung des Heckrotors oder dergleichen mit einem ähnlichem Effekt auftreten; und
- (b) die benötigte Zeit, um in die stabile Position zurückzukehren, sollte relativ kurz und die Bewegung des Helikopters sollte relativ gering sein.
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Die Erfindung betrifft einen verbesserten Helikopter, enthaltend ein Gehäuse mit einem Heck; einen Hauptrotor mit Blättern, die durch eine Rotorwelle angetrieben werden und die schwenkbar an der Rotorwelle mittels eines Gelenks angebracht sind. Der Winkel zwischen der Fläche der Rotation des Hauptrotors und der Rotorwelle kann sich verändern. Ein Heckrotor wird durch eine weitere Rotorwelle angetrieben, die quer zur Rotorwelle des Heckrotors gerichtet ist.
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Ein solcher verbesserter Helikopter ist stabiler. Er stabilisiert sich selbst relativ schnell mit oder ohne einen eingeschränkten Eingriff des Nutzers.
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Der Helikopter kann durch Aufhängen des Heckrotors mit der weiteren Rotorwelle an einer Schaukel, die sich um die Schaukelachse drehen kann, stabiler gemacht werden. Die Schaukelachse erstreckt sich im Wesentlichen in einer weiteren Längsrichtung relativ zum Gehäuse des Helikopters.
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Im Fall von Fehlfunktion oder dergleichen, wobei der Helikopter beginnt, sich um die Rotorwelle des Hauptrotors in einer ungewollten Art und Weise zu drehen, sollte sich der Heckrotor, als ein Ergebnis der auf den rotierenden Heckrotor einwirkenden Kreiselbewegung infolge der Rotation um die Rotorwelle des Hauptrotors, um die Schaukelachse des Heckrotors in einem bestimmten Winkel neigen.
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Durch Messen einer relativen Winkelauslenkung der Schaukel und durch Verwenden des gemessenen Signals als ein Eingangssignal für einen Mikroprozessor, welcher den Antrieb des Hauptrotors und den Antrieb des Heckrotors als eine Funktion eines Stabilisierungsalgorithmus steuert, kann der Schub des Heckrotors so eingestellt werden, dass dem unerwünschten Effekt der Störung entgegengewirkt und automatisch die stabilen Flugbedingungen für den Helikopter mit minimalem oder gar keinem Eingriff des Piloten wiederhergestellt werden.
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Der Hauptrotor wird durch eine Rotorwelle angetrieben, an der die Blätter angebracht sind. Der Hilfsrotor wird durch die Rotorwelle des Hauptrotors angetrieben und ist mit Flügeln versehen.
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Der Hilfsrotor ist schwenkbar an der Pendelwelle angebracht und die Schwenkbewegung ist um die Hilfswelle gerichtet. Die Hilfswelle ist im Wesentlichen quer zur Rotorwelle des Hauptrotors angebracht. Der Hauptrotor und der Hilfsrotor sind miteinander durch eine mechanische Verbindung verbunden, so dass die Schwenkbewegung des Hilfsrotors den Anstellwinkel von wenigstens einem der Rotorblätter des Hauptrotors steuert.
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Der Anstellwinkel des Rotors in der Rotationsebene des Rotors und der Rotorwelle kann variieren. Ein mit der Rotorwelle rotierbarer Hilfsrotor kann eine pendelnde Bewegung um ein Hilfsrotorscharnier ausführen. Eine Verbindung zwischen dem Haupt- und dem Hilfsrotor bewirkt, dass Änderungen in der Position des Hilfsrotors in Änderungen im Anstellwinkel des Hauptrotors übersetzt werden.
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Die Rotorblätter des Hauptrotors und die Flügel des Hilfsrotors sind jeweils miteinander mit einer mechanischen Verbindung verbunden, welche die Relativbewegung zwischen den Blättern des Rotors und den Flügeln des Hilfsrotors erlaubt.
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Zeichnungen
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Die oben erwähnten Merkmale werden in Bezug auf die folgenden mit den beiliegenden Zeichnungen verbundenen Beschreibungen deutlicher, in denen:
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1 schematisch einen Helikopter gemäß der Offenlegung in Perspektive zeigt;
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2 eine Draufsicht gemäß Pfeil F2 in 1 zeigt;
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3 und 4 entsprechende Abschnitte gemäß Linien II-II und III-III in 2 zeigen;
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5 eine Ansicht des in 1 durch F5 angezeigten Rückrotorteils in einer größeren Skala zeigt;
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6 eine Rückansicht gemäß Pfeil F6 in 5 ist;
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7 eine Variante von 1 zeigt;
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8 eine Variante von 5 zeigt;
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9 eine unterschiedliche Ansicht des Heckrotors von 8 zeigt;
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10 einen Abschnitt des Helikopters zeigt;
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11 schematisch eine alternative Ansicht des Helikopters gemäß der Offenlegung in Perspektive zeigt;
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12 eine perspektivische Ansicht des Hauptrotors und des Hilfsrotors ist;
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13 eine perspektivische Ansicht des Heckrotors und des Heckstabilisators in einer zweiten Ausführungsform des Helikopters ist;
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14 eine seitliche Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters zeigt;
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15 eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters zeigt;
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16 eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters zeigt;
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17 eine Rückansicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters ist;
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18 eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters entlang Linie 18-18 von 16 zeigt;
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19 einen Helikopter mit einem sich drehenden Rotor zeigt, um den Helikopter im Flug aufrecht zu halten, und zwei Achsen sind angezeigt;
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20 einen Helikopterrotor im Flug zeigt, wenn die Rotorhälften unterschiedlichen Auftrieb erzeugen, der eine (A) gegen den anderen (B). Ein Drehmoment C erzeugt und bewegt den Rotor in die Richtung (C) dieses Drehmoments;
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21 einen Helikopter mit einem Rotor und einem Stabilisator, einem am Rotor angebrachten Steuerring, und eine mit der Helikoptergehäusestruktur verbundene Stellgliedvorrichtung zeigt;
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22a und 22b zwei zugehörige Ansichten sind, welche den Steuerring zeigen, der im Allgemeinen um die vertikale Rotorwelle zentriert ist. Der Ring bewegt sich um die Rotorachse und mit dem Rotor, wenn sich der Rotor um die Federachse neigt, wie in 22b gezeigt ist. Das Rotorsystem ist der Klarheit wegen weggelassen;
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23 eine Explosionsansicht der Stellgliedvorrichtung mit einer Spule, einem schwenkbaren Magnet, einem Sockel und einem Arm zeigt;
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24 den Arm in unterschiedlichen Positionen (a), (b) und (c) zeigt;
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25, 26 und 27a und 27b beispielhaft sind und den Steuerring und den Rotor in relativ unterschiedlichen Positionen zeigen. 27a ist eine seitliche Ansicht eines Teils der Struktur und 27b ist eine detailliertere Frontansicht der Struktur;
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28a und 28b zeigen die Arbeitsweise der Steuerung, wobei der Rotor weggelassen worden ist;
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29a und 29b die Stabilisierungsbewegung des angebrachten Rotors zeigen, abhängig von seiner mechanischen Beziehung mit dem Rotor;
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30a, bei der wegen der Klarheit der Rotor weggelassen worden ist, und 30b weitere Details des Betriebs zeigen;
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31a, 31b und 31c jeweils unterschiedliche Positionen des Stellglieds zeigen;
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32 eine Steuerung mit zwei Stellgliedern zeigt, welche zum Ausüben einer unabhängigen und wahlweisen Kraft auf den Steuerring verwendet werden;
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33a und 33b den zurückgezogenen Stellgliedarm und das Stellgliedsignal ohne Wechselwirkung zeigen, und die Rotoranordnung in einer Position ist, bevor die Wechselwirkung vorliegt, und frei ist, die Steuerung des Rotors zu übernehmen;
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34a und 34b den zurückgezogenen Stellgliedarm und das Stellgliedsignal ohne Wechselwirkung zeigen, und die Rotoranordnung frei unter seiner eigenen Steuerung gearbeitet hat;
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35 eine beispielhafte Seitenansicht eines Helikopters ist;
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36 eine Draufsicht eines Helikopters ist;
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37 eine Frontansicht eines Helikopters ist;
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38 eine perspektivische Ansicht eines Helikopters ist;
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39 eine Seitenansicht der Struktur eines Helikopters ist;
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40 eine Draufsicht der Struktur eines Helikopters ist;
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41 eine Frontansicht der Struktur eines Helikopters ist;
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42 eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Helikopters ist;
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43 eine Seitenansicht der Struktur eines Helikopters ist;
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44 eine Draufsicht der Struktur eines Helikopters ist;
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45 eine Frontansicht der Struktur eines Helikopters ist;
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46 eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Helikopters ist;
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47 eine Seitenansicht der Struktur eines Helikopters ist;
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48 eine Draufsicht der Struktur eines Helikopters ist;
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49 eine Frontansicht der Struktur eines Helikopters ist; und
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50 eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Helikopters ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Die folgenden Ausführungsformen eines verbesserten Helikopters sind nur als ein Beispiel mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen angeführt.
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Der in den Figuren beispielhaft gezeigte Helikopter 1 ist ein ferngesteuerter Helikopter, der im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2 mit einem Fahrgestell und einem Rotor 3; einem Hauptrotor 4; einem synchron mit dem Letzterem und einem Heckrotor 6 angetriebenen Hilfsrotor 5 besteht.
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Der Hauptrotor 4 ist mit Mitteln versehen, die als ein Rotorkopf 7 auf einer ersten aufwärts gerichteten Rotorwelle 8 bezeichnet werden, die in dem Gehäuse 2 des Helikopters 1 in einem Lager rotierbar montiert ist und die mittels eines Motors 9 und einer Transmission 10 angetrieben wird, wobei der Motor 9 z. B. ein elektrischer Motor ist, der durch eine Batterie 11 versorgt wird.
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In diesem Fall hat der Hauptrotor 4 zwei Blätter 12, die in Linie oder so gut wie in Linie sind, welcher aber genauso gut aus einer größeren Anzahl von Blättern 12 zusammengesetzt sein kann.
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Die Neigung oder der Anstellwinkel A der Rotorblätter 12, mit anderen Worten der Winkel A, den die wie in 6 gezeigten Propellerblätter 12 mit der Rotationsebene 14 des Hauptrotors 4 bilden, kann eingestellt werden, der Hauptrotor 4 ist schwenkbar an dieser Rotorwelle 8 mittels eines Gelenks angebracht, so dass der Winkel zwischen der Rotationsebene des Hauptrotors und der Rotorwelle frei variieren kann.
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In dem Fall des Beispiels eines Hauptrotors 4 mit zwei Blättern 12 wird das Verbindungsstück durch eine Stange 15 des Rotorkopfs 7 gebildet.
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Die Achse 16 dieser Stange 15 ist quer zur Rotorwelle 8 gerichtet und erstreckt sich im Wesentlichen in der Richtung der Längsachse 13 eines der Rotorblätter 12 und bildet bevorzugt, wie in 2 gezeigt ist, einen spitzen Winkel B mit dieser Längsachse 13.
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Der Heckrotor 6 wird über eine zweite Rotorwelle 17 mittels eines zweiten Motors 18 und einer Transmission 19 angetrieben. Motor 16 kann ein elektrischer Motor sein. Der Heckrotor 6 mit seiner Rotorwelle 17 und seinen Antrieben 18–19 ist an einer Schaukel 20 aufgehängt, die um eine Schaukelachse 21 rotieren kann, die am Heck 3 des Helikopters 1 durch zwei Halterungen 22 und 23 fixiert ist.
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Die Schaukel 20 ist mit einem Verlängerungsstück 24 in Richtung der Unterseite versehen, das mittels einer Feder 25 im Ruhezustand in einer zentralen Position gehalten wird, wodurch die zweite Rotorwelle 17 in dieser Position horizontal ist und kreuzweise zur ersten Rotorwelle 8 gerichtet ist.
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Am unterem Ende des Verlängerungsstücks 24 der Schaukel 20 ist ein Magnet 26 vorgesehen, wohingegen gegenüber der Position des Magneten 26 in dem oben erwähntem Ruhezustand der Schaukel 20 ein Magnetsensor 27 am Heck 3 fixiert ist, der es ermöglicht, die relative Winkelverschiebung der Schaukel 20 und damit die des Heckrotors 6 um die Schaukelachse 21 zu messen.
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Es ist klar, dass diese Winkelverschiebung der Schaukel 20 auch auf andere Weise gemessen werden kann, z. B. mittels eines Potentiometers.
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Das gemessene Signal kann als ein Eingangssignal für ein Steuergerät verwendet werden, welches nicht in der Figur gezeigt ist, welches die Antriebe des Hauptrotors 4 und des Heckrotors 6 steuert und welches mit einem Stabilisierungsalgorithmus versehen ist, der einen Gegensteuerbefehl geben wird, wenn eine plötzliche unerwünschte Winkelverschiebung des Heckrotors 6 um die Schaukelachse 21 gemessen wird, die aus einer unerwünschten Rotation des Helikopters 1 um die Rotorwelle 8 resultiert, um die Position des Helikopters 1 wiederherzustellen.
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Der Helikopter 1 ist auch mit einem Hilfsrotor 5 versehen, der im Wesentlichen synchron mit dem Hauptrotor 4 durch dieselbe Rotorwelle 8 und den Rotorkopf 7 angetrieben wird.
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In diesem Fall hat der Hilfsrotor 5 zwei Flügel 28, die im Wesentlichen in Linie mit ihrer Längsachse 29 sind, wodurch die im Rotationssinn R des Hauptrotors 4 gesehene Längsachse 29 im Wesentlichen parallel zur Längsachse 13 der Blätter 12 des Hauptrotors 4 ist oder einen relativ kleinen spitzen Winkel C mit der Letzteren einschließt, so dass sich beide Rotoren 4 und 5 mehr oder weniger parallel übereinander mit ihren Propellerblättern 12 und Flügeln 28 erstrecken.
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Der Durchmesser des Hilfsrotors 5 ist vorzugsweise kleiner als der Durchmesser des Hauptrotors 4, da die Flügel 28 eine geringere Spannweite als die Rotorblätter 12 aufweisen und die Flügel 28 im Wesentlichen starr miteinander verbunden sind. Dieses starre Gesamtgebilde, das den Hilfsrotor 5 bildet, ist schwingbar an einer Pendelwelle 30 angebracht, die an dem Rotorkopf 7 der Rotorwelle 8 fixiert ist. Diese ist quer zur Längsachse der Flügel 28 und quer zur Rotorwelle 8 gerichtet.
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Der Hauptrotor 4 und der Hilfsrotor 5 sind durch eine mechanische Verbindung miteinander verbunden, welche so vom Hilfsrotor 5 der Anstellwinkel A von wenigstens einem der Rotorblätter 12 des Hauptrotors 4 ist. In dem angeführten Beispiel wird diese Verbindung durch einen Stab 31 gebildet.
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Dieser Stab 31 ist gelenkig an einem Blatt 12 des Hauptrotors 4 mit einem Befestigungspunkt 32 mittels eines Gelenks 33 und eines Arms 34, und mit einem weiteren zweiten Befestigungspunkt 35, welcher mit einem Abstand zu dem Letzterem gelegen ist, ist er gelenkig an einem Flügel 28 des Hilfsrotors 5 mittels eines zweiten Gelenks 36 und eines zweiten Arms 37 angebracht.
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Der Befestigungspunkt 32 an dem Hauptrotor 4 ist in einem Abstand D von der Achse 16 der Stange 15 der Rotorblätter 12 des Hauptrotors 4 gelegen, wobei der andere Befestigungspunkt 35 auf dem Hilfsrotor 5 in einem Abstand E von der Achse 38 der Pendelwelle 30 des Hilfsrotors 5 gelegen ist.
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Der Abstand D ist vorzugsweise größer als der Abstand E, und ungefähr das Doppelte dieses Abstands E, und beide Befestigungspunkte 32 und 35 des Stabs 31 sind, gesehen im Rotationssinn R, auf derselben Seite der Rotorblätter 12 des Hauptrotors 4 oder der Flügel 28 des Hilfsrotors 5 gelegen, mit anderen Worten sind beide auf der Vorderseite oder der Rückseite der Rotorblätter 12 und der Flügel 28, gesehen im Rotationssinn, gelegen.
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Auch schließt die Längsachse 29 der Flügel 28 des Hilfsrotors 5, gesehen im Rotationssinn R, vorzugsweise einen Winkel F mit der Längsachse 13 der Rotorblätter 12 des Hauptrotors 4 ein, wobei der eingeschlossene Winkel F in einer Größenordnung um die 10 Grad liegt, wobei die Längsachse 29 der Flügel 28 der Längsachse 13 der Rotorblätter 12, gesehen im Rotationssinn R, voreilt. Unterschiedliche Winkel in einem Bereich von z. B. 5 bis 25 Grad können auch in Ordnung sein.
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Der Hilfsrotor 5 ist mit zwei Stabilisierungsgewichten 39 versehen, von denen jedes an einem Flügel 28 in einem Abstand von der Rotorwelle 8 fixiert ist.
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Des Weiteren ist der Helikopter 1 mit einem Empfänger versehen, so dass er aus einer Entfernung mittels einer Fernbedienung, die nicht gezeigt ist, gesteuert werden kann.
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Als eine Funktion der Helikopterausführung ist es möglich, durch Experimentieren die am besten geeigneten Werte und Beziehungen der Winkel B, F und G; die Beziehung zwischen den Abständen D und E; die Größe der Gewichte 39 und die Beziehung der Durchmesser zwischen dem Hauptrotor 4 und dem Hilfsrotor 5 zu suchen, um ein Maximum an Autostabilität zu gewährleisten.
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Der Betrieb des verbesserten Helikopters 1 gemäß der Offenlegung ist wie folgt:
Im Flug werden die Rotoren 4, 5 und 6 mit einer bestimmten Geschwindigkeit angetrieben, durch die ein relativer Luftstrom in Bezug zu den Rotoren erzeugt wird, durch den der Hauptrotor 4 eine Aufwärtskraft erzeugt, so dass der Helikopter 1 aufsteigt oder absteigt oder eine gewisse Höhe behält, und der Heckrotor 6 entwickelt eine seitlich gerichtete Kraft, die verwendet wird, um den Helikopter 1 zu steuern.
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Es ist für den Hauptrotor 4 unmöglich, sich selbst einzustellen, und er wird sich in der Ebene 14 drehen, in der er gestartet wurde, für gewöhnlich die horizontale Ebene. Unter dem Einfluss von Kreiselbewegung, Turbulenzen und anderen Faktoren wird er eine willkürliche unerwünschte Position einnehmen, wenn er nicht gesteuert wird.
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Die Rotationsfläche des Hilfsrotors 5 kann eine andere Neigung in Bezug zur Rotationsfläche 14 des Hauptrotors 8 einnehmen, wodurch beide Rotoren 5 und 4 eine andere Neigung in Bezug zur Rotorwelle 8 einnehmen können.
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Diese Neigungsdifferenz kann durch jede innere oder äußere Kraft oder Turbulenz oder was auch immer entstehen.
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In einer Situation, durch die der Helikopter 1 stabil auf einem Fleck in der Luft ohne jede störenden inneren oder äußeren Kräfte schwebt, fährt der Hilfsrotor 5 fort, sich in einer Ebene zu drehen, die im Wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle 8 ist.
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Wenn allerdings das Gehäuse 2 aufgrund irgendeiner Störung oder was auch immer aus der Balance gedrückt wird und die Rotorwelle 8 aus ihrer Gleichgewichtsposition abschwenkt, folgt der Hilfsrotor 5 nicht unmittelbar dieser Bewegung, da sich der Hilfsrotor 5 frei um die Pendelwelle 30 bewegen kann.
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Der Hauptrotor 4 und der Hilfsrotor 5 sind in Bezug zueinander so angeordnet, dass eine Schwenkbewegung des Hilfsrotors 5 beinahe unmittelbar in die Steigung oder den Anstellwinkel A der einzustellenden Rotorblätter 12 übersetzt wird.
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Für einen zweiblättrigen Hauptrotor 4 bedeutet dies, dass die Rotorblätter 12 und die Flügel 28 beider Rotoren 4 und 5 im Wesentlichen parallel sein müssen oder, gesehen im Rotationssinn R, einen spitzen Winkel miteinander von z. B. 10 Grad im Fall eines großen Hauptrotors 4 und eines kleinen Hilfsrotors 5 einschließen.
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Dieser Winkel kann berechnet werden oder durch Experimentieren für jeden Helikopter 1 oder für Helikopterausführungen ermittelt werden.
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Wenn die Rotationsachse 8 eine andere Neigung einnimmt als diejenige, welche zur oben erwähnten Gleichgewichtsposition in einer Situation korrespondiert, wobei der Helikopter 1 schwebt, passiert Folgendes:
Ein erster Effekt ist, dass der Hilfsrotor 5 zuerst versuchen wird, seine absolute Neigung beizubehalten, wodurch sich die relative Neigung der Rotationsfläche des Hilfsrotors 5 in Bezug zur Rotorwelle 8 verändert.
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Demzufolge wird der Stab 31 den Anstellwinkel A der Propellerblätter 12 einstellen, so dass die Aufwärtskraft der Propellerblätter 12 auf einer Seite des Hauptrotors 4 ansteigen wird und auf der diametral entgegengesetzten Seite dieses Hauptrotors abnehmen wird.
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Da die relative Position des Hauptrotors 4 und des Hilfsrotors 5 so ausgewählt ist, dass ein relativ unverzüglicher Effekt auftreten wird. Diese Änderung in der Aufwärtskraft stellt sicher, dass die Rotorwelle 8 und das Gehäuse 21 in ihre ursprüngliche Gleichgewichtsposition zurück gezwungen werden.
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Ein zweiter Effekt ist, dass, da der Abstand zwischen den weit entfernten Enden der Flügel 28 und der Rotationsebene 14 des Hauptrotors 4 nicht länger gleich ist, und da auch die Flügel 28 eine Aufwärtskraft erzeugen, ein größerer Druck zwischen dem Hauptrotor 4 und dem Hilfsrotor 5 auf einer Seite des Hauptrotors 4 als auf der diametral entgegengesetzte Seite erzeugt wird.
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Ein dritter Effekt spielt eine Rolle, wenn der Helikopter beginnt, nach vorne, nach hinten oder seitlich aufgrund einer Störung zu kippen. Genau wie in dem Fall eines Pendels wird der Helikopter dazu neigen, in seine ursprüngliche Position zurück zu gehen. Dieser Pendeleffekt erzeugt keine destabilisierenden Kreiselkräfte wie bei den bekannten Helikoptern, die mit einer quer zu den Rotorblättern des Hauptrotors gerichteten Stabilisatorleiste ausgerüstet sind. Es bewirkt, den ersten und zweiten Effekt zu verstärken.
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Die Effekte haben unterschiedliche Ursprünge, aber analoge Eigenschaften. Sie verstärken sich gegenseitig so, um automatisch die Gleichgewichtsposition des Helikopters 1 ohne jeden Eingriff eines Piloten zu korrigieren.
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Der Heckrotor 6 ist schwingbar angebracht und stellt eine zusätzliche Stabilisierung zur Verfügung und ermöglicht es dem Heckrotor 6, die Funktion des Kreisels anzunehmen, der oft in existierenden Helikoptern, wie z. B. Modellhelikoptern, verwendet wird.
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Im Fall einer Störung kann das Gehäuse 2 anfangen, sich um die Rotorwelle 8 zu drehen. Demzufolge dreht sich der Heckrotor 6 in einem Winkel im einen oder anderen Sinn um die Schaukelachse 21. Die wegen der Kreiselbewegung, die auf den rotierenden Heckrotor 6 infolge der Rotation des Heckrotors 6 um die Rotorwelle 8 einwirkt. Die Winkelverschiebung ist eine Funktion der Amplitude der Störung und somit von der Rotation des Gehäuses 2 um die Rotorwelle 8. Dies wird durch den Sensor 27 gemessen.
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Das Signal des Sensors 27 wird durch ein Steuergerät eines Computers verwendet, um der Fehlfunktion entgegenzuwirken und um die Schubkraft des Heckrotors 6 so einzustellen, dass die Winkelverschiebung des Heckrotors 6 aufgrund der Störung aufgehoben wird.
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Dies kann durch Einstellen der Geschwindigkeit des Heckrotors 6 und/oder durch Einstellen der Anstellwinkel der Rotorblätter des Heckrotors 6 gemacht werden, abhängig von der Helikopterausführung 1.
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Wenn notwendig, kann dieser Aspekt der Offenlegung separat angewendet werden, genauso wie der Aspekt des Hilfsrotors 5 separat angewendet werden kann, wie es z. B. mittels von 7 gezeigt wird, die einen Helikopter 1 gemäß der Offenlegung zeigt, bei dem ein Hauptrotor 4 mit einem Hilfsrotor 5 kombiniert ist, aber dessen Heckrotor 6 von der konventionellen Art ist, d. h. dessen Welle sich nicht mit einer Schaukel drehen kann, aber drehbar in Bezug zum Heck 3 angebracht ist.
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Praktisch macht es die Kombination beider Aspekte möglich, einen Helikopter herzustellen, der sehr stabil in jeder Richtung und in jeder Flugsituation ist und der einfach zu steuern ist, auch durch Personen, die wenig oder keine Erfahrung haben.
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Es ist klar, dass der Hauptrotor 4 und der Hilfsrotor 5 nicht unbedingt als ein starres Gesamtgebilde gemacht werden müssen. Die Rotorblätter 12 und die Flügel 28 können auch so am Rotorkopf 7 vorgesehen sein, dass sie angebracht sind und relativ separat rotieren können. In diesem Fall z. B. können zwei Stäbe 31 verwendet werden, um jederzeit ein Blatt 12 mit einem Flügel 28 zu verbinden.
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Es ist auch klar, dass, wenn notwendig, die Verbindungsstücke und die gelenkigen Verbindungsstücke auch auf andere Arten als die Gezeigten realisiert werden können, z. B. durch Zuhilfenahme eines flexiblen Torsionselements.
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In dem Fall eines mehr als zwei Blätter 12 aufweisenden Hauptrotors 4 sollte man vorzugsweise sicher sein, dass wenigstens ein Blatt 12 im Wesentlichen parallel zu einem der Flügel 28 des Hilfsrotors ist. Das Verbindungsstück des Hauptrotors 4 wird vorzugsweise als ein Kugelgelenk oder als eine Stange 15 gemacht, die im Wesentlichen quer zur Achse der Pendelwelle 30 des Hilfsrotors 5 gerichtet ist und die sich im Wesentlichen in der Längsrichtung eines Propellerblatts 12 erstreckt, das im Wesentlichen parallel zu dem Flügel 28 ist. In einer anderen Ausführung umfasst der Helikopter ein Gehäuse mit einem Heck; einen Hauptrotor mit Blättern, der durch eine Rotorwelle angetrieben wird, an welcher die Blätter angebracht sind. Ein Heckrotor wird durch eine zweite quer zur Rotorwelle des Hauptrotors gerichtete Rotorwelle angetrieben. Ein Hilfsrotor wird durch die Rotorwelle des Hauptrotors angetrieben und wird mit Flügeln von der Rotorwelle im Rotationssinn des Hauptrotors versehen.
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Der Hilfsrotor ist schwingbar an einer Pendelwelle angebracht und die Schwenkbewegung ist relativ aufwärts und abwärts um die Hilfswelle gerichtet. Die Hilfswelle ist im Wesentlichen quer zur Rotorwelle des Hauptrotors vorgesehen. Der Hauptrotor und der Hilfsrotor sind miteinander durch eine mechanische Verbindung verbunden, so dass die Schwenkbewegung des Hilfsrotors den Anstellwinkel wenigstens eines der Rotorblätter des Hauptrotors steuert. Es kann unterschiedliche Grade der Weite geben, variierend von eng bis weiter für jeden der Rotoren, und Gewichte können strategisch entlang der Länge des Hilfsrotors angeordnet sein, um die richtige Bewegung und den richtigen Effekt auf den Hauptrotor unter Berücksichtigung der geeigneten Winkelbeziehung zwischen der Achse des Hilfsrotors und der Achse des Hauptrotors zu erreichen, um den Effekt und die Steuerung des Anstellwinkels des Hauptrotors zu erreichen. In einigen Fällen kann der Hilfsrotor unterhalb des Hauptrotors angebracht sein, und zwar zwischen dem Gehäuseoberteil und dem Hauptrotor, und es kann noch der richtige Effekt am Hauptrotoranstellwinkel erreicht werden.
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Der Anstellwinkel des Rotors in der Rotationsebene des Rotors und der Rotorwelle kann variieren. Ein mit der Rotorwelle rotierbarer Hilfsrotor ist für relative Pendelbewegung um die Rotorwelle. Relativ unterschiedliche Positionen sind so, dass der Hilfsrotor den Anstellwinkel des Hauptrotors dazu bringt, unterschiedlich zu sein. Eine Verbindung zwischen dem Haupt- und dem Hilfsrotor bewirkt Änderungen in der Position des Hilfsrotors, um die Änderungen in den Anstellwinkel zu übersetzen.
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Die Rotorblätter des Hauptrotors und die Flügel des Hilfsrotors sind miteinander mit einer mechanischen Verbindung verbunden, welche die Relativbewegung zwischen den Blättern des Rotors und den Flügeln des Hilfsrotors erlaubt. Ein Verbindungsstück des Hauptrotors zu den Rotorblättern ist durch eine Stange gebildet, die an der Rotorwelle des Hauptrotors fixiert ist.
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Die mechanische Verbindung beinhaltet einen gelenkig an einem Flügel des Hilfsrotors an einem Befestigungspunkt angebrachten Stab, und ist gelenkig an einem anderen Befestigungspunkt an dem Blatt des Hauptrotors angebracht.
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Das Gehäuse beinhaltet quer einer Längsachse des Helikoptergehäuses gerichtete Flügel. Die Flügel 100 und 102 sind quer und abwärts gerichtet, wobei die Flügelspitzen 194 und 106 es ermöglichen, das Helikoptergehäuse am Boden zu stabilisieren.
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Es gibt einen abwärts gerichteten Stabilisator 108 am Heck des Helikopters. 15 zeigt auch eine Fernsteuerungseinheit zum Betrieb mit dem Helikopter. Diese Einheit kann geeignete computergestützte Bedienelemente zum Signalisieren des Betriebes des die Rotoren und ihre relativen Positionen betreibenden Motors besitzen.
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Wie beschrieben und im Detail in dieser Offenlegung gezeigt, gibt es einen sich drehenden Helikopterrotor, um den Helikopter, wie in 19 gezeigt, im Flug zu halten. In dieser Konfiguration gibt es einen Stabilisatorhilfsrotor 128 mit einem Hauptrotor 112. Es gibt kein anderes Steuerungssystem zum Ändern des Anstellwinkels des Rotors 112, um eine andere Bewegungssteuerung in einem im Wesentlichen horizontalen Sinn zu beeinflussen.
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Der Rotor 112 und der Stabilisatorrotor 128 sind in 19 miteinander verbunden. Der Rotor 112 und auch der Stabilisatorrotor 128 sind unabhängig um Schwenklinien bewegbar, wie sie bei den Helikopterrotoren zu finden sind. Dies kann im Wesentlichen z. B. eine Feder oder ein Anschraubgelenk oder Achse 200 und 202 sein. Der gezeigte Helikopter ist fähig, sich durch Ändern der Rotordrehzahl hoch oder runter zu bewegen, oder er ändert durch sich ändernde Heckrotordrehzahl den Kurs. Der in 19 gezeigte Helikopter kann nicht so effektiv gesteuert werden, um weder Vorwärts oder Rückwärts, noch Seitwärts links oder rechts, und zwar in den relativ horizontalen Dimensionen, zu beschleunigen.
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Wegen einer effektiveren Steuerung eines Helikopters im Flug werden vorzugsweise im Wesentlichen permanent Befehle in diesen horizontalen Dimensionen gebraucht, um den Helikopter in oder entgegen der gewünschten Richtung zu lenken. Es ist ein Steuerungssystem vorgesehen, um die Auftriebskraft des Rotors 112 auf zyklische Weise zu beeinflussen, d. h., auf solch eine Weise, dass jede Rotorblatthälfte 112a und 112b den Auftrieb entlang einer Rotation um die vertikale Rotorwelle 108 verändert. Wenn die Rotorhälften 112a und 112b einen unterschiedlichen Auftrieb 224 für Blatt 112a gegen den anderen Auftrieb 226 für Blatt 112b erzeugen, entsteht ein Drehmoment C und bewegt den Rotor 112 in die Richtung D dieses Drehmoments. Der Effekt dieses Drehmoments ist nicht notwendigerweise in Linie mit der Spannweite des Rotors und kann später wegen der Kreiselkräfte auftreten. Der Anstellwinkel des einen Blatts 112a bezüglich der Rotationsebene ist steiler oder größer als der Anstellwinkel des Blatts 112b oder eines Teilbereichs bezüglich der Rotationsebene, welche relativ flacher ist. Dies bewirkt eine Bewegung in Richtung D. Dies kann durch Kreiselkräfte beeinflusst sein. Dies ist in 20 gezeigt. Jedes mit dem Rotorbauteil verbundene Blatt 112a und 112b sieht diese Änderung zyklisch entlang einer 360 Grad Rotation der Rotorwelle.
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Das Steuerungssystem der Offenlegung beinhaltet die folgenden Eigenschaften:
- – einen vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, mit einem Stabilisatorrotor 128 ergänzten Rotor 112,
- – einen am Rotor 112 angebrachten Steuerring 204, und
- – eine Stellgliedvorrichtung 206, welche mit der Helikoptergehäusestruktur verbunden ist, welche durch ein in einer repräsentativen Weise in 21 gezeigtes Sockelelement 208 repräsentiert wird. Anstatt eines Sockels kann es andere Strukturen geben, an welche der Ring angebaut ist.
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Diese sind in 21 gezeigt.
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Der Steuerring 204 ist im Allgemeinen um die vertikale Rotorwelle 108 zentriert. Der Ring 204 bewegt sich mit dem Rotor 112, wenn er sich um die Federachse 200 neigt. Dies ist im Einzelnen in den 22a und 22b gezeigt, wobei die Neigung in 22b gezeigt ist.
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Die gezeigte Stellgliedvorrichtung 206 beinhaltet eine Spule 210, einen schwenkbaren Magnet 212, einen Sockel 214 und einen Arm 216, wie in der Explosionsdarstellung in 23 gezeigt. Abhängig von der Spannung und dem von der Spannungsversorgung durch die Spule 210 geschickten Strom, welcher durch die Steuerung gesteuert wird, welche wiederum durch eine Fernsteuerungseinheit gesteuert wird, übt der Arm 216 eine Kraft auf den Steuerring 204 aus, der Änderungen in der Anstellung des gefederten Rotorblatts 112 bewirkt.
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Die Stellgliedvorrichtung 206 kann viele Formen haben und unterschiedliche Technologien verwenden. Es könnte z. B. ein elektrischer Motor mit einem an die Achse des Motors angebrachten Arms sein oder es können andere elektromagnetische oder magnetische Systeme verwendet werden. Andere Systeme können verwendet werden. Es könnte eine piezoelektrische Vorrichtung, ionische Polymerstellglieder, andere nicht magnetische Vorrichtungen und andere interaktive und/oder interagierenden Systeme sein, um einen Arm dazu zu bringen, sich zu bewegen, oder, wenn es keinen Arm gibt, könnte es eine unterschiedliche Konfiguration geben, um den Rotor um eine Achse, wie z. B. die Federachse, in einer periodischen Art und Weise zu bewegen.
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Betriebszustand: kein Steuerbefehl
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In der Situation, in der das Stellglied 206 nicht in Betrieb ist, gibt es keinen Kontakt zwischen dem Arm 216 und dem Ring 204, unabhängig von der Rotationsposition des Rotors 112. Das Rotorsystem verhält sich, als wäre kein Steuerungsmechanismus vorhanden. In dem Fall eines selbst stabilisierenden Rotorsystems wird der Helikopter mehr oder weniger in einer schwebenden Position schweben, hauptsächlich abhängig von der Position des Schwerpunkts, wie in den vorausgehenden oben genannten Patentanmeldungen erklärt und auch in dieser Offenlegung offengelegt worden ist. 25, 26 und 27a und 27b sind veranschaulichend.
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Betriebszustand: Steuerbefehl
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Wenn das Stellglied 206 in Betrieb ist, dann bewegt sich der Arm oder rotiert, und greift an den Steuerring 204 an und übt eine Kraft auf den Ring 204 aus. Die Größe dieser Kraft hängt von der Größe der durch das Stellglied 206 gesendeten Steuersignale ab. Die Kraft bewirkt ein Drehmoment an der Steuerringanordnung 204. Die Größe des an die Anordnung übermittelten Drehmoments hängt von dem Verhältnis zwischen 218 und 220 ab. Je länger die relative Länge von 218 zu 220, desto mehr Drehmoment wird übermittelt. 28a und 28b sind veranschaulichend.
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Dieses Drehmoment neigt den angebrachten Rotor 112 entlang der Federachse 200, welche senkrecht zur Stellgliedkraftrichtung 222 ist. In 28a ist dies eine repräsentative Position entlang eines 360 Grad Wegs des Rotors 112. Eine Rotorhälfte oder ein Rotorblatt 112a nimmt einen größeren Anstellwinkel ein, während die entgegengesetzte Rotorhälfte oder das Rotorblatt 112b einen kleineren Anstellwinkel einnimmt. Die durch die Rotorhälfte oder das Rotorblatt 112a erzeugte Auftriebskraft 224 ist größer als die durch die Rotorhälfte oder das Rotorblatt 112b erzeugte Auftriebskraft 226.
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Der Stabilisator- oder Hilfsrotor 128 folgt der Bewegung des angebrachten Rotors 112, abhängig von seiner mechanischen Beziehung mit diesem Rotor 112. Im Fall des Helikopters der 1 bis 8 schwenkt der Stabilisator 128 um die Federachse 202. 29a und 29b sind veranschaulichend.
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Diese Asymmetrie in der Auftriebskraft übt, wie weiter in Bezug auf 20 erklärt, ein Drehmoment auf den Helikopter aus.
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Wenn der Rotor 112 in seiner Rotation um bis zu 90 Grad fortfährt, sind nun die Federachse 200 des Rotors 112 und die Steuerringanordnung 204 in Linie mit der Kraft des Stellglieds 206 und seines Arms 216. Der Rotor 112 kann sich nicht infolge der ausgeübten Kraft neigen, und der Rotor 112 „sieht” diese Kraft oder das Drehmoment nicht. 30a mit dem der Klarheit wegen weggelassenem Rotor und 30b sind veranschaulichend. Dies ist eine mechanische Erklärung, wie relativ zyklisch die Steuerung ist. Der Ring 204 neigt sich nicht in diesem Abschnitt des Zykluses und hat keine Auswirkung.
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Dies bedeutet, dass die Auswirkung der Stellgliedkraft vom Maximum nach Null in einem 90 Grad Fortschritt des Rotors geht. Es geht wieder zu einem Maximum beim nächsten Fortschritt von 90 Grad, und wieder zu Null für die nächsten 90 Grad, etc. Dies kann im Wesentlichen eine sinusförmige Änderung der an dem Blatt oder den Blättern des Rotors wirkenden Kraft sein.
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Dadurch wird die Kraftrichtung zyklisch variiert. Dies ist ein Begriff, der im Allgemeinen bei Helikoptern verwendet wird, um anzugeben, dass die Auswirkungen der Steuerungseingabe nicht nur mit der Größe und Art der Steuerungseingabe variieren, sondern ebenso mit der Position des entlang eines 360 Grad Kreises um die Rotorwelle fortschreitenden Blatts. Mit der Position des Stellglieds 206 bezüglich der Rotorwelle 108 und des festen Gehäuses, bewirkt die Wirkung der Stellgliedkraft, dass der Helikopter im Wesentlichen oder hauptsächlich in die gleiche oder ähnliche Richtung geht. Dies wird durch den Winkel der Stellgliedposition relativ zum Gehäuse und der Rotorwelle 108 und den Kreiseleffekten bestimmt. Die Größe der Kraft beeinflusst stark die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung der Bewegung des Gehäuses. Dies ist ein Steuerungssystem, um die Bewegung des Helikoptergehäuses zu steuern.
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Betriebszustand: Variationen und Parameter
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Wenn die Stellgliedposition in Ausrichtung mit der Achse des Helikoptergehäuses von der Spitze bis zum Heck ist, bedeutet dies nicht, dass sich der Helikopter vorwärts mit einer Steuerungseingabe bewegt. Kreiselkräfte tendieren dazu, die Effekte des Bewegens der Position von drehenden Massen von bis zu 90 Grad zu verzögern. Die exakte Verzögerung hängt von Parametern wie den Massen der drehenden Objekte ab, wie z. B. dem Rotor, und/oder dem Stabilisator, und der aerodynamischen Kräfte, dem Winkel zwischen der Rotorfederachse und der Rotormittelachse, der Art von Rotorgelenken („starr” oder „elastisch”) etc.. Die bevorzugte Positionierung des Stellglieds für den gewünschten Effekt wird effektiv als eine Funktion der gewünschten Richtung der Bewegung bestimmt.
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31a, 31b und 31c zeigen mögliche unterschiedliche Positionen des Stellglieds 206. Jede Position etabliert ein Rotorsystem mit einem einzigartigen Flugverhalten.
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32 zeigt, wie zwei Stellglieder 206a und 206b verwendet werden, um unabhängig voneinander Kraft auf den Steuerring auszuüben. Beispielsweise und in dem Fall, dass diese Stellglieder 206a und 206b um 90 Grad versetzt gegeneinander angeordnet und durch zwei unabhängige Signale befehligt werden, können zweidimensionale horizontale Bewegungen eingeleitet werden. Wenn vier Stellglieder installiert werden, eines alle 90 Grad relativ zu jedem anderen, ist eine besser gerichtete Steuerung in der horizontalen Ebene möglich.
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Wenn z. B. drei Stellglieder verwendet werden, jedes 120 Grad vom anderen und durch drei unabhängige Signale befehligt, und einige Wechselwirkungen der drei Signale zur Verfügung gestellt werden, ist eine besser gerichtete Steuerung in der horizontalen Ebene möglich.
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Betriebszustandsbesonderheiten
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Der Helikopter der vorausgehenden zugehörigen Patentanmeldungen erzeugt Autostabilität. Eines der Elemente des Systems ist komplett frei, um das Rotor-/Stabilisatorbauteil zu bewegen. Jegliche externe Hemmung dieses bewirkt, dass der stabilisierende Effekt verschwindet. In einem „klassischen” zyklischen Kontrollsystem übernimmt der Steuerungsmechanismus die volle Kontrolle über das Rotorsystem. Der Grad, zu welchem das Steuerungssystem das Stabilisierungssystem aufhebt, darf nicht bei 100% liegen. Jedoch können Abstimmung und Kalibrierung die Stabilität aufrecht erhalten. Dies ist ein geringer Effekt, wenn ein Bewegungssteuerbefehl an das Stellglied gegeben wird.
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Mit dem auf dem Steuerungssystem basierendem Stellglied gibt es unterschiedliche offengelegte Funktionen und Fähigkeiten.
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Wenn das Stellglied 206 in Ruhe ist, gibt es keinen Kontakt mit dem Rotor oder gibt es keine mechanische Störung der freien Bewegung des Rotors 112 und des Stabilisatorrotors 128. 25, 26, 27a und 27b sind veranschaulichend.
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Wenn ein Signal zum Stellglied 206 durchkommt, hat die Kraft zeitweise Auswirkung auf das Rotorsystem, „destabilisiert” es auf solch eine Art und Weise, dass sich der Helikopter in die gewünschte Richtung bewegt. 29a und 29b sind veranschaulichend.
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Wenn das Stellgliedsignal auf Null zurückgesetzt wird, dann ist die Rotoranordnung wieder frei, um die Steuerung zu übernehmen. 33a und 33b sind veranschaulichend.
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Es gibt ein Steuerungssystem zum Regulieren des Grads der erforderlichen horizontalen Bewegung und ein Steuerungssystem zum Regulieren der Stabilität des Helikopters in einem relativ nicht-horizontalen Bewegungssinn. Der Grad, bis zu welchem das horizontale Bewegungssteuerungssystem über das nicht-horizontale Bewegungsstabilitätssystem des Helikopters dominiert, bestimmt die Rate der Positionsänderungen im horizontalen Sinn. Das horizontale Steuerungssystem beinhaltet die Wechselwirkung des Rings 204, des Stellglieds 206 und seines Steuerungsbetriebs. Das Steuerungssystem für Stabilität wird teilweise durch den wechselwirkenden Rotor 112 und den stabilisierenden Rotor 128 erreicht.
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Der Motor 300 und das wechselwirkende Getriebe 302 und 304 treiben die Rotorwelle 108 in der erforderlichen Geschwindigkeit an. Steuerungselektronik 306 kann gegebenenfalls an dem Substitut 308 angebracht sein.
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In dem gezeigten Fall, wenn der Rotor 112 und der Stabilisator 128 sich selbst in einem „unnatürlichen Zustand” befinden – richten sie sich selbst automatisch nach all den durch den vorausgehenden Helikopter beanspruchten Gründen aus und kommen in einen wie in den 34a und 24b gezeigten Zustand zurück. Der stabilisierende Effekt der Helikopter der 1 bis 18 tritt wieder hervor. Dies bedeutet, dass die Kombination von beiden erwünschten Komponenten erreicht wird: Stabilität, wenn keine Eingabe gegeben ist, und Steuerung, wenn ein Eingangssignal an das Stellglied 206 und die der Rotorringanordnung 204 gegeben wird.
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Wie in den 35 bis 40 gezeigt ist, gibt es unterschiedliche Ansichten von die Offenlegung verwendenden Helikoptern, um eine Steuerung in einem horizontalen Sinn zu bewirken. Der Steuerring ist in unterschiedlichen Richtungen des Angriffs mit dem Stellglied gezeigt. Das gezeigte horizontale Steuerungssystem verwendet die beschriebenen und gezeigten Prinzipien mit Bezug auf die 20 bis 34, und zusätzlich das in anderen Figuren dieser Offenlegung gezeigte Stabilisierungssystem. Die vorliegende Offenlegung ist nicht auf die beispielhaft beschriebenen und in den beiliegenden Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Viele verschiedene Variationen in Größe und Anwendungsbereich und Funktionen sind möglich.
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Die Offenlegung wurde mit einem selbst stabilisierenden Rotorsystem beschrieben und gezeigt. Andere nicht selbst stabilisierende Flugvorrichtungen können auch das Steuerungssystem der Offenlegung verwenden.
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Z. B. sind statt eines vorgesehenen elektrischen Motors andere Formen von motorisiertem Antrieb möglich. Eine unterschiedliche Anzahl von Blättern kann an den Rotoren vorgesehen werden.
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Ein Helikopter gemäß der Offenlegung kann in allen Formarten und Dimensionen gemacht werden, wobei er noch innerhalb des Anwendungsbereichs der Offenlegung bleibt. In diesem Sinn, obwohl der Helikopter in einigen Abschnitten als ein Spielzeughelikopter oder ein Modellhubschrauber beschrieben wurde, können die beschriebenen und gezeigten Funktionen teilweise oder ganz in einem originalgroßen Helikopter Verwendung finden. In einigen Fällen kann der Helikopter eine Struktur ohne einen Heckrotor sein. Unterschiedliche Helikoptertypsysteme können die Steuerung der Offenlegung verwenden. In anderen Fällen kann die Rotorsteuerung mit unterschiedlichen Flugobjekten verwendet werden.
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In anderen Formen kann, anstelle der mechanischen Wechselwirkung, um die Steuerung zu bewirken, ein geeigneter magnetischer oder elektromagnetischer Servo z. B. mit einem Helikopter verwendet werden, der den Hauptrotor und auch den Stabilisatorhilfsrotor verwendet.
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Obwohl die Offenlegung ein System für im Wesentlichen wesentliche oder annähernde horizontale Bewegung in ein oder zwei Richtungen genau beschrieben hat, beinhaltet die Offenlegung Systeme zum Ermöglichen einer Steuerung der Bewegung in andere im Wesentlichen horizontale Richtungen. Beispielsweise kann die Helikoptersteuerung die Steuerung von horizontaler Bewegung vorwärts und/oder seitwärts nach links und/oder seitwärts nach rechts oder unterschiedliche Kombinationen dieser Bewegungen bestimmen.
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Für diesen Verwendungszweck kann es mehr als das eine Steuerungssystem zum Wechselwirken mit dem Rotorbauteil geben. Es kann einige Steuerungssysteme geben, die mit dem Rotor in paralleler und/oder serieller Art betrieben werden, um die gewünschte horizontale Bewegung zu bewirken.
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Die durch die Steuerungssysteme bewirkten horizontalen Bewegungen sind zusätzlich zu den Auf- und Abwärtsbewegungen, welche mit dem Helikoptersystem mit der nicht betriebenen oder funktionierenden Steuerung auf die Rotoranordnung, möglich sind.
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Anstelle einer vom Rotor abhängigen Anordnung kann es auch andere Strukturen für das Stellglied geben, um mit dem Rotorsystem wechselzuwirken. Ferner kann es anstelle eines Rings zur Wechselwirkung mit dem Stellglied andere physikalische Strukturen zur Wechselwirkung mit dem Stellglied geben. In unterschiedlichen Fällen kann es mehr als zwei Blätter für den Rotor geben, und ein oder zwei oder mehr der Blätter des Rotors können in unterschiedlichem oder demselben Ausmaß gesteuert werden.
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Während der Apparat und die Methode hinsichtlich der derzeit als die am praktischsten und bevorzugten angesehenen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es verständlich, dass die Offenlegung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen eingeschränkt sein muss. Es ist beabsichtigt, verschiedene Modifikationen und ähnliche Anordnungen innerhalb des Geists und des Umfangs der Ansprüche abzudecken, so dass im Umfang mit der breitesten Auslegung, alle solche Modifikationen und ähnliche Strukturen umfasst sind. Die vorliegende Offenlegung beinhaltet jegliche und alle Ausführungsformen der folgenden Ansprüche.
