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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen Fahrbetrieb eines Flugzeugs, wobei das Antriebssystem einen Kolbenmotor, einen elektrischen Generator, einen elektrischen Antriebsmotor und ein Fahrwerk mit wenigstens einem von dem elektrischen Antriebsmotor antreibbaren Rad umfasst.
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Fahren Flugzeuge auf dem Boden, beispielsweise zwischen einer Lande- oder Startbahn und einem Terminal oder Hangar, können die Triebwerke den notwendigen Vorschub liefern. Diese (selbstgetriebene) Fortbewegungsart – auch Taxiing genannt – erfordert allerdings Geschwindigkeitsbegrenzungen und Mindestabstände zu Gebäuden, Personen und anderen Fahr- und Flugzeugen, um Schäden aufgrund der von den Triebwerken erzeugten Luftströmung zu verhindern. Daneben ist bekannt, Flugzeuge mit speziellen, separaten Zugfahrzeugen, unter zusätzlichem Zeit- und Personalaufwand, zu manövrieren.
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Flugzeugtriebwerke sind im Wesentlichen für den Flugbetrieb ausgelegt und besitzen einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad beim Fahrbetrieb, verbrauchen also relativ viel Treibstoff für auf dem Boden gefahrene Strecken. Im Übrigen ist die für den Fahrbetrieb nach der Landung benötigte Treibstoffmenge über den gesamten Flug mitzuführen, sodass für deren Transport zusätzlicher Treibstoffverbrauch anfällt, der um so größer ist, je größer der Treibstoffbedarf für den Fahrbetrieb ist.
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Die Druckschrift
WO 95/29094 beschreibt ein elektrisches Antriebssystem für Flugzeuge, bei dem ein Rad des Flugzeugs von einem elektrischen Antriebsmotor angetrieben wird, um mit dem Flugzeug auf dem Boden zu fahren.
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Gemäß der Druckschrift
US 2009/0088063 A1 wird ein Flugzeug-Hilfsaggregat (APU) mit einem Kolbenmotor betrieben.
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Wie zuvor genannt, umfasst das erfindungsgemäße Antriebssystem für den Fahrbetrieb des Flugzeugs den Kolbenmotor, den elektrischen Generator, wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor und das Fahrwerk mit wenigstens einem von dem elektrischen Antriebsmotor antreibbaren Rad. Hierbei ist das Antriebssystem dazu ausgelegt, elektrische Leistung für den Antriebsmotor zur Bodenfortbewegung des Flugzeugs durch den Kolbenmotor mit dem Generator zu erzeugen. Der Vorschub beim Fahren wird also elektrisch durch den Antriebsmotor mittels des Rads erzielt. Gegenüber dem Stand der Technik treibt bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem nicht eine Gasturbine (beispielsweise als Bestandteil der APU oder eines Strahltriebwerks), sondern der Kolbenmotor den Generator an, um die elektrische Antriebsleistung zum Fahren zu erzeugen. Im Vergleich zu Turbinen besitzen Kolbenmotoren einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad beim Antreiben von elektrischen Generatoren und erlauben, die abgegebene Leistung reaktionsschnell zu variieren. Insgesamt ist hiermit zwar ein gewisser Aufwand verbunden, da beispielsweise nicht eine ohnehin als Triebwerk oder APU vorhandene Turbine zur Stromerzeugung genutzt wird. Auch ist das Gewicht-zu-Leistung Verhältnis des Kolbenmotors ungünstiger als das einer Gasturbine. Auch der elektrische Fahrantrieb bedarf einer Zusatzausrüstung, und erhöht damit das Leergewicht des Flugzeugs. Andererseits lassen sich aber insgesamt durch das Zusammenwirken des elektrischen Fahrantriebs und des Kolbenmotors Vorteile hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrads erzielen. So kann durch die Vermeidung jedweden Turbinenantriebs beim Taxiing angesichts des besseren Wirkungsgrads des Kolbenmotors (besonders auch bei wechselndem Leistungsbedarf des Antriebssystems) und der Vermeidung der Verwendung der Hauptturbinen beim Taxiing die mitzuführende Kraftstoffmenge so weit verringert werden, dass in Summe eine Fluggewichtsersparnis erzielt wird. Zusätzlich wird der absolute Kraftstoffbedarf gesenkt. Auch kann der Kolbenmotor schneller auf Lastwechsel des Antriebsmotors reagieren, sowie schneller ein- und ausgeschaltet werden. Schließlich verringern sich auch Lärm- und Abgasemissionen.
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Im Übrigen ist es auch beim erfindungsgemäßen Antriebssystem nicht ausgeschlossen, dass das Flugzeug beim Fahren (zeitweise) nicht durch den elektrischen Antriebsmotor angetrieben wird, sondern (herkömmlich) durch die Triebwerke; beispielsweise während des Beschleunigens zum Abheben. Hierbei kann der Kolbenmotor entweder ausgeschaltet sein oder auch betrieben werden, um andere Verbraucher (beispielsweise eine Klimaanlage) mit elektrischer Leistung zu versorgen.
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Bei manchen Ausgestaltungen ist der Kolbenmotor des Antriebssystems (gleichzeitig) als Bestandteil der APU des Flugzeugs vorgesehen, sodass die APU des Flugzeugs also den Kolbenmotor und den Generator des Antriebssystems umfasst. In diesen Fällen ist die APU also nicht durch einen Turbinenmotor angetrieben. Außerdem kann dabei das Antriebssystem (ausschließlich) mit elektrischer Leistung aus der APU versorgt werden, sodass im Flugzeug nicht zwei separate Aggregate (APU und Kolbenmotor mit Generator für das Antriebssystem) installiert sind.
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Bei manchen Ausgestaltungen erzielt ein Dieselmotor als Kolbenmotor gegenüber anderen Ausgestaltungen mit Ottomotor einen höheren Wirkungsgrad bezüglich des Kraftstoffverbrauchs, wobei der Ottomotor eine geringere Gesamtmasse des Antriebssystems erlaubt. Alternative Ausgestaltungen erzielen einen vibrationsarmen Betrieb mittels eines Drehkolbenmotors, etwa einem Wankelmotor.
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Das Antriebssystem umfasst bei manchen Ausgestaltungen einen elektrischen Energiespeicher, der dazu ausgelegt ist, den Antriebsmotor zumindest teilweise mit elektrischer Leistung zu versorgen. Der Energiespeicher kann mit wenigstens einer elektrochemischen Batterie und/oder mit wenigstens einem Kondensator, beispielsweise mit sog. Super-Caps, ausgebildet sein.
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Bei manchen Ausgestaltungen ist der Energiespeicher als elektrischer Puffer vorgesehen. So lassen sich kurzzeitige Schwankungen der Leistungsaufnahme des Antriebsmotors ausgleichen, die beispielsweise kürzer als eine Lastwechsel-Reaktionszeit des Kolbenmotors sind.
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Außerdem können der Kolbenmotor und Generator für eine geringere elektrische Leistung als eine Maximalleistung des Antriebsmotors ausgelegt sein, beispielsweise für eine mittlere Antriebsleistung. In diesem Fall werden (auch länger anhaltende) erhöhte Leistungsaufnahmen, beispielsweise beim Beschleunigen, durch dem Energiespeicher ausgeglichen. Dementsprechend kann der Energiespeicher bei geringerem Leistungsbedarf des Antriebsmotors, beispielsweise beim Ausrollen, Bremsen oder Halten des Flugzeugs, durch den Generator (nach-)geladen werden. Im Übrigen lässt sich bei manchen Ausgestaltungen der elektrische Energiespeicher mit der APU aufladen.
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Bei einigen der Ausgestaltungen wird der Antriebsmotor ausschließlich mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher versorgt. Hierbei kann der Kolbenmotor während des Fahrbetriebs ausgeschaltet sein, um Lärm- oder Abgasemissionen zu verhindern. Dementsprechend kann das Antriebssystem für einen Fahrbetrieb in geschlossenen Räumen, beispielsweise innerhalb eines Hangars, ausgebildet sein.
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Bei manchen Ausgestaltungen wird der Energiespeicher während des Flugs geladen. Dabei sind unterschiedliche Varianten denkbar. So können der Kolbenmotor mit dem Generator den Energiespeicher laden. Daneben ist denkbar, dass der Energiespeicher mit elektrischer Leistung aus einem anderen Generator des Flugzeugs, etwa vom Triebwerk oder einer (separaten, gewöhnlichen) APU, geladen wird. Es ist aus der
WO 95/29094 bekannt, die APU mit konstanter Leistung zu betreiben. Bei einer solchen Betriebsart kann bei einem (temporären) Minderbedarf des Bordnetzes der Energiespeicher mit der überschüssigen Leistung der APU geladen werden. Schließlich ist auch eine Kombination der vorherigen Varianten denkbar.
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In umgekehrter Richtung lässt sich die im Energiespeicher gespeicherte Leistung nutzen, indem sie bei manchen Ausgestaltungen in das Bordnetz eingespeist wird, beispielsweise um Leistungsspitzen abzudecken oder auch um das Bordnetz zu versorgen, falls (noch) kein elektrischer Generator des Flugzeugs in Betrieb ist. So kann der Kolbenmotor und/oder ein Triebwerk des Flugzeugs mittels des Energiespeichers elektrisch gestartet werden.
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Schließlich kann bei anderen Ausgestaltungen das Antriebssystem ohne den Energiespeicher ausgebildet sein, etwa zur Gewichtsreduktion. In diesem Fall liefert bei Bedarf der Kolbenmotor (mittels des Generators) zumindest die für den Antriebsmotor benötigte Leistung.
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Entsprechend den vorhergehenden Ausgestaltungen ist für eine effiziente und bedarfsoptimierte Energieversorgung also bei manchen Ausgestaltungen das Antriebssystem leistungsmäßig mit dem Bordnetz des Flugzeugs elektrisch koppelbar. Alternativ lässt sich eine gegenseitige Beeinflussung (beispielsweise als Schutzmaßnahme bei technischen Störungen) zwischen Antriebssystem und Bordnetz verhindern, indem das Antriebssystem leistungsmäßig vom Bordnetz entkoppelt ist. Insgesamt kann bei beiden Ausgestaltungstypen eine steuerungsmäßige Kopplung mit dem Flugzeug vorgesehen sein.
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Beim elektrischen Generator handelt es sich bei manchen Ausgestaltungen um eine Synchron- oder Asynchronmaschine (vorzugsweise einer schleiferlosen Bauart), der ein elektrischer Wandler nachgeschaltet ist. Der vom Generator erzeugte (z. B. mehrphasige bzw. dreiphasige) Wechselstrom kann, beispielsweise bei kleineren Flugzeugen mit 28 V DC Bordnetz, von dem Wandler in Gleichstrom umgesetzt und so dem Flugzeug, zumindest dem Antriebsmotor, zugeführt werden. Bei Verwendung eines Synchrongenerators kann hierfür ein spannungsgesteuerter Gleichrichter ausreichen. Bei Wechselstrombordnetzen, beispielsweise bei größeren Flugzeugen mit einem 110 V bzw. 200 V 400 Hz Bordnetz, kann der Generator über einen (aktiv gesteuerten) Umrichter angekoppelt werden. Im Fall einer Asynchronmaschine liefert der Umrichter die zur Felderzeugung nötige Spannung mit der je nach Betriebssituation benötigten Frequenz und Amplitude.
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Bei manchen Ausgestaltungen ist der Generator als Starter für den Kolbenmotor vorgesehen. Hierfür kann der Generator auch motorisch betrieben werden. Der (generatorseitige) Wandler ist in diesem Fall zumindest für Zwei-Quadrantenbetrieb ausgelegt.
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Beim elektrischen Antriebsmotor handelt es sich beispielsweise um eine Synchron- oder Asynchronmaschine, und zwar vorzugsweise ebenfalls einer schleiferlosen Bauart. Zu deren Versorgung ist das Antriebssystem beispielsweise mit einem (motorseitigen) Wechselrichter ausgerüstet, der z. B. durch sinusbewertete Pulsweitenmodulation den von dem Gleichstrombordnetz und/oder dem elektrischen Energiespeicher gelieferten Gleichstrom in mehrphasigen (z. B. dreiphasigen) Wechselstrom mit der je nach Fahrsituation benötigten Frequenz und Amplitude umsetzt. Für Wechselstrombordnetze kann das Antriebssystem dementsprechend mit einem motorseitigen Umrichter ausgerüstet sein. Um mit dem Flugzeug auch rückwärts zu fahren, kann bei manchen Ausgestaltungen die Drehrichtung des Antriebmotors umgekehrt werden. Hierbei ist der motorseitige Wandler für einen entsprechenden Mehrquadrantenbetrieb ausgelegt, also zumindest für Zweiquadrantenbetrieb.
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Der Generator und/oder der Antriebsmotor können als Radialflussmaschine ausgebildet sein. Grundsätzlich eignen sich auch andere Bauarten elektrischer Maschinen, z. B. Axialflussmaschinen.
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Es können der Generator mit dem Kolbenmotor und/oder der Antriebsmotor mit dem antreibbaren Rad so gekoppelt sein, dass Kolbenmotor und Generator beziehungsweise Antriebsmotor und Rad mit jeweils gleichen Drehzahlen drehen, indem der Generator mit dem Kolbenmotor und/oder das Rad mit dem Antriebsmotor ohne zwischengeschaltetes Getriebe zur Drehzahlumsetzung verbunden ist bzw. sind.
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Bei anderen Ausgestaltungen ist zwischen dem Generator und dem Kolbenmotor und/oder zwischen dem Antriebsmotor und dem Rad ein Getriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe, zur Drehzahluntersetzung oder Drehzahlübersetzung vorgesehen. Dadurch lassen sich der Generator und/oder der Antriebsmotor mit höherer Drehzahl (gegenüber dem Kolbenmotor bzw. dem Rad) betreiben und der Wirkungsgrad der (jeweiligen) elektrischen Maschine(n) erhöhen. Zwar trägt das Getriebe zum Fluggewicht bei, doch lassen sich durch die Drehzahlerhöhung der Generator und/oder der Antriebsmotor mit verringerter Baugröße (für kleinere Drehmomente bei höheren Drehzahlen) realisieren und so das Fluggewicht insgesamt reduzieren.
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Der elektrische Antriebsmotor ist bei manchen Ausgestaltungen als Radnabenmotor im Bereich der Radnabe des Antriebsrads ausgebildet, und zwar beispielsweise in der Bauform eines Außenläufers. Der Radnabenmotor treibt das Rad unmittelbar oder über das zwischengeschaltete Getriebe an.
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Hinsichtlich der Anordnung des Antriebsmotors mit dem angetriebenen Rad sind unterschiedliche Varianten denkbar:
Bei manchen Ausgestaltungen ist der Antriebsmotor in einem Bugfahrwerk des Flugzeugs angeordnet. Dabei kann das Bugfahrwerk eine lenkbare Achse (mit separater Lenkvorrichtung) des wenigstens einen Bugrades aufweisen, um so das Flugzeug beim Fahren zu lenken. Beispielsweise kann das Bugfahrwerk eine Drehachsen- oder Gabellenkung realisieren
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Bei manchen Ausgestaltungen kann wenigstens ein Antriebsmotor mit zugehörigem angetriebenen Rad in einem Hauptfahrwerk, nämlich einem Fahrwerk, das im Bereich des Schwerpunkts des Flugzeugs angeordnet ist, vorgesehen sein. Hierbei kann das Bugfahrwerk ebenfalls mit einer lenkbaren Achse des wenigsten einen Bugrades ausgestattet sein, um das Flugzeug quasi heckgetrieben mit Frontlenkung zu fahren.
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Bei manchen Ausgestaltungen kann das Antriebssystem wenigstens zwei (quer zur Fahrtrichtung) nebeneinander angeordnete Räder umfassen, die jeweils unabhängig voneinander von jeweils einem Antriebsmotor antreibbar sind. Folglich umfasst dann das Antriebssystem insgesamt wenigstens zwei Antriebsmotoren mit jeweils wenigstens einem angetrieben Rad pro Antriebsmotor. Zum Lenken des Flugzeugs lässt sich durch unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten und/oder Drehrichtungen der Räder ein Drehmoment erzeugen.
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Bei einigen dieser Ausgestaltungen sind die beiden so antreibbaren Räder im Bugfahrwerk angeordnet, wobei das Bugfahrwerk, zumindest jedoch die Radachsen, zum Lenken (mittels des Drehmoments) drehbar gelagert sind. Bei diesen Ausgestaltungen ist eine (zusätzliche) Lenkung über die Bugradachse also nicht erforderlich.
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Bei anderen dieser Ausgestaltungen sind die wenigstens zwei so antreibbaren Räder im Hauptfahrwerk angeordnet, und zwar beidseitig der Längsachse des Flugzeugs, beispielsweise unter gegenüberliegenden Tragflächen. Hierbei sind die Räder mit zumindest so großem gegenseitigen Abstand (quer zur Längsachse des Flugzeugs) angeordnet, dass eine Art Panzerlenkung realisiert ist, bei der zum Lenken nur die Drehgeschwindigkeit (oder auch Drehrichtung) der Räder gegenseitig variiert wird, während deren Radachsen starr und im wesentlichen senkrecht zur Längsachse angeordnet sind. Vorteilhafter Weise ist das Bugrad dabei frei um eine vertikale Achse beweglich, sodass es beim Lenken den (Schwenk-)Bewegungen der Flugzeugnase folgen kann.
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Insgesamt kann bei allen diesen Varianten das Antriebssystem dazu geeignet sein, das Flugzeug auf der Stelle zu drehen.
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Bei manchen Ausgestaltungen wird (elektrische) Rekuperationsenergie mit dem Antriebssystem gewonnen, beispielsweise während der Landung beim Abbremsen des Flugzeugs auf der Rollbahn. Hierzu wird der Antriebsmotor generatorisch betrieben und so das Antriebsrad gebremst. Die dabei gewonnene elektrische Energie lässt sich im elektrischen Energiespeicher speichern.
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Im Übrigen kann der Energiespeicher bei manchen Ausgestaltungen auch von einer Energiequelle außerhalb des Flugzeugs geladen werden, beispielsweise über eine Stromversorgung an einem Terminal (sog. Gateanschluss) oder in einem Hangar. Auch ist denkbar, dass bei einigen dieser Ausgestaltung der elektrische Energiespeicher ausschließlich durch den Gateanschluss und/oder durch Rekuperation geladen wird, also kein Treibstoff zum Laden des Energiespeichers verbraucht wird.
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Bei manchen Ausgestaltungen ist das Antriebssystem dazu ausgelegt, das oder die angetriebenen Räder bereits während des Flugs (kurz vor der Landung) anzutreiben, beispielsweise um bei der Landung den Reifenverschleiß beim Aufsetzen des Flugzeugs zu verringern. Dabei kann das Rad bereits vor der Landung entsprechend der (voraussichtlichen) Aufsetzgeschwindigkeit beschleunigt werden.
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Ausführungsbeispiele des Antriebssystems werden anhand der folgenden Zeichnung beschrieben. Es zeigt
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1 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs mit einer schematischen Darstellung eines Antriebssystems für den Fahrbetrieb des Flugzeugs, wobei das Hauptfahrwerk elektrisch antreibbar ist und
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2 eine perspektivische Ansicht eines Flugzeugs, bei dem im Unterschied zur 1 das Bugfahrwerk elektrisch antreibbar ist.
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Das zweistrahlige Flugzeug 1 ist in 1 dargestellt beim Fahrbetrieb auf dem Boden mit ausgefahrenem Fahrwerk, nämlich dem Bugfahrwerk 2 und dem Hauptfahrwerk 3. Das Flugzeug 1 ist für den Fahrbetrieb mit einem Antriebssystem ausgerüstet, das einen Leichtbau-Dieselmotor 4, einen Asynchron-Generator 5, eine Batterie 6 und jeweils mit elektrischen Radnabenmotoren 7 angetriebene Räder 8 des Hauptfahrwerks 3 umfasst. Im Übrigen gibt 1, sofern nicht explizit genannt, nicht die tatsächliche bauliche Anordnung der zuvor und nachfolgend erläuterten Komponenten des Antriebssystems innerhalb des Flugzeugs 1 wieder.
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Bevor Details zu den einzelnen Komponenten des Antriebsystems näher erläutert werden, wird vorerst dessen Betriebsweise dargestellt. Zum Fahren das Flugzeug 1 auf dem Boden, dem sogenannten „Rollen”, wird das Flugzeug 1 mittels einzelner Räder 8 des Hauptfahrwerks 3 angetrieben. Hierbei sind die Strahltriebwerke 11 ausgeschaltet. Dementsprechend reduziert sich außer der Lärmemission auch der Treibstoffverbrauch beim selbstgetriebenen Fahren (Taxiing) des Flugzeugs 1. Zusätzlich werden eine höhere Fahrgeschwindigkeit sowie geringere Sicherheitsabstände zu nachfolgenden Fahrzeugen oder in der Nähe befindlichen Gegenständen oder Personen ermöglicht, da die (schädigende) Wirkung des von den Triebwerken 11 ausgehenden Düsenstrahls entfällt.
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Gemäß 1 sind beidseitig des Flugzeugrumpfes jeweils zwei Räder des Hauptfahrwerks 3 angeordnet, wobei auf jeder Seite jeweils nur ein Rad 8 (nämlich das außen liegende) durch jeweils einen elektrischen Radnabenmotor 7 antreibbar ist. Hierbei ist das antreibbare Rad 8 unter der einen Tragfläche jeweils unabhängig bezüglich Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung gegenüber dem Rad 8 unter der anderen Tragfläche ansteuerbar. Dadurch wird die Fahrbewegung des Flugzeugs 1 ähnlich der eines Panzers gelenkt, indem die bezüglich des Rumpfes gegenüberliegenden Räder 8 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben werden, sodass auf das Flugzeug 1 ein Drehmoment wirkt. Dementsprechend kann das Flugzeug 1 sowohl auf der Stelle drehen als auch rückwärts fahren. Im Übrigen ist das Bugfahrwerk 2 um seine vertikale Achse drehbar gelagert, sodass die Bugräder beim Lenken jeweils im Wesentlichen tangential zur Schwenkbewegung der Flugzeugnase mitlaufen.
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Bei einer Betriebsart versorgen ausschließlich der Dieselmotor 4 mit dem Generator 5 die Radnabenmotoren 7. Hierbei wird der Dieselmotor 4 entsprechend der tatsächlichen, momentan benötigten Leistung angesteuert, wobei er im Vergleich zu Gasturbinen wesentlich kürzere Reaktionszeiten sowie bessere Wirkungsgrade aufweist. Leistungsspitzen, die kürzer als die Reaktionszeit des Dieselmotors 4 sind, werden dabei mittels der Batterie 6 gepuffert.
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Bei einer weiteren Betriebsart wird der Dieselmotor 4 für einen optimalen Wirkungsgrad konstant in einem Teillastbetrieb, also nicht unter Volllast, betrieben. Die Leistungsdifferenzen zwischen der Leistungsaufnahme der Motoren 7 und der dabei erzielten Leistungsabgabe des Generators 5 werden durch die Batterie 6 als Puffer ausgeglichen. So wird beispielsweise beim Beschleunigen der Batterie 6 Leistung entnommen, während sie beim Abbremsen oder Stillstand des Flugzeugs 1 vom Generator 5 geladen wird.
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Bei einer noch weiteren Betriebsart werden die Motoren 7 ausschließlich mit elektrischer Leistung aus der Batterie 6 betrieben, beispielsweise für einen abgasfreien Fahrbetrieb im Hangar.
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Die Batterie 6 kann einerseits mittels des Dieselmotors 4 (beim Flug oder auch am Boden), andererseits auch mittels (weiterer, nicht dargestellter) Generatoren geladen werden, die von den Strahltriebwerken 11 angetrieben sind. Um nicht unnötigerweise Treibstoff zum Laden der Batterie 6 mitzuführen, lässt sich diese auch über eine Bodenstromversorgung mittels eines sog. Gateanschlusses 17 laden, beispielsweise während der Abfertigung des Flugzeugs 1.
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Im Übrigen ist das Antriebssystem für einen Rekuperationsbetrieb ausgerüstet, bei dem die Motoren 7 generatorisch betrieben werden. Besonders bei der Landung lasst sich Bremsenergie gewinnen, die in der Batterie 6 gespeichert wird und anschließend zum Taxiing zwischen Landebahn und Terminal nutzbar ist.
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Ferner werden schockartige Belastungen der Reifen und des Fahrwerks 3 sowie der Reifenverschleiß reduziert. Dazu beschleunigen die Motoren 7 kurz vor der Landung die Räder 8, und zwar auf eine Drehgeschwindigkeit entsprechend der Aufsetzgeschwindigkeit.
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Wie zuvor angekündigt, werden nachfolgend verschiedene Komponenten des Antriebssystems näher erläutert.
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Der Dieselmotor 4 ist in Leichtbauweise ausgeführt und gemeinsam mit dem Generator 5, einer Asynchronmaschine, im Heckbereich des Flugzeugs 1 angeordnet, wobei der Generator 5 über den Frequenzumrichter 9 mit dem Bordnetz 10 gekoppelt ist. Der Frequenzumrichter 9 ist für Zweiquadrantenbetrieb vorgesehen, sodass er einerseits die von dem Generator 5 als Wechselspannung erzeugte Leistung in das Bordnetz 10 als dreiphasige Wechselspannung von 200 V bei 400 Hz einspeisen kann. Andererseits kann der Generator 5 mit elektrischer Leistung aus dem Bordnetz motorisch betrieben werden, um den Dieselmotor 4 zu starten. Die Abgase des Dieselmotor 4 werden über eine Auspuffanlage 13 im Heckbereich aus dem Flugzeugrumpf geleitet, und zwar so, dass im Unterschied zum Abgasstrom einer Gasturbine keine Gefährdung für umstehende Objekte entsteht.
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In diesem Ausführungsbeispiel dient das (ohnehin vorhandene) Bordnetz 10 also gleichfalls dem Transport elektrischer Leistung für das Antriebssystem. Dementsprechend sind bei diesem Ausführungsbeispiel der Dieselmotor 4 mit dem Generator 5 als sogenannte „Auxiliary Power Unit” (kurz APU) zur Versorgung der elektrischen Verbraucher des Flugzeugs 1 vorgesehen, beispielsweise falls die Triebwerke, die mit weiteren, nicht dargestellten Generatoren ausgerüstet sind, ausgeschaltet sind.
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Die Batterie 6 ist über einen Umrichter 14 mit dem Bordnetz 10 gekoppelt, der einerseits als Gleichrichter zum Laden der Batterie 6 mit elektrischer Leistung aus dem Bordnetz 10 betreibbar ist. Andererseits kann der Umrichter 14 auch als Wechselrichter betrieben werden, um elektrische Leistung aus der Batterie 6 dem Wechselspannungs-Bordnetz 10 zuzuführen. Folglich kann die Batterie 6 elektrische Leistung liefern zum Starten des Dieselmotors 6, zum Betreiben der Motoren 7 und/oder auch zur Versorgung weiterer Bordnetzverbraucher. Ebenso kann die Batterie 6, wie zuvor beschrieben, durch den Generator 5 geladen werden oder Rekuperationsenergie aus den Motoren 7 aufnehmen.
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Wie zuvor erläutert, ist beidseitig des Rumpfes im Hauptfahrwerk 3 jeweils ein Rad 8 mit einem Radnabenmotor 7 antreibbar, wobei die übrigen Räder konventionell (nicht angetrieben) ausgeführt sind. Die Radnabenmotoren 7 sind als Asynchronmaschine konstruiert und dementsprechend über Frequenzumrichter 12 mit dem Bordnetz 10 gekoppelt. Um die Motoren 7 bzw. die Räder 8 jeweils vorwärts und rückwärts anzutreiben (Fahrbetrieb) und auch zu bremsen (Rekuperation), unterstützen die Umrichter 12 den Vierquadrantenbetrieb. Hierbei sind die Umrichter 12 mittels einer Steuerleitung 15 vom Cockpit 16 unabhängig voneinander ansteuerbar, um das Flugzeug 1, wie zuvor beschrieben, zu lenken. Im Übrigen sind die Radnabenmotoren 7 als Außenläufer konstruiert, wobei jeweils der innen angeordnete Statur fest mit der zugehörigen Radachse des Fahrwerks 3 verbunden ist, während der außen liegende Rotor direkt die Felge des Rads 8 antreibt. Bei dieser Bauform der Motoren 7 ist einerseits kein zusätzliches Getriebe (zusätzlicher Ballast) nötig. Andererseits werden die Abmessungen des einziehbaren Fahrwerks 3 gegenüber einem konventionellen Fahrwerk ohne Antriebssystem nicht oder nur unwesentlich verändert, sodass das Flugzeug 1 mit im Wesentlichen herkömmlich konstruierten Motorgondeln, die zum Einziehen des Fahrwerks 3 während des Flugs vorgesehen sind, ausgestattet ist.
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Bei anderen Ausführungen, die nicht als Figur gezeigt sind, ist das Hauptfahrwerk 3 mit einer Vielzahl von Rädern beidseitig des Rumpfes ausgerüstet, die jedoch ebenfalls entsprechend dem oben beschriebenen Prinzip antreibbar sind. Hierbei können jeweils nur ein Rad auf jeder Seite (bezüglich der Längsachse des Flugzeugs 1) oder auch mehrere Räder pro Seite antreibbar sein. Durch die größere Anzahl von Rädern pro Fahrwerk werden die beim Landen auftretenden Belastungen des Fahrwerks und der Landebahn reduziert. Dabei kann jeweils ein Antriebsmotor genau ein Rad antreiben. Alternativ kann auch ein Antriebsmotor zwei oder auch mehr Räder antreiben.
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Bei anderen Ausführungsformen ist der Generator 5 mit dem Kolbenmotor 4 und/oder der Antriebsmotor 7 mit dem Rad 8 über ein Getriebe, beispielsweise Planetengetriebe, gekoppelt, welches eine höhere Drehzahl des Generators 5 gegenüber dem Kolbenmotor 4 und/oder des Antriebmotors 7 gegenüber dem Rad 8 bewirkt. Dadurch lässt sich die Baugröße des Generators 5 bzw. Antriebsmotors 7 reduzieren, sodass insgesamt ein geringeres Fluggewicht erzielt wird, denn bei gleicher Leistung fällt bei höherer Drehzahl nur ein kleiners Drehmoment an.
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Das Antriebssystem gemäß 2 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten dadurch, dass im Bugfahrwerk 2 zwei Räder 8 mit jeweils einem Radnabenmotor 7 antreibbar sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Räder des Hauptfahrwerks 3 konventionell, also ohne elektrisch antreibbare Räder ausgerüstet.
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Das Flugzeug 1 wird dabei gemäß demselben Prinzip wie bei 1 beschrieben gelenkt, und zwar indem die beiden Räder 8 mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten angetrieben werden und so ein Drehmoment zum Lenken des (frei drehbaren) Bugfahrwerks 2 erzeugt wird. Folglich ist das Flugzeug 1 mit lenkbaren Frontantrieb ausgerüstet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 95/29094 [0004, 0014]
- US 2009/0088063 A1 [0005]
