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Die Erfindung betrifft ein Starrflügler-Fluggerät mit mindestens einer Tragfläche und mindestens einer, eine im Wesentlichen horizontale Schubrichtung aufweisenden ersten Antriebseinheit mit einer Verbrennungskraftmaschine.
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Im Unterschied zu Drehflügler-Fluggeräten (Hubschraubern oder Multikoptern), die bauartbedingt senkrecht starten und landen können, benötigen Starrflügler-Fluggeräte für den stabilen Flug eine Vorwärtsgeschwindigkeit, damit die Tragflächen den aerodynamischen Auftrieb zur Kompensation des Fluggerätegewichtes aufbringen können. Zum Start muss diese Vorwärtsgeschwindigkeit durch Horizontalbeschleunigung aus dem Stand aufgebaut werden, zur Landung muss sie durch horizontale Abbremsung wieder in den Stillstand abgebaut werden. Üblicherweise erfolgt dies rad- oder gleitkufengestützt auf einer ebenen Fahrstrecke wie etwa einer Startbahn oder einem Runway.
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Im Extremfall kann die Startstrecke durch einen kompakten Wurfapparat wie etwa ein Startkatapult verkürzt werden, etwa für den mobilen Einsatz auf Schiffen oder in unwegsamem Gelände. Sofern solche Hilfsapparaturen nicht verwendet werden können, aber dennoch der Start und die Landung ohne Startbahn gefordert sind, sind Start- und Landehilfsmittel für Starrflügler gebräuchlich wie etwa extern befestigte Feststoffraketen insbesondere für den Punkt- oder Kurzstart militärischer Fluggeräte. Die ausgebrannten Raketen werden meist nach erfolgtem Start abgeworfen. Für die bedarfsbezogene Punktlandung bzw. die Notlandung sind Fallschirme als Landehilfen für Starrflügler gebräuchlich. Solche Lösungen sind allerdings besonders kostspielig.
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Herkömmliche Starrflügler-Fluggeräte weisen mindestens eine Antriebseinheit wie etwa einen Antriebsrotor auf, der durch einen Verbrennungsantrieb angetrieben wird. Der Verbrennungsantrieb weist eine Verbrennungskraftmaschine wie etwa einen Verbrennungsmotor zum Antreiben der Antriebseinheit auf.
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Seit den 1960er Jahren wurden diverse Ausführungen von Starrflüglern bekannt, die durch verschwenkbare Antriebseinheiten für den vertikalen Start und die vertikale Landung („Vertical Take-Off and Landing” – VTOL) vertikal gerichtete Schubkräfte aufbringen können. Dies geschieht entweder durch Schwenkung der Antriebseinheiten allein (im Falle propellergetriebener Antriebseinheiten sog. Kipprotoren) oder durch Schwenkung der gesamten Tragflächen, an denen die Antriebseinheiten fest montiert sind (sog. Kippflügelsysteme). Solche Systeme benötigen allerdings komplexe Verstellmechaniken und sind besonders schwer, was zu einem hohen Treibstoffverbrauch des Verbrennungsmotors führt. Ferner sind Verbrennungsantriebe naturgemäß sehr laut.
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Seit den 1990er Jahren wurden erhebliche Fortschritte auf dem Gebiet elektrischer Flugantriebe erzielt, insbesondere durch die Verfügbarkeit von Magnetwerkstoffen hohen Energieproduktes wie etwa Seltenerdmagneten und von Batterietechniken hoher Energiedichte wie etwa Lithiumbatterien. Diese Fortschritte haben dazu geführt, dass heute nicht nur verbrennungsmotorbetriebene, sondern auch elektrisch angetriebene, auch bemannte Starrflügler in Verwendung sind. Ferner befindet sich eine Vielfalt von elektrisch angetriebenen, leichten, unbemannten Drehflüglern für die Luftbeobachtung auf dem Markt, die meisten davon mit mehreren Schweberotoren, d. h. als sog. Multikopter ausgeführt (z. B. 2 Rotoren – Doppelrotor-Hubschrauber, 3 Rotoren – Trikopter, 4 Rotoren – Quadrocopter, 6 Rotoren – Hexakopter, 8 Rotoren – Oktokopter usw.). Die wesentlichen Vorteile des dabei verwendeten Elektroantriebs sind seine technische Einfachheit, dadurch bedingt sein geringer Wartungsbedarf, seine leise Betriebsweise und seine leichte und reaktionsschnelle Steuerbarkeit durch elektrische Führungssignale.
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Ferner sind unbemannte, rein elektrisch angetriebene Starrflügler mit Multikopter-, Kipprotor- oder Kippflügel-Ausstattung bekannt, die also die Eigenschaften von Starrflüglern und Drehflüglern kombinieren. Durch eine solche Anordnung werden vorteilhafte Eigenschaften kombiniert, insbesondere die VTOL-Fähigkeit unabhängig von jeglicher bodenseitigen Infrastruktur mit der Fähigkeit zum energiesparenden aerodynamischen Flug. Ein solches Kombinations-Fluggerät bewegt sich jeweils in einer von drei möglichen Flugphasen: (1) Schwebeflug, (2) Reiseflug oder (3) Transition, d. h. Übergang zwischen den beiden anderen Phasen. Im Reiseflug kann es vorteilhaft sein, antriebslose Gleitflugphasen einzufügen. Unter Reiseflug wird der konventionelle aerodynamische Flug (durch während der Vorwärtsbewegung von den Tragflächen erzeugten Auftrieb getragen) verstanden, und unter Schwebeflug wird der schubkraftgetragene Flug (mit keiner oder nur geringer horizontaler Geschwindigkeit, jedoch im vertikalem Steigen, Schweben oder Sinken) verstanden.
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Der Nachteil solcher rein elektrisch angetriebener Fluggeräte ist die geringe Reichweite aufgrund der begrenzten Speicherkapazität der verwendeten Akkus und Batterien. insbesondere für unbemannte Beobachtungsfluggeräte sind Fragen der Energieeffizienz von hoher Bedeutung, für die aus operativen Gründen sehr lange Flugdauern – z. B. länger als 12 Stunden – angestrebt sind. Mit verbrennungsmotorgetriebenen Starrflüglern sind solche Flugdauern erreichbar, allerdings nicht mit elektrisch angetriebenen Starrflüglern infolge der im Vergleich zu Kohlenwasserstoffkraftstoffen geringen Energiedichte der Batterien.
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Des Weiteren sind Starrflügler-Fluggeräte mit Hybridantrieben bekannt. Je nach Bedarf wird der Antriebsrotor elektrisch und/oder über den Verbrennungsmotor angetrieben, wobei die Antriebe unterschiedlich angeordnet werden können (insbes. seriell oder parallel). Solche Hybridantriebe sind allerdings derzeit wenig effizient und aufgrund der hohen Lautstärke des Antriebsrotors kaum für spezielle Einsätze wie etwa Aufklärungsflüge brauchbar.
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In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Starrflügler-Fluggerät mit möglichst langer Flugdauer bei geringem Energiebedarf bereitzustellen, das andererseits in seiner Einsatzmöglichkeit nicht beschränkt und flexibel unter variablen Bedingungen einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Weiterbildung eines eingangs beschriebenen Fluggeräts gelöst, die im Wesentlichen gekennzeichnet ist durch mindestens eine vorzugsweise ausschließlich elektrisch antreibbare weitere Schubeinheit, wobei das Starrflügler-Fluggerät bei betriebener erster Antriebseinheit und stillstehender weiterer Schubeinheit im Reiseflug flugfähig ist und bei betriebener weiterer Schubeinheit und stillstehender erster Antriebseinheit im Reiseflug und/oder im Schwebeflug flugfähig ist.
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Mit anderen Worten weist das Fluggerät neben dem herkömmlichen Antriebsstrang mit Verbrennungsmotor, der die erste Antriebseinheit im regulären Horizontalflug/Reiseflug antreibt, einen davon im Wesentlichen unabhängigen, rein elektrisch betriebenen weiteren Antriebsstrang auf. Der elektrische Antriebsstrang weist eine vollständige Antriebskette vom Energieträger (Batterie/Akku/Generator) über den Umsetzer (Elektromotor) bis hin zum Krafterzeuger/Schuberzeuger (weitere Schubeinheit) auf, während der herkömmliche Antriebsstrang ebenfalls eine vollständige Antriebskette vom Energieträger (Treibstoff) über den Umsetzer (Verbrennungskraftmaschine) bis hin zum Krafterzeuger/Schuberzeuger (erste Antriebseinheit) eine vollständige Antriebskette aufweist. Dies führt dazu, dass das Fluggerät allein durch Betrieb der ersten Antriebseinheit (in einer Ruhestellung der weiteren Schubeinheit) zumindest im Reiseflug flugfähig ist, während es allein durch Betrieb der weiteren Schubeinheit (in einer Ruhestellung der ersten Antriebseinheit) ebenfalls flugfähig ist.
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Die weitere Schubeinheit kann (ausschließlich) durch den elektrischen Antrieb antreibbar sein, während die erste Antriebseinheit (ausschließlich) durch die Verbrennungskraftmaschine antreibbar sein kann. Dies hat den Vorteil, dass die jeweiligen Schubeinheiten, nämlich die erste Antriebseinheit und die weitere Schubeinheit, im Hinblick auf einen optimierten Energieverbrauch und im Hinblick auf einen möglichst geräuscharmen Flug an den jeweiligen Antrieb (Verbrennungsantrieb bzw. Elektroantrieb) angepasst und zu diesem Zweck besonders optimiert sein können. Mit anderen Worten wirkt jeweils der passende Antrieb mit der höchsten Energiedichte ohne Umwege wie etwa Energiewandler auf einen an diesen Antrieb optimal angepassten Krafterzeuger wie etwa Rotor bzw. Propeller.
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Die erste Antriebseinheit weist vorzugsweise zumindest einen ersten Antriebsrotor auf, sie kann aber alternativ oder zusätzlich auch bspw. ein Turbotriebwerk aufweisen.
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Alternativ kann auch ein Parallel-Hybridantriebsbetrieb vorgesehen sein, bei dem der erste Antriebsrotor elektrisch und durch die Verbrennungskraftmaschine betreibbar ist. Ein solcher Betrieb kann für eine kurzzeitige Zusatzleistung sinnvoll sein.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass das Antriebssystem durch die Aufteilung in zwei großenteils unabhängige Antriebsketten leichter und flexibler zu optimieren ist und die Gesamtkomplexität geringer ist, da die einzelnen Komponenten der beiden Antriebsstränge weniger stark voneinander abhängig sind als bspw. bei einem Hybridantrieb.
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Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass eine maximale Flexibilität dann erreichbar ist, wenn an dem Fluggerät für spezifische Aufgaben jeweils optimierte Antriebe verwendet werden können. Verbrennungsantriebe haben andere Vorteile und Nachteile als Elektroantriebe, so dass vorteilhafterweise beide Antriebssysteme vorgesehen sind. Anders als bei einem Hybridantrieb, bei dem verschiedene Antriebe parallel oder seriell auf eine einzige Schubeinheit wirken, sind die jeweiligen Schubeinheiten erfindungsgemäß optimal an den ihnen zugeordneten Antrieb angepasst, so dass je nach Bedarf ein energiesparender (treibstoffsparender/stromsparender) und/oder geräuscharmer Flug möglich ist.
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Gemäß einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung weist die weitere Schubeinheit eine Senkrecht-Start-und-Landehilfe (in Form mindestens eines VTOL-Elements) mit einer im Wesentlichen vertikalen Schubrichtung auf, so dass das Starrflügler-Fluggerät im Schwebeflug flugfähig ist. In diesem Fall ist das Fluggerät rein elektrisch betrieben im Schwebeflug und rein verbrennungsmotorbetrieben im Reiseflug flugfähig. Ferner ist bspw. ein Transitionsflug möglich, bei dem beide Antriebe betrieben sind. Damit ist das erfindungsgemäße Fluggerät besonders flexibel einsetzbar.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die weitere Schubeinheit abnehmbar an dem Starrflügler-Fluggerät, insbesondere an dem Rumpf und/oder an der Tragfläche, befestigt, wobei das Starrflügler-Fluggerät auch nach der Abnahme der weiteren Schubeinheit von dem Starrflügler-Fluggerät zumindest im regulären Reiseflug noch flugfähig ist.
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Wenn die abnehmbare weitere Schubeinheit in Form einer Senkrecht-Start-und-Landehilfe gebildet ist, schafft die Erfindung ein Fluggerät mit elektrisch angetriebenen VTOL-Elementen für Starrflügler, die sowohl gewichts- und luftwiderstandsminimiert als auch demontierbar sind, so dass der Starrflügler durch solche additiven Elemente optional mit VTOL-Fähigkeiten ausgestattet werden kann. Die Senkrecht-Start-und-Landehilfe mit der mindestens einen elektrisch angetriebenen Schubeinheit kann bedarfsbezogen additiv an dem Starrflügler montiert und im Flug mitgeführt oder im Fall anderer verfügbarer Start- und Landemöglichkeiten wie etwa Startkatapult und Landenetz durch Abnahme bzw. Demontage weggelassen werden. In letzterem Fall sind die vorteilhaften Flugdauereigenschaften eines regulären Starrflüglers wie lange Flugdauer bei geringem Energieverbrauch aufgrund des besonders leichten Gewichts des Fluggeräts aufgrund der abmontierten weiteren Schubeinheiten uneingeschränkt vorhanden.
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Als „vertikale Schubrichtung” wird erfindungsgemäß eine Schubrichtung verstanden, die im Wesentlichen parallel oder koaxial zur Hochachse des Fluggeräts verläuft. Als „horizontale Schubrichtung” wird erfindungsgemäß eine Schubrichtung verstanden, die im Wesentlichen parallel oder koaxial zur Längsachse des Fluggeräts verläuft.
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Die Senkrecht-Start-und-Landehilfe kann erfindungsgemäß mittels Montagesätzen oder Adaptern an den Tragflächen und/oder am Rumpf des Starrflüglers montiert bzw. wieder von diesem demontiert werden. Optional sind der Elektromotor des elektrischen Antriebs und/oder eine Batterie zusammen mit der weiteren Schubeinheit von dem Fluggerät abmontierbar. Zu diesem Zweck befinden sich am Starrflügler entsprechend eingerichtete Befestigungsabschnitte mit mechanischen Montagepunkten und ggf. elektrische Schnittstellen, die mit entsprechenden Steuermitteln der Fluggerätesteuerung und/oder mit einer Batterie verbunden sind. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Fluggerät im Hinblick auf Steuerung, Anzeigen im Cockpit, elektrische Verbindungen etc. alle für den Schwebeflug erforderlichen Komponenten mit Ausnahme der schwergewichtigen Komponenten wie der weiteren Schubeinheit, dem Elektromotor und/oder der Batterie auch in dem Zustand aufweisen, in dem die weitere Schubeinheit vom Fluggerät abgenommen ist. Die Montage der weiteren Schubeinheit, des Elektromotors und/oder der Batterie am Fluggerät kann über lösbare Befestigungselemente wie etwa Schrauben, Bolzen etc. erfolgen.
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Ferner können die Befestigungsabschnitte, an denen die weitere Schubeinheit am Fluggerät angebracht wird, sowie Schnittstellen zur Verkabelung der weiteren Schubeinheit am Fluggerät abdeckbar bzw. verschließbar sein, so dass keine Beschädigung dieser Bereiche nach Abnahme der weiteren Schubeinheit auftreten kann. Ferner beeinflussen diese Bereiche dann die Aerodynamik des Fluggeräts nicht negativ. Durch die abnehmbare Ausbildung der weiteren Schubeinheit kann das Fluggerät in besonders leichtgewichtiger Form (ohne die VTOL-Elemente) für den Reiseflug verwendet werden, so dass es dann eine besonders hohe Reichweite bei geringem Energiebedarf erreicht, während je nach Bedarf die für den Schwebeflug eingerichtete Schubeinheit an dem Rupf bzw. an der Tragfläche montiert werden kann. Dann hat das Fluggerät zwar aufgrund des Zusatzgewichts eine geringere Reichweite, ist aber weniger eingeschränkt im Hinblick auf verschiedene Flugmanöver und seine Start- und Landefähigkeit.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Starrflügler-Fluggerät bei gleichzeitig betriebener erster Antriebseinheit und weiterer Schubeinheit im Reiseflug und/oder im Schwebeflug flugfähig sein.
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Die weitere Schubeinheit kann eine im Wesentlichen horizontale Schubrichtung aufweisen, wobei das Starrflügler-Fluggerät bei betriebener weiterer Schubeinheit und stillstehendem ersten Antriebsrotor und/oder bei einem gemeinsamen Betrieb der weiteren Schubeinheit und des ersten Antriebsrotors im regulären Reiseflug/Horizontalflug flugfähig ist.
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Bspw. kann die eine horizontale Schubrichtung aufweisende weitere Schubeinheit für einen besonders leisen, rein elektrischen Aufklärungsflug mit speziell dafür optimierten leisen Propellern eingesetzt werden. Bei einem herkömmlichen Hybridantrieb werden im Gegensatz dazu herkömmliche, an einen Verbrennungsantrieb angepasste Rotoren verwendet, auch wenn diese zeitweise rein elektrisch angetrieben werden.
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In den letzten Jahren wurden Elektroantriebe immer leichter und leistungsfähiger. Somit bietet sich damit die Möglichkeit, die Vorteile von Elektroantrieben (leichte Energieverteilung, geringes Leistungsgewicht, Geräuscharmut) ohne allzu große Einbußen aufgrund eines erhöhten Gesamtgewichts für spezielle Aufgaben wie Aufklärungsflüge o. dgl. einzusetzen.
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Die weitere Schubeinheit kann von einer Reiseflugstellung, in der sie eine horizontale Schubrichtung aufweist, in eine VTOL-Stellung, in der sie eine im Wesentlichen vertikale Schubrichtung aufweist, verstellbar eingerichtet sein.
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Die elektrisch angetriebene weitere Schubeinheit weist vorzugsweise mindestens einen elektrisch angetriebenen Antriebsrotor auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Antriebsrotor ein Propeller, bevorzugt ein Zweiblattpropeller und/oder Klapp-Propeller. Vorzugsweise ist der Propeller ein an einen elektrischen Antrieb angepasster, besonders geräuscharmer Propeller.
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Wenn die weitere Schubeinheit als Antriebseinheit für einen besonders leisen Reiseflug verwendet werden soll, ist eine Ausführung als Klapppropeller sinnvoll. Dieser Klapp-Propeller sollte dann auch lärmoptimiert sein.
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Zur Minimierung des aerodynamischen Widerstandes im Strecken- bzw. Reiseflug bei Betrieb der ersten Antriebseinheit hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass zumindest ein bevorzugt als Zweiblattpropeller ausgeführter Propeller der weiteren Schubeinheit im Strecken- bzw. Reiseflug mittels eines elektrischen Motors in Flugrichtung gestellt und in dieser Ruhestellung arretiert werden kann. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die weitere Schubeinheit ausschließlich als VTOL-Antrieb und nicht verschwenkbar vorgesehen ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch die erste Antriebseinheit einen Antriebsrotor mit der Möglichkeit des federgestützten Einklappens (d. h. als Klapppropeller) aufweisen, wobei im eingeklappten Zustand der aerodynamische Luftwiderstand verringert ist.
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Zudem können die Antriebsrotoren freilaufend oder auch als ummantelte Propeller (sogenannte „Impeller”) ausgebildet sein.
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Um eine exakte Steuerung des Fluggeräts zu ermöglichen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die weitere Schubeinheit mindestens zwei, bevorzugt vier oder mehr Antriebsrotoren aufweist. Im Fall von zwei Antriebsrotoren kann es sich um die Konfiguration eines Doppelrotor-Hubschraubers handeln, bei drei und mehr solchen Elementen um die Konfiguration eines Multikopters (z. B. 4 Rotoren – Quadrocopter, 6 Rotoren – Hexakopter, 8 Rotoren – Oktokopter).
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Mit anderen Worten können die weiteren Schubeinheiten nach Art eines Multikopters, insbesondere nach Art eines Quadrokopters, an dem Starrflügler-Fluggerät bevorzugt abnehmbar befestigt sein.
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Dabei hat es sich aus Gleichgewichts- und Symmetriegründen als zweckmäßig herausgestellt, dass jeweils zwei elektrisch angetriebene Antriebsrotoren rechts und links des Rumpfes bevorzugt abnehmbar angeordnet sind, von denen in der Erstreckungsrichtung des Rumpfs des Fluggeräts jeweils ein Antriebsrotor vor und ein Antriebsrotor hinter dem Schwerpunkt des Fluggeräts angeordnet ist.
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Wenn die Antriebsrotoren der weiteren Schubeinheit als VTOL-Antriebe ausgebildet sind, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass mindestens ein Antriebsrotor zur Giersteuerung aus der Vertikalen verkippbar eingerichtet ist.
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Normalerweise sind die Drehrichtungen der Propeller eines Multicopters immer abwechselnd. Es ist jedoch regelmäßig schwierig, für alle Propellergrößen rechts- und linkslaufende Varianten zu erwerben. Erfindungsgemäß können deshalb auch alle VTOL-Propeller die gleiche Drehrichtung aufweisen. Dabei ist es vorteilhaft, die VTOL-Propeller gerade soweit aus der Vertikalen herauszubewegen, dass das Giermoment des Propellers durch das Drehmoment der nicht ganz vertikalen Schubkraft gerade ausgeglichen wird.
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Der elektrische Antrieb kann mindestens einen bevorzugt batteriebetriebenen Elektromotor zum Antreiben der mindestens einen weiteren Schubeinheit aufweisen. Vorzugsweise weist er für jeden Antriebsrotor der weiteren Schubeinheit einen zugehörigen Elektromotor auf. Die Elektromotoren und/oder die zugehörigen Batterien können zusammen mit der Schubeinheit von dem Starrflügler-Fluggerät abnehmbar eingerichtet sein. Elektromotoren und Batterien sind nämlich regelmäßig schwer, so dass durch ihre Abnahme Energie eingespart werden kann, was die Reichweite des Fluggeräts mit abgenommener weiterer Schubeinheit erhöht.
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Die Batterien können beispielsweise im Innenvolumen von Trägerarmen unterbracht sein, über die die weiteren Schubeinheiten an dem Rumpf und/oder der Tragfläche befestigt sind. Die Trägerarme können in Längsrichtung des Rumpfs verlaufen, insbesondere wenn die davon gehaltenen Schubeinheiten an der Tragfläche befestigt sind, sie können aber auch in Querrichtung des Rumpfs verlaufen, insbesondere wenn die davon gehaltenen Schubeinheiten an dem Rumpf des Fluggeräts befestigt sind.
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Die Trägerarme können in Richtung auf den Rumpf oder die Tragfläche einklappbar sein. Alternativ oder zusätzlich können sie lösbar an dem Fluggerät befestigt sein.
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Die Batteriekapazität muss für einen Start und eine Landung vorgehalten werden. Sofern die Batterien während des Streckenfluges aus dem elektrischen Bordnetz des Fluggerätes nachgeladen werden, muss nur die Batteriekapazität für einen Start oder eine Landung vorgehalten werden, entsprechend etwa der Halbierung der erforderlichen Batteriekapazität und folglich des Batteriegewichtes.
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Die Energieversorgung der elektrisch angetriebenen Antriebsrotoren kann alternativ oder zusätzlich mittels Brennstoffzellen, Akkus oder eines z. B. von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Generators erfolgen.
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Die weitere Schubeinheit kann verschwenkbar und/oder einklappbar am Rumpf oder an der Tragfläche befestigt sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zwei auf entgegengesetzten Seiten des Rumpfs angeordnete weitere Schubeinheiten, insbesondere zwei hinter den Tragflächen angeordnete weitere Schubeinheiten, verschwenkbar und/oder einklappbar am Rumpf oder an der Tragfläche befestigt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind vier oder mehr weitere Schubeinheiten verschwenkbar am Rumpf oder an der Tragfläche befestigt.
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Im Hinblick auf einen ausschließlich verbrennungsmotorbetriebenen, energiesparenden Reiseflug hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die weitere Schubeinheit an einem Schwenkarm befestigt ist und mittels des Schwenkarms von einer ersten Position in eine zweite Position verschwenkbar ist, wobei sich die weitere Schubeinheit in der ersten Position außerhalb des Rumpfs und/oder der Tragfläche befindet und in der zweiten Position in dem Rumpf und/oder in der Tragfläche aufgenommen ist. Dabei können zwei oder mehr Schubeinheiten über einen solchen Schwenkarm am Rumpf oder an der Tragfläche angebracht sein.
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Unter „in dem Rumpf und/oder in der Tragfläche aufgenommen” wird verstanden, dass der Antriebsrotor der weiteren Schubeinheit weitgehend vollständig innerhalb des von der Außenhaut des Rumpfs und/oder des Tragflügels ausgebildeten Innenvolumens angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei auf entgegengesetzten Seiten des Rumpfs angeordnete weitere Schubeinheiten als einklappbare Schubpropeller ausgeführt. Die Schubpropeller können alternativ oder zusätzlich um eine quer zur Längsachse des Fluggeräts verlaufende Achse, insbesondere um die Nickachse des Fluggeräts, verschwenkbar sein. Eine Schwenkmöglichkeit um die Nickachse ist insbesondere bei einer Quadrokopter-Anordnung der der weiteren Schubeinheit vorteilhaft. Auf diese Weise entstehen nämlich zusätzliche vorteilhafte Möglichkeiten:
- – bei links/rechts gegensinniger Schwenkung die Erzeugung von Drehmomenten um die Hochachse (Gierachse), zur Unterstützung der Lagesteuerung im Schwebeflug,
- – bei links/rechts gleichsinniger Schwenkung die Erzeugung einer Schubkomponente in Längsrichtung, die entweder bedarfsbezogen den Reiseflug-Hauptantrieb kurzzeitig unterstützt oder – bei temporärer Abschaltung des Reiseflug-Hauptantriebes – den kurzzeitigen rein elektrischen Flug (mit dem Vorteil sehr geringen Fluglärms) ermöglicht.
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Vorzugsweise können bei einer Quadrokopter-Anordnung die beiden hinteren Elektropropeller als federgestützt automatisch einklappbare (und bei Rotation fliehkraftbedingt automatisch entfaltende) Schubpropeller (insbes. Klapppropeller) ausgeführt sein, mit dem Vorteil, dass im Reiseflug bei Schwenkung der eingeklappten Propeller in die Horizontale deren aerodynamischer Widerstand minimal wird. Zugleich wird in dieser Reiseflug-Ruhestellung ohne erneute Verschwenkung unmittelbar die Umschaltung auf den elektrischen Schubantrieb (bei Abschaltung des Hauptantriebes) oder die Zuschaltung eines elektrischen Schubantriebes (bei weiterlaufendem Hauptantrieb) möglich.
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In der
deutschen Patentanmeldung 10 2012 010 937.7 ist offenbart, zur Vermeidung von zusätzlichem Luftwiderstand die für den Schwebeflug vorgesehene weitere Schubeinheit in den Rumpf und/oder in die Tragfläche des Fluggeräts zu verschwenken. In der
deutschen Patentanmeldung 10 2012 020 498.1 ist offenbart, wie eine solche Aufnahme der in dem Rumpf konstruktiv besonders einfach und kostengünstig umgesetzt werden kann. Einzelheiten im Hinblick auf die Verschwenkbarkeit der Antriebsrotoren, die in diesen Druckschriften offenbart sind, werden durch Verweis in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
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Das erfindungsgemäße Fluggerät kann ein Fahrwerk, Landebeine oder Landekufen besitzen. Zudem können diese Komponenten einziehbar ausgeführt sein. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Fluggerät als Hoch-, Mittel-, Tief- oder Mehrfachdecker ausgeführt sein. Die Antriebsrotoren können in Höhe des oberen, mittleren oder unteren Rumpfbereichs angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Fluggerät kann in konventioneller Konfiguration mit einem Rumpf, zwei Tragflächen und einem heckseitigen Leitwerk ausgeführt sein. Ebenso ist eine andere Konfiguration möglich, beispielsweise eine Ausgestaltung als Doppel- oder Mehrdecker, mit Doppelrumpf, Doppelleitwerk, T- oder V-Leitwerk, als Entenflugzeug, Tandemflügler oder alternativ als Nurflügler.
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Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Fluggeräts liegt im Bereich unbemannter Fluggeräte für die luftgestützte Bodenbeobachtung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Diese zeigen in jeweils schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Anordnung als Quadrocopter an einem Starrflügler-Fluggerät mit heckseitigem, verbrennungsmotorbetriebenem Propeller-Hauptantrieb (erste Antriebseinheit 16). Insbesondere zeigt:
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1 die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Starrflüglers mit einer weiteren Schubeinheit in Form von vier elektrisch angetriebenen Antriebsrotoren, sämtlich im Schwebeflug laufend (angedeutet durch Propellerkreise), bei stillstehendem Hauptantrieb 16 (angedeutet durch eingeklappten Heckpropeller),
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2 die Ansicht des Starrflüglers aus 1, jedoch im Transitionsflug, d. h. mit zusätzlich laufendem, verbrennungsmotorbetriebenem Hauptantrieb 16 (angedeutet durch Propellerkreis des Heckpropellers),
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3 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Starrflüglers, bei dem die weiteren Schubeinheiten am Rumpf befestigt sind, im Transitionsflug bei laufendem Elektro- und Verbrennungsmotor,
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4 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Starrflüglers, bei dem die beiden vorderen Antriebsrotoren der weiteren Schubeinheit an den Tragflächen, die beiden hinteren Antriebsrotoren der weiteren Schubeinheit am Rumpf befestigt sind, im Transitionsflug,
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5 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Starrflüglers, bei dem die beiden hinteren Antriebsrotoren als Schubpropeller und um die Querachse verdrehbar aufgeführt sind, im Transitionsflug,
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6 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Starrflüglers im ausschließlich verbrennungsmotorbetriebenen Reiseflug, dabei die weitere Schubeinheit in luftwiderstands-minimierter Reiseflugstellung, d. h. die beiden vorderen Propeller in Flugrichtung gestellt, die beiden hinteren als Klapppropeller eingeklappt und in Flugrichtung gestellt,
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7 die Ansicht eines erfindungsgemäßen Starrflüglers im rein elektrisch angetriebenen, horizontalen Reiseflug, d. h. mit abgeschaltetem Hauptantrieb 16 (angedeutet durch eingeklappten Heckpropeller) und stattdessen den hinteren Propellern in die horizontale Schubrichtung verschwenkt und aktiviert, d. h. als elektrische Schubpropeller wirkend (angedeutet durch Propellerkreise), und
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8 ein schematisches Blockschaltbild des Antriebssystems.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Starrflügler-Fluggeräts 10 mit einer verbrennungsmotorbetriebenen ersten Antriebseinheit 16 in Form eines ersten Antriebsrotors und einer elektromotorbetriebenen weiteren Schubeinheit 20 in Form von vier vertikalen Antriebsrotoren 22 dargestellt. Die Schubeinheit 20, also die vier weiteren Antriebsrotoren 22, können optional von dem Fluggerät 10 abgenommen werden.
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Das Fluggerät 10 weist einen Rumpf 12, zwei Tragflächen 14, ein Leitwerk 13 und einen heckseitigen Reiseflug-Hauptantriebsrotor als erste Antriebseinheit 16 auf, der eine horizontale Schubrichtung aufweist. Der erste Antriebsrotor ist hier als eingeklappter Klapppropeller (also im Stillstand) dargestellt.
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Die vier weiteren Antriebsrotoren 22 sind elektrisch angetriebene VTOL-Start- und Landehilfseinheiten in Quadrokopter-Anordnung, die an den Tragflächen 14 angebracht sind. Es handelt sich um elektrisch angetriebene Propeller 22.1, 22.2, 22.3, 22.4, hier als Zugpropeller (d. h. Propeller-Luftstrom in Richtung auf den Elektromotor). 1 stellt den Schwebeflug dar, d. h. die Propeller 22.1, 22.2, 22.3, 22.4 sind in Betrieb, angedeutet durch Propellerkreise. Wie angedeutet, ist das Fluggerät 10 bei betriebener weiterer Schubeinheit 20 und stillstehendem ersten Antriebsrotor im Schwebeflug flugfähig.
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2 zeigt dieselbe erfindungsgemäße Ausführungsform wie 1, jedoch im Transitionsflug, d. h. mit zusätzlich laufendem Hauptantrieb 16 (angedeutet durch den Propellerkreis des Heckpropellers). Sowohl der Elektromotor als auch der Verbrennungsmotor sind in Betrieb.
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3 entspricht im Wesentlichen der in 2 gezeigten Transitionsflugsituation. Jedoch ist hier eine zweite Ausführungsform gezeigt, bei der die vier additiven Vertikal-Start- und Lande-Zugpropeller 22.1 bis 22.4 der weiteren Schubeinheit nicht an den Tragflächen 14, sondern am Rumpf 12 befestigt sind.
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4 entspricht ebenfalls der in 2 gezeigten Transitionsflugsituation. Jedoch sind bei dieser Ausführungsform die beiden vorderen Vertikal-Start- und Lande-Zugpropeller 22.1, 22.4 der weiteren Schubeinheit 20 an den Tragflächen 14, die beiden hinteren Vertikal-Start- und Lande-Zugpropeller 22.2, 22.3 der weiteren Schubeinheit 20 am Rumpf 12 befestigt. Ferner sind die beiden hinteren Start- und Lande-Zugpropeller 22.2, 22.3 um die Querachse Q verdrehbar, um bei gegensinniger Verschwenkung ein Drehmoment um die Hochachse H oder bei gleichsinniger Verschwenkung eine Schubkraftkomponente in Richtung der Längsachse L zu erzeugen.
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5 zeigt nochmals eine Transitionsflugsituation. Jedoch sind hier die beiden hinteren Vertikal-Start- und Landepropeller 22.2, 22.3 der weiteren Schubeinheit 20 nicht als Zugpropeller, sondern als Schubpropeller ausgeführt (d. h. Propeller-Luftstrom vom Elektromotor fort gerichtet) und wie in 4 um die Querachse Q verdrehbar. Durch die Anordnung als Schubpropeller entsteht die Möglichkeit, die Propeller 22.3, 22.4 als Klapppropeller zu realisieren.
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6 zeigt die in 5 gezeigte Ausführungsform, diesmal im Reiseflug, d. h. die erste Antriebseinheit 16 läuft (angedeutet durch den Propellerkreis), die vier Vertikal-Start- und Landepropeller 22.1 bis 22.4 der weiteren Schubeinheit 20 befinden sich hingegen im Stillstand, und zwar in Stellungen minimalen aerodynamischen Widerstands, insbesondere die beiden vorderen Propeller 22.1 und 22.4 in fester Stellung in Flugrichtung, die beiden hinteren als eingeklappte Propeller 22.2 und 22.3 so verschwenkt, dass auch sie in Flugrichtung weisen. Wie dargestellt, ist das Fluggerät 10 bei betriebener erster Antriebseinheit 16 und stillstehender weiterer Schubeinheit 22 im Reiseflug flugfähig.
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7 zeigt nochmals die in 5 gezeigte Ausführungsform, und zwar im rein elektrisch angetriebenen Reiseflug/Horizontalflug: Hier ist die erste Antriebseinheit 16 (der Hauptantrieb) abgeschaltet (angedeutet durch eingeklappten Heckpropeller), und stattdessen wirken die beiden hinteren Vertikal-Start- und Landepropeller 22.2, 22.3 der weiteren Schubeinheit 20 in die horizontale Schubrichtung verschwenkt als elektrische, horizontale Schubpropeller (angedeutet durch Propellerkreise); die beiden vorderen Start- und Landepropeller 22.1 und 22.4 verbleiben in ihrer Ruhestellung. Wie dargestellt, ist das Fluggerät 10 bei stillstehender erster Antriebseinheit 16 und zumindest teilweise betriebener weiterer Schubeinheit 20 im Reiseflug flugfähig.
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Als Alternative können bei der in 7 gezeigten Ausführungsform auch die beiden vorderen Propeller 22.1, 22.4 weggelassen werden. In diesem Fall weist die weitere Schubeinheit 20 ausschließlich horizontal wirksame Antriebsrotoren 22.2, 22.3 auf, die elektrisch antreibbar sind. Für einen geräuscharmen Reiseflug kann von der verbrennungsmotorbetriebenen ersten Antriebseinheit 16 auf die elektromotorbetriebene weitere Schubeinheit 20 umgeschaltet werden. Ein Vertikalflug ist dann nicht möglich.
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In allen dargestellten Ausführungsformen kann optional die weitere Schubeinheit 20 des Starrflügler-Fluggeräts 10 zumindest teilweise abnehmbar am Rumpf 12 bzw. an der Tragfläche 14 befestigt sein. Nach der Abnahme ist das Fluggerät 10 nur noch verbrennungsmotorbetrieben im Reiseflug, aber nicht mehr im Schwebeflug flugfähig.
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Die Antriebsrotoren 22 sind jeweils über einen Trägerarm 29 an dem Fluggerät befestigt. Die Trägerarme 29 können jeweils zusammen mit dem zugehörigen Antriebsrotor 22 vom Fluggerät 10 abnehmbar sein. Optional sind die Trägerarme einklappbar, so dass im eingeklappten Zustand die Trägerarme 29 mit daran befestigten Schubeinheiten 20 zumindest teilweise im Inneren des Rumpfs 12 und/oder der Tragfläche 14 aufgenommen sind.
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8 zeigt ein Blockschaltbild des Antriebssystems: Es sind zwei im Wesentlichen voneinander unabhängige Antriebsketten dargestellt: Die oberen drei Blöcke zeigen den Verbrennungsantrieb: Ein Verbrennungsmotor (V-Motor) wird mit Treibstoff (Tank + Sprit) versorgt und treibt den Antriebsrotor 16 an. Ein Akku versorgt einen Elektromotor mit elektrischer Energie, wobei der Elektromotor die weitere Schubeinheit 20 (Propeller) antreibt. Die beiden Antriebsketten sind über einen Starter/Generator + Regler miteinander verknüpft.
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Dies bietet auch die Möglichkeit eines Parallel-Hybridantriebs für den Verbrennungsmotor z. B. für kurzzeitige Zusatzleistung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform entfällt der Akku der Bordavionik, und der Energiespeicher des elektrischen Antriebs wird gleichzeitig als Pufferakku für die Avionik und den Restart des Verbrennungsmotors verwendet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Generator des Verbrennungsantriebs gleichzeitig verwendet, um den Energiespeicher des elektrischen Antriebs aufzuladen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012010937 [0049]
- DE 102012020498 [0049]
