DE102008025607A1

DE102008025607A1 - Vertikal abhebendes, landendes und robustes Fluggerät mit Mitteln zum autonomen Schweben und aerodynamisch getragenen Horizontal Flug mit niedrigem Energieverbrauch

Info

Publication number: DE102008025607A1
Application number: DE102008025607A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Ein robustes und agiles Fluggerät mit einem Schub Modul, einem Zentralkörper mit Mitteln zur unabhängigen dynamischen Stabilisierung, Lenkung und Regelung der Lage des Zentralkörpers und der Schwerpunkts-Position mit niedrigem Energieverbrauch. Das Einsatzspektrum reicht vom zielgenauen vertikalen Abheben und Landen bei horizontaler oder vertikaler Lage des Zentralkörpers, dem Schweben, wobei der Zentralkörper um eine wählbare Achse liegend in der X/Y Ebene des Erdfesten Koordinaten System geschwenkt werden kann umso die Sichtfläche vom Boden zum Flugkörper zu verkleinern oder eine optimale Beobachtungslage einzunehmen, oder wobei der Flugkörper um die vertikale Achse des Erdfesten Koordinaten System mit einer wählbaren Drehgeschwindigkeit rotieren kann um so den Horizont abzuscannen, dem langsamen Beobachtungs-Flug bis hin zum schnellen aerodynamisch tragenden Horizontal Flug. Das Schub Modul mit vier Schuberzeugern, z.B. vier Propeller Systeme mit elektrischen Antriebs-Motoren, und seinen Schwenkmechanismen beherrscht den Ausfall eines Schuberzeugers (ausgenommen spontane Strukturbrüche) im Schweben wie im schnellen Horizontal Flug. Die Schwenkmechanismen sind mechanisch einfache axiale Drehmechanismen und haben eine hohe Zuverlässigkeit. Aufgrund der Robustheit, gerätetechnisch wie gegenüber hohen Windgeschwindigkeiten, können autonome Missionen mittels Auto-Piloten mit sehr geringem Risiko durchgeführt werden. Mittels einer Propeller Blattwinkel Steuerung und einer ...

Description

Die Erfindung betrifft ein vertikal abhebendes, landendes und robustes Fluggerät mit Mitteln zum autonomen Schweben und aerodynamisch getragenen Horizontal Flug mit niedrigem Energieverbrauch
Stand der Technik
Die Robustheit von Fluggeräten hängt davon ab wie das Problem von nicht-steuerbaren Bereichen in Abhängigkeit von Fahrzeuggeschwindigkeit und relativer Luftströmung im Zusammenhang mit den gerätspezifischen aerodynamischen Eigenschaften für die unterschiedlichen Flugphasen wie, Abheben, Landen, Schweben, schneller Horizontal Flug und deren Übergange, vermieden werden können. Es gibt bekannte Konzepte von Beobachtungs-Flugkörpern die auf dem Drehflüglerprinzip basieren und somit auch Horizontal Flug und Schweben einnehmen können. Ein Nachteil dieser Lösungen ist der relativ hohe (bezüglich eines Tragflügelflugzeuges) Energieverbrauch beim schnellen Horizontal Flug und die mangelnde Agilität. Ein weiterer Nachteil beim Schweben ist, dass prinzipiell die Winkellage des Zentralkörpers mit der Positionsregelung gekoppelt ist und der Zentralkörper eines Drehflüglers einen hohen aerodynamischen Widerstand hat so dass die Winkellage des Zentralkörpers durch die Richtung und Stärke äußerer aerodynamischer Störungen bestimmt wird. Ferner ist die Mechanik des Drehflügel-Rotors weit komplizierter als bei einem einfachen Propeller.
Weitere bekannte Konzepte basieren auf dem Luftschiffsprinzip mit Schuberzeugern und davon abgeleitete Systeme die mit geschlossen Auftriebskörper mit leichten Gasen wie Helium Wasserstoff, Propellern und mit aerodynamischen Zusatzstrukturen. Diese Systeme sind, weil die geschlossenen Auftriebskörper immer relativ große Volumen einnehmen vorzugsweise zum Schweben und langsamen und autonomen Beobachtungs-Flug geeignet. Diese Konzepte sind aber windempfindlich und deshalb nicht zur genauen Positionshaltung und zum schnellen Horizontal Flug geeignet.
Ein anderes Konzept ist die QuadroCopter Lösung die speziell für den Schwebe Flug und langsamen Horizontal Flug konzipiert ist. Die Winkellage des QuadroCopter ist ebenfalls prinzipiell mit der Positionsregelung gekoppelt so dass der gleiche Nachteil wie oben beim Drehflüglerprinzip beschrieben auch für den QuadroCopter gilt. Das, durch das QuadroCopter Prinzip bedingte, Problem eines kleinen Bereiches des regelbaren Dreh-Momentes um seine Schubachse und die Minimierung von Nichtsteuerbarkeitsbereichen werden konstruktiv, mittels sehr kleiner aerodynamischen Beiwerte des Fluggerätes, gelöst. QuadroCopter können deshalb nicht das aerodynamische Auftriebsprinzip nutzen um im schnellen Horizontal Flug den Energieverbrauch drastisch zu reduzieren Sie werden deshalb vornehmlich als Kleinfluggeräte für den Nahbereich eingesetzt.
Ein weiteres Konzept sind aerodynamische Fluggeräte mit festem Propeller(n) am Bug oder Heck eines Zentralkörpers, mit Ruder Finnen oder Entenruder mit oder ohne aerodynamischen Tragflächen/Gitterflügel um Schweben und Horizontal Flug zu gewährleisten. Der prinzipielle Nachteil dieser Lösung ist, das man die Luftströmung die durch den Propeller erzeugt wird in Kombination mit drehbaren Ruderfinnen/Entenrudern nutzt um die Lage und Position des Fahrzeuges im Schweben zu regeln. Die Steuerbarkeit ist allerdings zusätzlich abhängig von Fahrzeuggeschwindigkeit und relativer Luftströmung (Wind, Windböen) in Richtung und Stärke. Auch im schnellen Horizontal Flug, insbesondere bei Manövern, können Bedingen auftreten dass sich Propeller Luftströmung und Fahrströmung plus Wind so ungünstig addieren das die ‚Vollständige Steuerbarkeit' des Fluggerätes nicht mehr gegeben ist. Besonders kritisch sind dabei die Übergänge in den schellen Horizontal Flug und zurück zum Schweben und umgekehrt. Die Folge daraus ist, dass das Fluggerät phasenweise instabil werden kann (Nicht-Steuerbare Gebiete) und absturzgefährdet wird. Die Positionsregelung und Winkellage des Zentralkörpers sind auch bei dieser Lösung gekoppelt so dass diesbezüglich der gleiche Nachteil wie oben für den Drehflügler beschrieben auch für diese Lösung gilt.
Eine Erweiterung des obigen Konzeptes sind Aerodynamische Fluggeräte basierend auf Propeller(n) montiert auf einem Kardan Mechanismus am Bug oder Heck eines Zentralkörpers, mit Ruder Finnen oder Entenruder mit oder ohne aerodynamischen Tragflächen/Gitterflügel um Schweben und Horizontal Flug zu gewährleisten. Auch bei der Kardan Lösung sind prinzipiell zusätzliche aerodynamische Stellglieder (Ruder Finnen oder Entenruder mit oder ohne zusätzlichen gegenläufigen Propeller) notwendig um das Drehmoment um die Schubachse zu beherrschen und das Fluggerät zu stabilisieren. Unter realen Bedingungen werden auch im Schweben immer Störmomente auftreten so dass die beiden Nachteile wie oben beschreiben in abgeschwächter Form auch für diese Lösung gelten. Um das System zu stabilisieren und die Position zu halten muss die resultieren Störmomente kompensiert werden und das Propeller-Kardan System zusätzlich geschwenkt werden was konsequenterweise zu einer Winkellage Änderung des Flugkörpers führt oder dazu das der Flugkörper driftet. Das heißt im realen Einsatz sind Positionsregelung und Winkellage des Flugkörpers auch bei dieser Lösung gekoppelt und die Winkellage des Zentralkörpers von den Störungen bestimmt. Besonders kritisch sind wiederum die Übergänge von Horizontal Flug zurück zum Schweben. Eine Umsteuerung der Propeller Motor Drehrichtung führt zu einer drastischen Änderung der Regel-Charakteristik des Motors und der Strömungsverhältnisse am Fluggerät und aufgrund der nicht vorhersagbaren Windverhältnisse zu nicht vorhersagbaren Nicht-Steuerbaren-Gebieten. Die Folge daraus ist, dass das Fluggerät phasenweise instabil werden kann (Nicht-Steuerbare Gebiete) und absturzgefährdet wird. Ein weiterer Nachteil ist dass die Zuverlässigkeitszahl eines Kardanmechanismus erheblich schlechter ist und dessen Masse höher als vergleichbare axiale Drehmechanismen.
Ein gravierendes Sicherheits-Problem tritt für drei letzten Lösungen beim Ausfall eines Propellers auf, Fluggerät oder QuadroCopter sind nicht mehr kontrollierbar und stürzen ab. Aufgrund der oben beschriebenen Nachteile haben die bisher bekannten Lösungen spezifische Einsatzbereiche, sind aber aus den oben beschriebenen Nachteilen nicht geeignet um autonome Einsätze mit schnellem Horizontal Flug mit Schwebephasen (Beobachtungsphasen) gesteuert von einem Auto-Piloten durchzuführen.
Aufgabenstellung, Vorteile und Lösung
Das Ziel der Erfindung ist es einen robusten Fluggerät zu schaffen mit einfachen axialen Drehmechanismen das nicht die Nachteile der bekannten Lösungen aufweist und auch, von einem Autopiloten gelenkt, einen großen Einsatzbereich Bereich beherrscht, vom Abheben über schnellen Horizontal Flug unterbrochen von Schwebephasen bis zur Ziellandung. Das Fluggerät sollte bei horizontaler als auch vertikaler Lage des Zentralkörpers vertikal Abheben und Landen können. Im Schweben sollte der Zentral Körper um eine wählbare Achse liegend in der X/Y Ebene des Erdfesten Koordinaten System schwenkbar sein und/oder um die Z-Achse des Erdfesten Koordinaten System mit einer wählbaren Drehgeschwindigkeit rotieren können, umso z. B. die Sichtfläche vom Boden zu verkleinern, oder, eine optimale Beobachtungslage einzunehmen, oder bei starker Wind die vorgegebene Position zu halten oder den Horizont abzuscannen usw.. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es den Energieverbrauch während des Einsatzes zu minimieren, wobei bei gleichem Nutzlastgewicht und gleicher Mission der Energieverbrauch des neuartigen Fluggerätes beim Schweben einem in den Ausmaßen vergleichbaren QuadroCopter und beim schnellen Horizontal Flug dem eines üblichen Tragflügel Flugzeuges mit vergleichbarer Tragfläche nahe kommen soll. Ferner sollte bei Ausfall eines Schuberzeugers (ausgenommen Strukturbrüche) das Fluggerät Funktionsfähig bleiben.
Diese Aufgaben sind gemäß der Erfindung durch die Merkmale der Haupt-Patentansprüche 1 bis 4 gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Weitere Details der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels in dem anhand von Zeichnungen die prinzipiellen Eigenschaften und die Wirkungsweise erörtert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Energieversorgungs- und Signal-Leitungen der benötigten Geräte werden nicht explizit in den Zeichnungen dargestellt.
1 zeigt schematisch die Draufsicht einer Ausführungsform der zentralen Montage Plattform, inklusive Montage Schale und Deckel, der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit dem körperfesten Koordinaten System des Zentralkörpers.
2 zeigt die schematische Draufsicht einer Ausführung des Schubmoduls vom Typ-1 der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit dem körperfesten Koordinaten System des Schubmoduls und den körperfesten Koordinaten Systemen der vier Schuberzeuger.
3 zeigt die schematische Darstellung einer Ausführung eines Schuberzeugers als Propeller System und einer Ausführung eines Schuberzeugers als Triebwerks System mit dem zugehörigen körperfesten Koordinaten System des Schuberzeugers.
4 zeigt die prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit dem Schubmodul vom Typ-1 und Montage Plattform mit zugehörigen Koordinaten Systemen und der Definition der relativen Drehung zwischen der Montage Plattform und dem Schubmodul.
5 zeigt die schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Variante der Ausführung der integrierten Steuervorrichtung, dargestellt in 4, wobei die zentrale Montage Plattform hier als aerodynamische Auftriebsstruktur ausgebildet ist und wobei an den Strukturarmen Kleinflügel vertikal befestigt sind.
6 zeigt die schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Variante der Ausführung der Steuervorrichtung, dargestellt in 4, wobei die zentrale Montage Plattform welche als aerodynamische Auftriebsstruktur ausgebildet ist und wobei an den Strukturarmen aerodynamische Strukturen vertikal (vertikale Kleinflügel) befestigt sind.
7 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung des Schubmoduls vom Typ-2, wobei je zwei, statt wie in 2 für Typ-1 dargestellt ein, steuerbare axiale äußere Drehmechanismen an den äußeren Enden der Haupt Drehwelle befestigt sind und wobei an jedem axialen äußeren Drehmechanismus ein äußerer Strukturarm befestigt ist und unabhängig von den anderen um seine Längsachse gedreht werden kann.
8 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung des Schubmoduls vom Typ-3, wobei je zwei der vier Strukturarme direkt an den äußeren Enden der Haupt Drehwelle fixiert sind und wobei an den anderen Enden der Strukturarme je ein axialer äußerer Drehmechanismus befestigt ist. Je ein Schuberzeuger ist an je einen axialen äußeren Drehmechanismus derart mechanisch gekoppelt das jeder Schuberzeuger unabhängig von den anderen geschwenkt werden kann.
9 zeigt bei geschlossener Montage Plattform die schematische Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Variante der Steuervorrichtung wobei die Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) direkt am Zentralkörper befestigt sind und nichtdrehbare äußere Zusatz Tragflächen auch an denselben Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) von außen angebracht werden können.
10 zeigt die schematische offene Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit der Ausführung des Schubmoduls vom Typ-2 und Montage Plattform mit Mitteln zur Lenkung und Regelung wobei die zentrale Montage Plattform als aerodynamische Auftriebsstruktur (Tragflügel) ausgebildet ist und wobei an den Strukturarmen aerodynamische Strukturen (vertikale Kleinflügel) befestigt sind.
11 zeigt die schematische geschlossene Darstellung des erfindungsgemäßen Fluggeräts, dargestellt in 10, im Schweben mit körperfesten Koordinaten System des Zentralkörpers.
12 zeigt die schematische geschlossene Darstellung des erfindungsgemäßen Fluggeräts, dargestellt in 10, im Horizontal Flug mit körperfesten Koordinaten System des Zentralkörpers.
13 zeigt die schematische geschlossene Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit der Ausführung des Schubmoduls vom Typ-3 wobei die zentrale Montage Plattform als aerodynamische Auftriebsstruktur (Tragflügel) ausgebildet ist und wobei an den Strukturarmen aerodynamische Strukturen (vertikale Kleinflügel) vertikal befestigt sind.
14 zeigt schematisch bei aufgeschnitten Zentralkörper eine Variante der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit der Ausführung des Schubmoduls vom Typ-2 und Zusatz-Tragflächen mit Hauptwellen Lagerung und axialen regelbaren Drehmechanismen im Horizontal Flug.
15 zeigt schematisch die geschlossene Ansicht eines erfindungsgemäßen Fluggerätes mit körperfesten Koordinaten System des Zentralkörpers und der in 14 gezeigten Variante der Steuervorrichtung mit Zusatz-Tragflächen im Horizontal Flug.
16 zeigt schematisch die Orientierung des Fluggerätes während der Positionshaltung bei extremem Wind
17 zeigt eine schematische Darstellung des Fluggerätes im Schweben mit steuerbarer Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse des Zentralkörpers.
18 zeigt eine schematische Darstellung in Seitenansicht des Fluggerätes vom Abheben von einem Start/Landegerät zum Schweben und den Übergang zum schnellen Horizontal Flug.
19 zeigt eine schematische Darstellung in Seitenansicht des Fluggerätes vom Übergang vom schnellen Horizontal Flug zum Schweben und vom Schweben zum Landen auf dem Start/Landegerät.
Ausführungsbeispiel und detaillierte Beschreibung der Merkmale
Alle verwendeten Koordinaten Systeme sind rechtshändig und orthogonal. Damit die anschließende Beschreibung der Steuervorrichtung mit ihren Merkmalen und unterschiedlichen Ausformungen übersichtlich bleibt, werden die oftmals vorkommenden Begriffe wie regelbarer Drehmechanismus und regelbarer Schuberzeuger zunächst definiert.
Unter dem Begriff ‚regelbarer axialer Drehmechanismus' wird im Folgenden ein Geräte-System verstanden das ein Energieversorgungsgerät, eine Signal Ein- und Ausgangseinrichtung und einen axialen Drehmechanismus besitzt und einen an seinem Signal-Eingang anliegenden Sollwert gemäß einer bekannten Übertragungskennlinie in eine dem Sollwert entsprechende Winkelstellung der konstruktiv gekoppelten Ausgangs-Drehsachse überträgt, so dass regelungstechnisch dieses Gerät als Stellglied mit dynamischer Übertragungsfunktion und nichtlinearer aber bekannter Charakteristik zwischen Ausgang und Eingang betrachtet werden kann. Durch einen dem Gerät zugeordneten Regler wird der Regelfehler (Istwert-Sollwert) minimiert. Technische Lösungen dieses Gerätes sind bekannt z. B., elektrischer Servo mit und ohne Getriebe mit digitalen oder analogen Eingangssignalen, hydraulische Getriebe, usw.. Für das erfinderische Prinzip der Steuervorrichtung ist allerdings nur die Funktion des Geräte-Systems ‚regelbarer axialer Drehmechanismus' als Stellglied relevant.
Unter dem Begriff ‚regelbarer Schuberzeuger' wird im Folgenden ein Geräte-System verstanden das ein Energieversorgungsgerät, eine Signal Ein- und Ausgangseinrichtung und einen Schuberzeuger besitzt und einen an seinem Signal-Eingang anliegenden Sollwert gemäß einer bekannten Charakteristik in eine dem Sollwert entsprechende Schubstärke (THi) in einer konstruktiv festgelegten Achse, wie aus 3 zu sehen der Z-Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers, umsetzt. Regelungstechnisch kann dieses Gerät als Stellglied mit dynamischer Übertragungsfunktion und nichtlinearer aber bekannter Charakteristik zwischen Ausgang und Eingang betrachtet werden. Durch einen dem Gerät zugeordneten Regler wird der Regelfehler (Istwert-Sollwert) minimiert. Dabei kann die Regelfunktion des Schuberzeugers auch vollständig oder teilweise mittels Bord Computer realisiert, wobei in diesem Fall die Signal Ein- und Ausgangseinrichtung der Schuberzeuger mit dem Bord Computer gekoppelt sind. Das Energieversorgungsgerät des Schuberzeugers kann im Prinzip an der Struktur des Schuberzeugers komplett befestigt sein als auch können Teile dieser Einrichtung in anderen Strukturelementen der Steuervorrichtung untergebracht werden, z. B. Batterien oder Treibstoff Tanks oder elektrische Motorsteller im Zentralkörper oder in den Strukturarmen. Zwei der technischen Lösungen dieses Gerätes sind in 3 schematisch dargestellt und sind Stand der Technik.
– Propeller System

a1, bestehend aus einer Luftschraube (27i, 28i) mit regelbarem Dreh-Antrieb (30i) mit festem Blattanstellwinkel wobei die Schubsteuerung durch die Drehzahlregelung des Antriebsmotors realisiert wird. Die Dreh-Antriebe können entweder regelbare Elektro-Motoren oder regelbare Verbrennungs-Motoren sein.
a2, bestehend aus einer Luftschraube (27i, 28i) mit regelbarem Dreh-Antrieb (30i) mit regelbarem axialem Drehmechanismus (29i) zur Blatt-Anstellwinkelsteuerung wobei die Schubsteuerung mittels schneller Regelung des Blatt-Anstellwinkels realisiert wird und der Energieverbrauch mittels einer langsamen Folgeregelung der Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors minimiert werden kann. Die Dreh-Antriebe können entweder regelbare Elektro-Motoren oder regelbare Verbrennungs-Motoren sein.

– Triebwerks System

bestehend aus einem Verbrennungs-Triebwerkspaar (36i, 37i) mit (38i, 39i) Steuerventilen, wobei die Schubsteuerung mittels Ein/Aus Impuls Sequenzen der Steuerventile mittels bekannter Modulationsverfahren realisiert wird.
Für das erfinderische Prinzip der Steuervorrichtung ist allerdings nur die Funktion des Geräte-Systems ‚regelbarer Schuberzeuger' als Stellglied relevant.

Ist die Minimierung des Energieverbrauches beim Schweben und schnellen Horizontal Flug das dominierende Kriterium für eine bestimmte Ausführungsform des Fluggerätes, dann wird ein Schuberzeuger mit Luftschraube (27i, 28i) mit regelbarem axialem mit Drehmechanismus (29i) zur Blatt-Anstellwinkelsteuerung bevorzugt eingesetzt weil man dadurch den aerodynamischen Randbedingungen entsprechend den Blattwinkel regeln kann z. B. einen relativ kleinen Anstellwinkel, der beim Schweben günstig ist und einen großen Anstellwinkel der beim Schnellflug nötig ist. Neben diesem hat dieser Typus Schuberzeuger noch weitere Vorteile:

a1, die Möglichkeit das Vorzeichen der Schubstärke zu wechseln ohne dass die Drehzahl des Dreh-Motors geändert werden muss
a2, das im Allgemeinen die Verzögerungszeit des Drehmechanismus viel kleiner ist als die Verzögerung der Drehzahlregelung des Antriebsmotors und somit eine höhere Bandbreite der Schubregelung erzielt werden kann

1 zeigt eine Ausformung einer erfindungsgemäßen zentralen Montage-Plattform mit der Festlegung des körperfesten Koordinaten Systems des Zentralkörpers. Die Montage-Plattform besteht aus einer Montage Schale (5a), einem oder keinem Deckel (5b), der Hauptwellenlagerung (13, 14) und mindestens einem regelbaren axialen Hauptwellen-Drehmechanismus (6) befestigt an der Montage Schale (5a) und einer Regelvorrichtung (32a) welche auch Teil des Bord Computers (32) sein kann.
Die Ausführung eines Schub-Moduls vom Typ-0 ist in 2 dargestellt mit den Festlegungen des körperfesten Koordinaten Systems des Schubmoduls, wobei man vorzugsweise den Ursprung (O_SM) des körperfesten Koordinaten Systems des Schubmoduls in die Mitte der Haupt Drehwelle legt, und den körperfesten Koordinaten Systemen der vier Schuberzeuger. Das Schub-Modul vom Typ-1 hat vier regelbare Schuberzeuger (1, 2, 3, 4). Diese sind bei dieser Ausführung, 1, an den Enden der äußeren (außerhalb des Zentralkörpers) Strukturarme (11a, 11b, 12a, 12b) derart befestigt dass die Schubachse des Schuberzeugers nicht co-linear mit der Dreh-Achse (Längsachse) des Strukturarmes werden darf, vorzugsweise zu dieser einen rechten Winkel bildet. In den Strukturarmen können prinzipiell Unterstützungs-Geräte für die Schuberzeuger, wie Regeleinrichtungen, Treibstoff-Tanks, elektrische Energieversorgungsgeräte, Batterien usw.) untergebracht werden. Je zwei der vier Strukturarme sind mit ihren anderen Enden mit einem äußeren regelbaren axialen Drehmechanismus (9a oder 10a) in einer Befestigungseinrichtung (17a oder 18a) mit einem axialen und regelbaren Drehmechanismus (9a oder 10a) gekoppelt und gelagert so dass die axiale Drehung um die Längsachsenrichtungen der Strukturarme gewährleistet ist. Die Richtungen der Längsachsen der Strukturarme sind durch die Anstellwinkel (51, 52, 53, 54) definiert. Die Befestigungseinrichtungen (17a oder 18a) sind wiederum an der Haupt-Drehwelle (15) befestigt. Die Funktion der Haupt-Drehwelle (15) kann aus konstruktiven Vorteilen, wie in 6 gezeigt, in zwei Teilwellen (16a, 16b) unterteilt werden die durch eine Verbindungsstruktur (8) verbunden sind. Somit können die Schubvektoren der Schuberzeuger (1, 2) und (3, 4) unabhängig voneinander gegenüber über der Hauptdrehwelle geschwenkt werden. Die Haupt Drehwelle (15) oder Haupt Teilwellen (16a, 16b) sind mittels Lager (13, 14) aus der Zentralkörper-Struktur geführt und in diesem mit einem regelbaren axialen Haupt-Drehmechanismus (6) verbunden, der wiederum an der Montage Schale fixiert ist. Durch diese zusätzliche axiale Drehmöglichkeit können die Schubvektoren der Schuberzeuger (1, 2) und (3, 4) nun auch gegenüber der Montage Plattform geschwenkt werden. Außerdem können die Hebelarme der Schubvektoren gegenüber dem körperfesten Koordinaten System des Zentralkörpers gedreht werden. Um die dynamischen mechanischen Belastungen der Drehmechanismen zu minimieren und die Effektivität der Schuberzeuger zu optimieren sollte, wie in 4 schematisch dargestellt, der Massen-Schwerpunkt (CoM) des gesamten Fluggerätes vorzugsweise nahe am Ursprung (O_SC) des körperfesten Koordinaten Systems des Zentralkörpers und nahe am Ursprung (O_SM) des körperfesten Koordinaten Systems des Schubmoduls liegen was durch die Konfiguration der Einzelgeräte und Module konstruktiv erreicht werden kann. Im Kontext mit den regelbaren Schubstärken der Schubvektoren existiert nun ein System mit dem die 6 – Freiheitsgrade des Fluggerätes, die Position des Schwerpunktes und die Winkellage des Zentralkörpers, unabhängig voneinander in einem großen Bereich geregelt werden können auch bei Auftreten von Störkräften und Störmomenten.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung besteht aus einer zentralen Montage-Plattform und einem Schub-Modul. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit dem Schubmodul vom Typ-0 und der Ausführung der Montage Plattform nach 1 mit den zugehörigen Koordinaten Systemen und der Definition der relativen Drehung zwischen der Montage Plattform und dem Schubmodul.
Ferner ermöglicht dieses System den Ausfall eines Schuberzeugers (ausgenommen spontane Strukturbrüche) zu beherrschen und eine stabile Positions- und Lage Regelung zu ermöglichen, wobei allerdings der Energieverbrauch gegenüber dem Nominalfall ansteigt.
Aus Sicherheitsaspekten kann ein zweiter steuerbarer axialer Haupt Drehmechanismus (7) verwendet werden, weil dann beim Ausfall des ersteren keine bleibende Funktionsstörung auftritt und die Steuervorrichtung damit ‚Single Point Failure Free' wird, und zusätzlich im Notfall eine Verdopplung des Drehmoment Bereichs um die Haupt Drehwelle erzielt wird.
Wie aus 5 und 6 zu ersehen kann die Montage-Plattform der Steuereinrichtung als aerodynamisches Auftriebsmodul ausgebildet werden (klassisches Flügel-Profil, Gitterflügel, usw.) und wird dann im schnellen Horizontal Flug als vertikaler Kraftkomponentenerzeuger eingesetzt was zu einer Kompensation der Schwerkraft des Fluggerätes führt und somit drastisch den Energieverbrauch der Schuberzeuger reduziert. Dabei wird die Ausformung dieser Struktur bezüglich der spezifischen Aufgabe und Mission des Fluggerätes gemäß angepasst.
Die an den äußeren Strukturarmen (11a, 11b, 12a, 12b) befestigten aerodynamische Strukturen (24, 25, 25, 26) (vertikale Kleinflügel), siehe 5 und 6, verbessern im schnellen Horizontal Flug den Energieverbrauch weil sie bei entsprechender Steuerung der Winkellage die zur Positionsregelung benötigten Querkräfte erzeugen und damit die Schuberzeuger zusätzlich entlasten.
6 zeigt die schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Variante der Ausführung der integrierten Steuervorrichtung mit einem Schub Modul vom Typ-1, dargestellt in 4, wobei die zentrale Montage Plattform hier als aerodynamische Auftriebsstruktur ausgebildet ist und wobei an den äußeren Strukturarmen (11a, 11b, 12a, 12b) aerodynamische Strukturen (24, 25, 25, 26) vertikal befestigt sind.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung eines Schubmoduls vom Typ-1, dabei werden in jeder der zwei Befestigungseinrichtungen (17a, 18a), je zwei Strukturarme (11a, 11b oder 12a, 12b) mit je zwei axialen und regelbaren Drehmechanismus (9a, 9b, oder 10a, 10b) derart gekoppelt und gelagert so das jeder Strukturarm unabhängig von den anderen drehbar wird. Die Längsachsenrichtungen der Strukturarme sind durch Anstellwinkel (51, 52, 53, 54) definiert und werden in den Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) eingestellt und fixiert. Dabei ist wiederum je eine dieser Befestigungseinrichtungen an einem äußeren Ende der aus dem Zentralkörper geführten Haupt-Drehwelle fixiert. Damit kann jeder Schuberzeuger (1, 2, 3, 4) unabhängig von den anderen Schuberzeugern gegenüber der Haupt-Drehwellen Achse geschwenkt werden. Dadurch kann man das Drehmoment um die Hauptschubrichtung der Vorrichtung beim Schweben als auch beim Horizontal Flug näherungsweise ohne Änderung der Schubstärken der Schuberzeuger erreichen.
Eine erfindungsgemäße Ausformung eines Schubmoduls vom Typ-2 ist in 8 dargestellt. Dabei sind die steuerbaren axialen äußeren Drehmechanismen (9a, 9b, 10a, 10b) an den Enden der äußeren Strukturarme (11a, 11b, 12a, 12b) über vier Befestigungseinrichtungen (17b, 17c, 18b, 18c) mit den regelbaren Schuberzeugern (1, 2, 3, 4) zusammen geführt. Je eine Befestigungseinrichtung (17b, 17c, 18b, 18c) koppelt und lagert je einen der vier steuerbaren Schuberzeuger (1, 2, 3, 4) mit je einem der axialen regelbaren Drehmechanismen (9c, 9d, 10c, 10d) mit je einem äußeren Strukturarm (11a, 11b, 12a, 12b) derart dass der Schubvektor jedes regelbaren Schuberzeugers unabhängig von den anderen geschwenkt werden kann und die Richtung der Drehachsen der äußeren Drehmechanismen gegenüber den Strukturarmen, welche durch die festen Winkel (55, 56, 57, 58) definiert sind, eingehalten werden. Je zwei der äußeren Strukturarme sind dabei über Befestigungen (17a, 18a) an den Enden der gelagerten Haupt Dreh-Wellen (15 oder 16a, 16b) außerhalb des Zentralkörpers so befestigt dass die geforderten Längsachsenrichtungen der Strukturarme gegenüber der Haupt Drehwelle, welche durch Anstellwinkel (51, 52, 53, 54) definiert sind, eingehalten werden.
Das erfindungsgemäße Fluggerät erhält man aus der Integration von Schub-Modul und dem Zentralkörper. Der Zentralkörper wiederum erhält man durch Bestückung der zentralen Montage-Plattform mit Mitteln, ‚zusätzliche System-Module und Untersysteme', zur unabhängigen dynamischen Stabilisierung. Lenkung und Regelung der Lage des Fluggerätes und der Schwerpunkts Position. Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Fluggerätes bestehend aus einem Schub Modul vom Typ-1, einer zentralen Montage Plattform welche als aerodynamische Auftriebsstruktur ausgebildet ist und wobei an den äußeren Strukturarmen (11a, 11b, 12a, 12b) aerodynamische Strukturen (24, 25, 25, 26) vertikal befestigt sind und ‚zusätzliche System-Module und Untersysteme' die am oder in der Montage Plattform befestigt sind. Abbildungen dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Fluggerätes sind in 10, 11 für das Schweben und in 12 für den Horizontal Flug zu sehen.
Dabei handelt es sich um folgende ‚zusätzliche System-Module und Untersysteme': einem an sich bekannten Positions- und Lage Mess-System (35) das je nach Mission des Fluggerätes unter anderem aus folgenden Geräte Typen selektiert werden kann: einer IMU (Inertial Measurement Unit) mit einem dreiachsigen zur Lagebestimmung verwendbaren Kreiselpaket und einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser, einem dreiachsigen Magnetfeld Messgerät, einem GPS Messgerät für absolute Position und Geschwindigkeit, einem Fahrt und Höhenmesser und relativ Messgeräte für Lage und Distanz (Mini-Radar, LIDAR, LRF). einem zentralen oder auch dezentralen Bord Computer System (32) das neben den an sich bekannten Funktionen wie Elektronische Interfaces zur Datenübertragung von und zu Positions- und Lage Messungs-System als auch zu den anderen Fluggeräte Modulen und Messeinrichtungen (Temperatur-, Strom- und Spannungs-Messung, usw.), Ermittelung des Zustandsvektors des Gesamtsystems, Schubregelung von Propellern und Triebwerken, Datenverarbeitung und Übertragung von Telemetrie-Daten, Umsetzung von Bodenstations-Kommandos speichern wichtiger Informationen des Gesamt-Systemzustandes in einem Datenspeicher, Autonome Flugführung und Flugplanung und Speicherung und Ausführung der Anwender- und Betreibsystem Software, auch die gemäß der Erfindung neuartigen Funktionen ausführt wie Elektronisches Interface zur neuartigen Steuervorrichtung, Ermittelung der dynamischen Drehmoment- und Kraft Sollwert Vektoren die zur Stabilisierung und Regelung der Lage des Zentralkörpers und der Schwerpunkts-Position des Fluggerätes benötigt entsprechend der Ausführungsform der Steuervorrichtung, Transformation der obigen Kräfte- und Momenten Vektoren in äquivalente Sollwerte entsprechend vorhandenen Stellgliedern, als dynamische Winkel Sollwerte für die regelbaren axialen Drehmechanismen und Schubstärken Sollwerte für die regelbaren Schuberzeuger, elektronisches Interface zur Übergabe der Sollwerten die Eingänge der Drehmechanismen und Schuberzeuger, Überwachung der Ausführung der Sollwerte und Ermittelung von Fehler Zuständen der Steuereinrichtung und des Fluggerätes und Einleitung von Korrekturmaßnahmen falls notwendig einem Nutzlast Modul (33) gemäß der ausgewählten Aufgabe des Fluggerätes. einem zentralen oder dezentralen Energieversorgungs-Modul (34) mit bekannten Geräten wie, Batterien, mit oder ohne Hybriden Strom oder Spannungserzeugern, mit oder ohne Treibstoff Tank und einer Energie Verteilungseinrichtung und Versorgungsleitungen. Die Montage Plattform mit den integrierten ‚zusätzlichen System-Modulen und Untersystemen' wird als Zentralkörper bezeichnet.
Die Montage Plattform mit den ‚zusätzlichen System-Modulen und Untersystemen' stellt den ‚Zentralkörper' des Fluggerätes dar.
Eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Fluggerätes ist in 13 zu sehen wobei gegenüber der in den 10, 11, 12 dargestellten Version ein Schub Modul vom Typ-2 anstatt vom Typ-1 verwendet wird.
Die 14 und 15 zeigen schematisch die Möglichkeit einer Vergrößerung der Auftriebsflächen des Fluggerätes durch eine Verlängerung der Hauptwellen über die Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) nach außen. An den verlängerten Hauptwellen (15, 16) sind spezielle äußere Tragflächen (59, 60) angebracht, die im Inneren je eine Lagereinrichtung (63, 64) zur Hauptwelle und einen regelbaren axialen Drehmechanismus 61, 62), welcher mit der Haupt Drehwelle verbunden ist, haben. Die äußeren Tragflächen können somit gegenüber der Hauptwelle gedreht werden und die Drehung der Haupt Drehwelle kompensieren und somit kontinuierlich die gleiche Lage wie der aerodynamische Zentralkörper einnehmen können. Dies eröffnet die Möglichkeit auch im langsamen Beobachtungsflug zusätzlich den Energieverbrauch zu senken.
In 9 ist eine Variante der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit der der Zentralkörper nur in vertikaler Richtung Abheben und Landen kann und für den sehr schnellen Horizontal Flug geeignet ist bei der die Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) direkt am Zentralkörper befestigt sind und nichtdrehbare äußere Zusatz Tragflächen auch an denselben Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) von außen angebracht werden können.
Der Zentralkörper kann im Schweben jede beliebige Soll-Lage gegenüber einem Erdfesten Koordinaten System einnehmen wobei die Störkräfte und Störmomente durch entsprechende Orientierung der Dreharme, der Haupt Drehwelle relativ zur Soll-Lage des Zentralkörpers als auch durch entsprechende Schubstärken der Schuberzeuger kompensiert werden umso z. B. die Sichtfläche vom Boden zu verkleinern, oder, eine optimale Beobachtungslage einzunehmen. Eine andere Möglichkeit besteht darin den Zentralkörper beim Schweben um die Z-Achse des Erdfesten Koordinaten Systems mit einer wählbaren Drehgeschwindigkeit rotieren zu lassen um den Horizont abzuscannen, siehe auch die schematische Darstellung in 17.
Wie in 16 schematisch dargestellt stellt sich bei extremen Windbedingungen das Fluggerät bei der Positionshaltung quasi wie beim schnellen Horizontal Flug gegen den Wind allerdings mit Relativ- Geschwindigkeit Null bezüglich zur Soll-Position gegenüber dem Boden. Somit kann auch bei hohen Windgeschwindigkeiten die Position gehalten werden.
In den 18 und 19 ist schematisch das Abheben von einem Start/Landegerät und Schweben, der Übergang zum schnellen Horizontal Flug und zurück zum Schweben, und das Landen auf einem Start/Landegerät einer möglichen Ausführung des Fluggerätes dargestellt.

Y_SC: Achse des Zentral-Körperfesten Koordinatensystems
X_SC: Achse des Zentral-Körperfesten Koordinatensystems
Z_SC: Achse des Zentral-Körperfesten Koordinatensystems
O_SC: Ursprung des Zentral-Körperfesten Koordinatensystems
X_SM: Achse des körperfesten Schubmodul Koordinatensystems
Y_SM: Achse des körperfesten Schubmodul Koordinatensystems
Z_SM: Achse des körperfesten Schubmodul Koordinatensystems
O_SM: Ursprung des körperfesten Schubmodul Koordinatensystems
X_S1: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
Y_S1: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
Z_S1: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
O_S1: Ursprung des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
X_S2: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
Y_S2: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
Z_S2: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
O_S2: Ursprung des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
X_S3: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
Y_S3: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
Z_S3: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
O_S3: Ursprung des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
X_S4: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
Y_S4: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
Z_S4: Achse des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
O_S4: Ursprung des körperfesten Koordinatensystems des Schuberzeugers
1: geregelter Schuberzeuger
2: geregelter Schuberzeuger
3: geregelter Schuberzeuger
4: geregelter Schuberzeuger
5: Zentral Körper
5a: Montage Schale des Zentralkörpers
5b: Deckel Schale des Zentral Körpers
6: Regelbarer Drehmechanismus der Haupt Drehwelle
7: Redundanter innerer regelbarer Drehmechanismus der Haupt Drehwelle
8: Haupt Dreh-Wellen Verbindungsstruktur
9a: Regelbarer axialer Drehmechanismus des äußeren Dreharmes
9b: Regelbarer axialer Drehmechanismus des äußeren Dreharmes
10a: Regelbarer axialer Drehmechanismus des äußeren Dreharmes
10b: Regelbarer axialer Drehmechanismus des äußeren Dreharmes
11a: Äußerer Strukturarm
11b: Äußerer Strukturarm
12a: Äußerer Strukturarm
12b: Äußerer Strukturarm
13: Haupt Wellenlager
14: Haupt Wellenlager
15: Haupt Dreh-Welle
16a: Haupt Dreh-Welle_1
16b: Haupt Dreh-Welle_2
17a: Befestigungseinrichtung an der Haupt Drehwelle 15 oder 16a
17b: Befestigungseinrichtung am Ende des äußeren Strukturarmes 11a
17c: Befestigungseinrichtung am Ende des äußeren Strukturarmes 11b
18a: Befestigungseinrichtung an der Haupt Drehwelle 15 oder 16b
18b: Befestigungseinrichtung am Ende des äußeren Strukturarmes 12a
18c: Befestigungseinrichtung am Ende des äußeren Strukturarmes 12b
19: Y_SC =: Wellen Drehachse
20: X_SC =: Nominale Fugrichtung
21: Z_SC =: Nominale Erdrichtung
22: O_SC =: Nominales Massenzentrum der gesamten Fluggerätes
23: Vertikaler Klein-Flügel befestigt am äußeren Strukturarm 11a
24: Vertikaler Klein-Flügel befestigt am äußeren Strukturarm 12a
25: Vertikaler Klein-Flügel befestigt am äußeren Strukturarm 11b
26: Vertikaler Klein-Flügel befestigt am äußeren Strukturarm 12b
27i: Luftschraubenblatt des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
28i: Luftschraubenblatt des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
29i: Regelbarer Drehmechanismus zur Luftschraubenblatt-Verstellung des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
Delta_i: Variabler Drehwinkel des Regelbarer Drehmechanismus 29i (i von 1 bis 4)
30i: Luftschrauben Elektro-Motor des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
31i: Luftschrauben Verbrennungs-Motor des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
32: Bord Computer mit integrierter Regelvorrichtung
32a: Regelvorrichtung
33: Nutzlast Modul
34: Energieversorgungs-Modul
35: Mess-System
36i: Triebwerk Düse i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
37i: Triebwerk Düse i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
38i: Steuerbares Triebwerks-Ventil des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
39i: Steuerbares Triebwerks-Ventil des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
40: Sollwerteingang für regelbaren äußeren Drehmechanismus 10a
Alpha2: Variabler relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 10a
41: Sollwerteingang für regelbaren äußeren Drehmechanismus 9a
Alpha1: Variabler relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 9a
42: Sollwerteingang für regelbaren äußeren Drehmechanismus 10b
Alpha4: Variabler relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 10b
43: Sollwerteingang für regelbaren äußeren Drehmechanismus 9b
Alpha3: Variabler axialer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 9b
44i: Sollwert für regelbaren Drehmechanismus 29i (i von 1 bis 4)
45a: Sollwerteingang für regelbaren Drehmechanismus 6 der Haupt Drehwelle
Beta_1: Variabler Sollwert Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismen 6
45b: Sollwerteingang für des redundanten regelbaren Drehmechanismus 7 der Haupt Drehwelle
Beta_2: Variabler Sollwert Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismen 7
46: Sollwerteingang des regelbaren Schuberzeugers 2
TH2: Variabler Schubsollwert des Schuberzeugers 2
47: Sollwerteingang des regelbaren Schuberzeugers 1
TH1: Variabler Schubsollwert des Schuberzeugers 1
48: Sollwerteingang des regelbaren Schuberzeugers 4
TH4: Variabler Schubsollwert des Schuberzeugers 4
49: Sollwerteingang des regelbaren Schuberzeugers 3
TH3: Variabler Schubsollwert des Schuberzeugers 3
50a_i: Zeitlich modulierte Ein/Aus Signale für Triebwerks-Ventile 39i (i von 1 bis 4)
50b_i: Zeitlich modulierte Ein/Aus Signale für Triebwerks-Ventile 38i (i von 1 bis 4)
51: Fester Anstellwinkel der Längsachse des Strukturarms 11a gegenüber der Haupt Drehwellen Achse
52: Fester Anstellwinkel der Längsachse des Strukturarms 12a gegenüber der Haupt Drehwellen Achse
53: Fester Anstellwinkel der Längsachse des Strukturarms 11b gegenüber der Haupt Drehwellen Achse
54: Fester Anstellwinkel der Längsachse des Strukturarms 12b gegenüber der Haupt Drehwellen Achse
55: Fester Anstellwinkel der Längsachse des Strukturarms 11a gegenüber der Drehachse des regelbaren äußeren Drehmechanismus 9a
56: Fester Anstellwinkel der Längsachse des Strukturarms 12a gegenüber der Drehachse des regelbaren äußeren Drehmechanismus 10a
57: Fester Anstellwinkel der Längsachse des Strukturarms 11b gegenüber der Drehachse des regelbaren äußeren Drehmechanismus 9b
58: Fester Anstellwinkel der Längsachse des Strukturarms 12b gegenüber der Drehachse des regelbaren äußeren Drehmechanismus 9a
59: Zusatz-Tragflügel_1
60: Zusatz-Tragflügel-2
61: Axialer regelbarer Drehmechanismus des Zusatz-Tragflügel_1
Gama1: Variabler relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 61
62: Axialer regelbarer Drehmechanismus des Zusatz-Tragflügel_2
Gama2: Variabler relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 62
63: Haupt Drehwellen Lager des Zusatz-Tragflügel_1
64: Haupt Drehwellen Lager des Zusatz-Tragflügel_2

Claims

Robustes und agiles Fluggerät mit Zentralkörper und Schub Modul und Mitteln zur unabhängigen dynamischen Regelung der Lage des Zentralkörpers und der Schwerpunkts-Position und zur autonomen Lenkung, dadurch gekennzeichnet, dass das Schub Modul gemäß Hauptanspruch 4 und dessen Unteransprüchen und der Zentralkörper aus folgenden Elementen besteht: einer Montage Plattform der Steuervorrichtung gemäß Hauptanspruch 3 und dessen Unteransprüchen. einem an sich bekannten Positions- und Lage Mess-System (35) das je nach Mission des Fluggerätes unter anderem aus folgenden Geräte Typen selektiert werden kann: einer IMU (Inertial Measurement Unit) mit einem dreiachsigen zur Lagebestimmung verwendbaren Kreiselpaket und einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser, einem dreiachsigen Magnetfeld Messgerät, einem GPS Messgerät für absolute Position und Geschwindigkeit, einem Fahrt und Höhenmesser und relativ Messgeräte für Lage und Distanz (Mini-Radar, LIDAR, LRF). einem zentralen oder auch dezentralen Bord Computer System (32) das neben den an sich bekannten Funktionen wie Elektronische Interfaces zur Datenübertragung von und zum Positions- und Lage Messungs-System als auch zu den anderen Fluggeräte Modulen und Messeinrichtungen (Temperatur-, Strom- und Spannungs-Messung, usw.), Ermittelung des Zustandsvektors des Gesamtsystems, Schubregelung von Propellern und Triebwerken, Datenverarbeitung und Übertragung von Telemetrie-Daten, Umsetzung von Bodenstations-Kommandos speichern wichtiger Informationen des Gesamt-Systemzustandes in einem Datenspeicher, Autonome Flugführung und Flugplanung und Speicherung und Ausführung der Anwender- und Betreibsystem Software, auch die gemäß der Erfindung neuartigen Funktionen ausführt wie Elektronisches Interface zur neuartigen Steuervorrichtung, Ermittelung der dynamischen Drehmoment- und Kraft Sollwert Vektoren die zur Stabilisierung und Regelung der Lage des Zentralkörpers und der Schwerpunkts-Position des Fluggerätes benötigt entsprechend der Ausführungsform der Steuervorrichtung nach Hauptanspruch 2, Transformation der obigen Kräfte und Momenten Vektoren in äquivalente Sollwerte für die der Ausführungsform der Steuervorrichtung nach Hauptanspruch 2 entsprechend vorhandenen Stellgliedern, als dynamische Winkel Sollwerte für die regelbaren axialen Drehmechanismen und Schubstärken Sollwerte für die regelbaren Schuberzeuger, elektronisches Interface zur Übergabe der Sollwerte an die Eingänge der Drehmechanismen und Schuberzeuger, Überwachung der Ausführung der Sollwerte und Ermittelung von Fehler Zuständen der Steuereinrichtung und des Fluggerätes und Einleitung von Korrekturmaßnahmen falls notwendig. einem Nutzlast Modul (33) entsprechend der gewählten Aufgabe und Ausführung des Fluggerätes, z. B. Kameras, IR-Sensoren, Wirksysteme usw.. einem Zentralen oder Dezentralen Energieversorgungs-Modul (34) mit bekannten Geräten wie, Batterien, mit oder ohne Hybride Strom- oder Spannungserzeugung, mit oder ohne Treibstoff Tanks mit Pumpen und einer Energie Verteilungseinrichtung und mit Versorgungs-Leitungen;
Steuervorrichtung mit einer Zentralen Montage Plattform und einem Schub Modul zur unabhängigen dynamischen und robusten Regelung der Lage des Schubmoduls und der Schwerpunkts-Position eines Fluggerät, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung aus einer Zentralen Montage Plattform nach Hauptanspruch 3 und seinen Unteransprüchen und aus einem Schub Modul nach Hauptanspruch 4 und seinen Unteransprüchen besteht.
Zentrale Montage Plattform des erfindungsgemäßen Fluggerätes nach Hauptanspruch 1 und der Steuervorrichtung nach Hauptanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Montage Plattform aus einer Montage Schafe (5a), einem oder keinem Deckel (5b), den Hauptwellenlagerungen (13, 14) und mindestens einem regelbaren axialen Hauptwellen-Drehmechanismus (6) befestigt an der Montage Schale (5a) besteht.
Zentrale Montage Plattform nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Montage Schale (5a) mit Deckel (5b) als aerodynamische Auftriebs-Struktur wie z. B. Trag-Flügel, Delta-Flügel, Gitter-Flügel usw., ausgebildet ist und als zusätzliches vertikales Kraftstellglied verwendet wird.
Zentrale Montage Plattform nach Anspruch 3 oder Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, das die Montage Plattform einen zusätzlichen regelbaren axialen Hauptwellen-Drehmechanismus (7) befestigt an der Montage Schale (5a) besitzt.
Schub Modul des erfindungsgemäßen Fluggerätes nach Hauptanspruch 1 und nach und der Steuervorrichtung nach Hauptanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schub Modul aus folgenden Elementen besteht: aus vier regelbaren Schuberzeugern (1, 2, 3, 4) den Basis-Kraftstellgliedern, welche am Ende eines zugeordneten Strukturarms (11a, 11b, 12a, 12b) befestigt sind, wobei die Schubachse des regelbaren Schuberzeugers nicht co-linear mit der Längs-Achse (Drehachse) des Strukturarms sein darf, vorzugsweise senkrecht zu dieser orientiert sein sollte. aus vier Strukturarmen (11a, 11b, 12a, 12b) an denen auch jeweils eine aerodynamische Struktur (23, 24, 25, 26), z. B. ein vertikaler Flügel, befestigt werden kann und welcher dann als zusätzliches Querkraft-Stellglied verwendet wird. vier weiteren Stellgliedern, den äußeren axialen und regelbaren Drehmechanismen (9a, 9b, 10a, 10b). zwei Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) die je, zwei Strukturarme mit zwei axialen und regelbaren Drehmechanismen koppelt und lagert und die axiale Drehung um die Längsachsenrichtungen der Strukturarme gewährleistet, wobei Längsachsenrichtungen der Strukturarme gegenüber der Haupt Drehwellenachse (15) durch die festen Anstellwinkel (51, 52, 53, 54) definiert sind. Dabei ist je eine dieser Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) an einem äußeren Ende der aus der Montage Plattform geführten Haupt-Drehwelle (15 oder (16a, 16b) fixiert. einer Haupt-Drehwelle (15), die aus konstruktiven Gründen aus zwei Teil-Wellen mit einer Verbindungs-Struktur bestehen kann (8, 16a, 16b), und die über Lager (13, 14) aus der Montage Plattform ausgeführt ist (sind), und somit die relative Drehung der Hauptwelle gegenüber der Montage Plattform ermöglichen. einem regelbaren axialen Drehmechanismus (6) der an der Montage Schale (5a) befestigt ist und mit der Haupt Welle gekoppelt ist und die relative Drehung der Hauptwelle gegenüber der Montage Plattform bewirkt. einer Regeleinrichtung welche die zur Stabilisierung, Lenkung und Regelung von Lage und Position des Fluggerätes notwendigen dynamischen Sollwerte der Stellglieder (Alpha1, Alpha2, Alpha3, Alpha4, Beta1, TH1, TH2, TH3, TH4) ermittelt und an die Eingänge (40, 41, 42, 43, 44) der regelbaren Drehmechanismen (6, 9a, 9b, 10a, 10b) und die Eingänge (45, 46, 47, 48) der regelbaren Schuberzeuger (1, 2, 3, 4) übermittelt.
Schub Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die regelbaren Schuberzeuger (1, 2, 3, 4) eine Luftschraube mit regelbarem Dreh-Motor (301, 302, 303, 304) als Antrieb und mit einem regelbaren axialen Drehmechanismus (291, 292, 293, 294) zur Blatt-Anstellwinkelsteuerung ausgerüstet sind wobei die Regelfunktion der Schuberzeuger (1, 2, 3, 4) die Sollwerte (TH1, TH2, TH3, TH4) in reale Schübe umsetzt und unter dem Gesichtspunkt der Energieminimierung die Sollwerte (Delta1, Delta2, Delta3, Delta4) der Drehmechanismen (291, 292, 293, 294) ermittelt und an die Eingänge der Drehmechanismen (441, 442, 443, 444) überträgt.
Schub Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt vier Schuberzeuger, vier Strukturarme an denen je eine aerodynamischen Struktur befestigt sein kann und vier äußere regelbare Drehmechanismen hier nur jeweils drei dieser Elemente im Zusammenhang verwendet oder benutzt werden mit vier möglichen Realisierungen, Schuberzeuger (1, 2, 3) und drei Strukturarme (11a, 11b, 12a) und drei aerodynamische Strukturen (23, 24, 25) und drei Drehmechanismen (9a, 9b, 10a), Schuberzeuger (1, 2, 4) und drei Strukturarme (11a, 11b, 12b) und drei aerodynamische Strukturen (23, 24, 26) und drei Drehmechanismen (9a, 9b, 10b), Schuberzeuger (1, 3, 4) und drei Strukturarme (11a, 12a, 12b) und drei aerodynamische Strukturen (23, 25, 26) und drei Drehmechanismen (9a, 10a, 10b), Schuberzeuger (2, 3, 4) und drei Strukturarme (11b, 12a, 12b) und drei aerodynamische Strukturen (24, 25, 26) und drei Drehmechanismen (9b, 10a, 10b),
Schub Modul nach Anspruch 6 oder Anspruch 6 und Anspruch 7 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 8 oder nach Anspruch 6 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den zwei Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) je zwei Strukturarme mit einem, anstatt zwei, axialen und steuerbaren Drehmechanismus (9a, 10a) gekoppelt und gelagert sind.
Schub Modul nach Anspruch 6 oder Anspruch 6 und Anspruch 7 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 8 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der gelagerten Haupt Dreh-Wellen (15) oder (16a, 16b) außerhalb der Montage Plattform je zwei der vier Strukturarme (11a, 11b und 12a, 12b) durch Befestigungen (17a, 18a) derart fixiert sind dass die durch die festen Anstellwinkel (51, 52, 53, 54) definierten Längsachsenrichtungen der Strukturarme gewährleistet werden. An den anderen Enden der Strukturarme (11a, 11b und 12a, 12b) ist je eine Befestigungseinrichtung (17b, 17c, 18b, 18c) angebracht die je einen der vier steuerbaren Schuberzeuger (1, 2, 3, 4) mit je einem der axialen und regelbaren Drehmechanismus (9a, 9b, 10a, 10b) derart koppelt und lagert dass die Schubachse jedes regelbaren Schuberzeugers unabhängig von den anderen gedreht werden kann und die Richtung der Drehachsen der äußeren Drehmechanismen gegenüber den Strukturarmen, definiert durch die festen Winkel (55, 56, 57, 58), gewährleistet wird.
Schub Modul nach Anspruch 6 oder Anspruch 6 und Anspruch 7 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 8 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 7 und Anspruch 8 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 7 und Anspruch 8 und Anspruch 9 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 7 und Anspruch 8 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Haupt Drehwelle (15, oder 16a, 16b) über die Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) hinaus verlängert sind an denen zusätzliche, mittels Lager (63, 64) und axialer regelbarer Drehmechanismen (61, 62), drehbare aerodynamische Auftriebsstrukturen (59, 60), z. B. Zusatz Tragflügel, befestigt sind.
Schub Modul Schub Modul nach Anspruch 6 oder Anspruch 6 und Anspruch 7 oder nach Anspruch 6 und Anspruch 8 oder nach Anspruch 6 und 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Befestigungseinrichtungen (17a, 18a), direkt an der Montage Plattform befestigt sind und das aerodynamische Auftriebsstrukturen (59, 60), z. B. Zusatz Tragflügel, zusätzlich an Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) befestigt werden können.