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Die Erfindung betrifft ein Fluggerätesystem, das ein Starrflügler-Fluggerät mit einem Rumpf, einer Tragfläche und einer, eine horizontale Schubrichtung aufweisenden ersten Antriebseinheit aufweist. Die erste Antriebseinheit kann ein Antriebsrotor sein.
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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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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 führt.
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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 einerseits heute elektrisch angetriebene, auch bemannte Starrflügler in Verwendung sind und andererseits sich eine Vielfalt von elektrisch angetriebenen leichten unbemannten Drehflüglern für die Luftbeobachtung auf dem Markt befindet, 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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Auch wurden unbemannte 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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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 reinen Starrflüglern sind solche Flugdauern erreichbar, mit batterie-elektrisch angetriebenen reinen Starrflüglern bisher nicht infolge der im Vergleich zu Kohlenwasserstoffkraftstoffen geringen Energiedichte der Batterien. Der Start solcher Starrflügler mit langen Flugdauern erfolgt üblicherweise mittels Startkatapulten, die Landung mittels Fallschirmen oder Einfangvorrichtungen (z.B. Landenetz, Fangseil).
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Fügt man einem solchen Starrflügler jedoch VTOL-Funktionalität hinzu, durch Multikopter-Komponenten, Kipprotoren oder Kippflügelanordnungen, so wird die Flugdauer als Konsequenz des erhöhtem Luftwiderstandes und Ausrüstungsgewichtes erheblich verkürzt.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 010 937 A1 offenbart ein Fluggerät mit mindestens einem eine horizontale Schubrichtung aufweisenden ersten Antriebsrotor und mindestens einem schwenkbaren zweiten Antriebsrotor mit vertikaler Schubrichtung.
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Die Druckschrift
US 6 886 776 B2 offenbart ein Fluggerät mit Senkrecht-Start- und Landefähigkeit durch mehrere vertikal wirkende Schubeinheiten.
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In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Starrflügler-Fluggerät einerseits 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 oben beschriebenen, herkömmlichen Fluggerätesystems gelöst, die im Wesentlichen gekennzeichnet dadurch ist, dass die Senkrecht-Start-und-Landehilfe mindestens einen Elektromotor zum Antreiben der mindestens einen Schubeinheit aufweist und Batterien zum Betreiben des mindestens einen Elektromotors im Innern von Trägerarmen zum Halten der Schubeinheiten aufgenommen sind.
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Damit schafft die Erfindung ein Fluggerätesystem 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 erfindungsgemäße 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 des regulären Starrflüglers wie lange Flugdauer bei geringem Energieverbrauch aufgrund des besonders leichten Gewichts des Fluggeräts uneingeschränkt erhalten.
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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 wird erfindungsgemäß mittels Montagesätzen oder Adaptern an den Tragflächen und/oder am Rumpf des Starrflüglers montiert bzw. wieder von diesem demontiert. Zu diesem Zweck befinden sich am Starrflügler entsprechend eingerichtete Befestigungsabschnitte mit mechanischen Montagepunkten und elektrische Schnittstellen, die mit entsprechenden Steuermitteln der Fluggerätesteuerung verbunden sind. Mit anderen Worten kann das Fluggerät des erfindungsgemäßen Fluggerätesystems im Hinblick auf Steuerung, Software, Anzeigen im Cockpit, elektrische Verbindungen etc. alle für den Schwebeflug erforderlichen Komponenten mit Ausnahme der schwergewichtigen Komponenten wie dem Schubelement, dem Elektromotor und/oder der Batterie auch in dem Zustand aufweisen, in dem die Senkrecht-Start-und-Landehilfe vom Fluggerät abgenommen ist.
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Die Montage der Senkrecht-Start-und-Landehilfe am Fluggerät kann über lösbare Befestigungselemente wie etwa Schrauben, Bolzen etc. erfolgen, nicht jedoch wie bei herkömmlichen VTOL-Elementen mittels unlösbaren Befestigungsmitteln wie Nieten oder Klebstoff.
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Ferner können die Befestigungsabschnitte, an denen die Senkrecht-Start-und-Landehilfe am Fluggerät angebracht wird, sowie Schnittstellen zur Verkabelung der Senkrecht-Start-und-Landehilfe a m Fluggerät abdeckbar bzw. verschließbar sein, so dass keine Beschädigung dieser Bereiche nach Abnahme der Senkrecht-Start-und-Landehilfe im Reiseflug auftreten kann. Ferner beeinflussen diese Bereiche dann die Aerodynamik des Fluggeräts nicht negativ.
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Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass die Anordnung eines Starrflüglers mit VTOL-Fähigkeiten zu Leistungskompromissen zwingt, da zum einen die Tragflächen des Starrflüglers für die VTOL-Funktion hinderlich sind und zum anderen für den aerodynamischen Flug (Reiseflug) entweder die Multikopter-Antriebselemente als Luftwiderstandskörper hinderlich sind oder die Kipprotor- bzw. Kippflügel-Ausstattungen erhöhte mechanische Komplexität und erhöhtes Gewicht bedingen. Auch die Verwendung derselben Rotoren einerseits als schubgebende Elemente für den Schwebeflug bei Start und Landung und andererseits für den aerodynamischen Streckenflug hinsichtlich des energetischen Wirkungsgrades dieser Rotoren stellt zwangsläufig stets einen Kompromiss dar, d.h. die Rotoren können entweder für den Schwebeflug oder für den Streckenflug, aber nicht für beide Situation gleichzeitig optimiert sein. Legt man besonderen Wert auf spezifische Flugleistungen wie etwa dauerhafte Stehfähigkeit über Bodenpunkten, so zeigt sich, dass hierfür Schweberotoren großen Durchmessers am vorteilhaftesten sind, die allerdings ihrerseits im aerodynamischen Streckenflug eines Starrflüglers erhebliche Luftwiderstandselemente bilden. Mit anderen Worten bestehen für den Drehflügler- und den Starrflügleraspekt einander stark widersprechende Zielvorgaben.
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Durch die abnehmbare Ausbildung der Senkrecht-Start-und-Landehilfe kann das Fluggerät in besonders leichtgewichtiger Form (ohne zusätzliche 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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Die Senkrecht-Start-und-Landehilfe ist vorzugsweise als mindestens eine elektrisch angetriebene Schubeinheit realisiert, insbesondere als vorzugsweise batteriegespeister, elektrisch angetriebener Antriebsrotor. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Antriebsrotor ein Propeller, bevorzugt ein Zweiblattpropeller und/oder KlappPropeller.
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Zur Minimierung des aerodynamischen Widerstandes im Strecken- bzw. Reiseflug hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass zumindest ein bevorzugt als Zweiblattpropeller ausgeführter Propeller der Senkrecht-Start-und-Landehilfe im Strecken- bzw. Reiseflug mittels seines elektrischen Antriebsmotors in Flugrichtung gestellt und in dieser Ruhestellung arretiert werden kann
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Alternativ oder zusätzlich kann auch der Antriebsrotor der ersten Antriebseinheit mit der Möglichkeit des federgestützten Einklappens (d.h. als Klapppropeller) ausgeführt sein, 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 exaktere Steuerung des Fluggeräts zu ermöglichen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die abnehmbare Senkrecht-Start-und-Landehilfe mindestens zwei, bevorzugt vier oder mehr Schubeinheiten aufweist. Im Fall von zwei Schubeinheiten 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 Schubeinheiten nach Art eines Multikopters, insbesondere nach Art eines Quadrokopters, an dem Starrflügler-Fluggerät abnehmbar befestigt sein.
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Dabei hat es sich aus Gleichgewichts- und Symmetriegründen als zweckmäßig herausgestellt, dass jeweils zwei Schubeinheiten rechts und links des Rumpfes bevorzugt abnehmbar angeordnet sind, von denen in der Erstreckungsrichtung des Rumpfs jeweils eine Schubeinheit vor und eine Schubeinheit hinter dem Schwerpunkt des Fluggeräts angeordnet ist. Insbesondere ist jeweils eine Schubeinheit vor und eine Schubeinheit hinter der Tragfläche angeordnet.
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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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Die Senkrecht-Start-und-Landehilfe kann mindestens einen bevorzugt batteriebetriebenen Elektromotor zum Antreiben der mindestens einen Schubeinheit aufweisen. Sie weist für jede Schubeinheit einen Elektromotor auf. Die Elektromotoren und/oder die Batterien können zusammen mit der Schubeinheit/den Schubeinheiten der Senkrecht-Start-und-Landehilfe 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 Senkrecht-Start-und-Landehilfe erhöht.
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Die Batterien der Senkrecht-Start-und-Landehilfe sind im Innenvolumen von Trägerarmen der Schubeinheiten wie etwa den Elektropropellern untergebracht, über die die Schubeinheiten an dem Rumpf und/oder der Tragfläche befestigbar sind. Die Trägerarme können in Längsrichtung des Rumpfs verlaufen, insbesondere wenn die davon gehaltenen Schubeinheiten an der Tragfläche befestigbar sind, sie können aber auch alternativ oder zusätzlich in Querrichtung des Rumpfs verlaufen, insbesondere wenn die davon gehaltenen Schubeinheiten an dem Rumpf selbst befestigbar sind.
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Die Trägerarme können entweder zur Senkrecht-Start-und-Landehilfe gehören, wobei sie in diesem Fall vom Fluggerät abnehmbar eingerichtet sind. Alternativ gehören sie zum Fluggerät selbst, wobei sie in diesem Fall verschwenkbar, insbesondere in Richtung auf den Rumpf oder die Tragfläche einklappbar eingerichtet sein können, so dass sie nach Abnahme der Senkrecht-Start-und-Landehilfe nicht in störender Weise vom Rumpf und/oder von den Tragflächen vorstehen.
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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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Hinsichtlich der ersten Antriebseinheit, die den Hauptantrieb des Fluggeräts für den Streckenflug darstellt, spielt es erfindungsgemäß keine Rolle, ob diese verbrennungsmotorbetrieben oder elektromotorbetrieben ist.
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Die Schubeinheit kann verschwenkbar und/oder einklappbar am Rumpf oder an der Tragfläche befestigbar sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zwei auf entgegengesetzten Seiten des Rumpfs angeordnete Schubeinheiten, insbesondere die beiden hinter den Tragflächen angeordneten Schubeinheiten, verschwenkbar und/oder einklappbar am Rumpf oder an der Tragfläche befestigbar. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind vier oder mehr Schubeinheiten verschwenkbar am Rumpf oder an der Tragfläche befestigbar.
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Im Hinblick auf einen vergleichsweise energiesparenden Reiseflug bei angebrachter Senkrecht-Start-und-Landehilfe hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Schubeinheit an einem Schwenkarm befestigt ist und mittels des Schwenkarms von einer ersten Position in eine zweite Position verschwenkbar ist, wobei sich die 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 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 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 additiven Start- und Landehilfselemente 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 der additiven Start- und Landehilfselemente die beiden hinteren Elektropropeller als federgestützt automatisch einklappbare (und bei Rotation fliehkraftbedingt automatisch entfaltende) Schubpropeller (d.h. 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 der ersten Antriebseinheit) oder die Zuschaltung eines elektrischen Schubantriebes (bei weiterlaufender erster Antriebseinheit) möglich.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Starrflügler-Fluggerät eines oben beschriebenen Multifunktional-Fluggerätesystems mit einem Rumpf, mindestens einer Tragfläche und einer, eine horizontale Schubrichtung aufweisenden ersten Antriebseinheit, vorzugsweise in Form eines ersten Antriebsrotors. Das Fluggerät weist erfindungsgemäß einen Befestigungsabschnitt zum lösbaren Befestigen der Senkrecht-Start-und-Landehilfe an dem Rumpf und/oder an der Tragfläche und Steuermittel zum Betreiben des Fluggeräts im regulären Reiseflug (bei befestigter oder abgenommener Senkrecht-Start-und-Landehilfe) als auch im Schwebeflug (bei befestigter Senkrecht-Start-und-Landehilfe). Der Befestigungsabschnitt kann so verschließbar bzw. abdeckbar eingerichtet sein, dass das Fluggerät eine in aerodymanischer Hinsicht vorteilhaft geschlossene Außenhaut aufweist, wenn die Senkrecht-Start-und-Landehilfe abgenommen ist. Ferner sind die Befestigungselemente des Befestigungsabschnitts dann geschützt. Die Steuermittel können elektrische Leitungen, Messgeräte, Messfühler, Anzeigen, Steuermittel im Cockpit usw. aufweisen, die für eine Steuerung der VTOL-Elemente erforderlich sind.
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In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2012 010 937 A1 ist offenbart, zur Vermeidung von zusätzlichem Luftwiderstand die für den Schwebeflug vorgesehenen Antriebselemente in den Rumpf und/oder in die Tragfläche des Fluggeräts zu verschwenken. In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2012 020 498 A1 ist offenbart, wie eine solche Aufnahme der Antriebselemente 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. Im Unterschied zu den genannten Druckschriften ist allerdings die Senkrecht-Start-und-Landehilfe erfindungsgemäß lösbar am Fluggerät befestigt.
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Das erfindungsgemäße Fluggerät kann ein Fahrwerk, Landebeine oder Landekufen besitzen. Zudem können diese Komponenten einziehbar ausgeführt sein.
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Weiterhin kann das erfindungsgemäße Fluggerät als Hoch-, Mittel-, Tief- oder Mehrfachdecker ausgeführt sein.
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Die Antriebsrotoren können in Höhe des oberen, mittleren oder unteren Rumpfbereichs angeordnet sein.
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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 oder Tandemflügler.
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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 Propeller-Hauptantrieb (erste Antriebseinheit 16). Insbesondere zeigt:
- 1 die perspektivische Ansicht des Starrflüglers mit vier daran befestigten elektrischen Start- und Lande-Zugpropellern, diese an den Tragflächen befestigt, sämtlich im Schwebeflug laufend (angedeutet durch Propellerkreise), bei stillstehender erster Antriebseinheit 16 (angedeutet durch eingeklappten Heckpropeller),
- 2 die Ansicht des Starrflüglers wie in 1, jedoch im Transitionsflug, d.h. mit zusätzlich laufender erster Antriebseinheit 16 (angedeutet durch Propellerkreis des Heckpropellers),
- 3 die Ansicht wie in 2, jedoch mit den vier additiven Start- und Lande-Zugpropellern am Rumpf befestigt, im Transitionsflug,
- 4 die Ansicht wie in 2, jedoch die beiden vorderen Start- und Lande-Zugpropeller an den Tragflächen, die beiden hinteren Start- und Lande-Zugpropeller am Rumpf befestigt, im Transitionsflug,
- 5 die Ansicht wie in 4, jedoch die beiden hinteren Vertikal-Start- und Landepropeller als Schubpropeller und um die Querachse verschwenkbar aufgeführt, im Transitionsflug,
- 6 die Ansicht wie in 5, im Reiseflug, dabei sämtliche Vertikal-Start- und Landepropeller in luftwiderstands-minimierter Reiseflugstellung, d.h. die beiden vorderen Propeller in Flugrichtung gestellt, die beiden hinteren als Klapppropeller eingeklappt und in Flugrichtung gestellt,
- 7 die Ansicht wie 6, im rein elektrisch angetriebenen Reiseflug, d.h. mit abgeschalteter erster Antriebseinheit 16 (angedeutet durch eingeklappten Heckpropeller) und stattdessen den hinteren Vertikal-Start- und Landepropellern in die horizontale Schubrichtung verschwenkt und aktiviert, d.h. als elektrische Schubpropeller wirkend (angedeutet durch Propellerkreise).
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In 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen multifunktionalen Fluggerätesystems in Form eines Starrflügler-Fluggeräts 10 mit vier daran angebrachten vertikalen Schubelementen 22 dargestellt. Die vier Schubelemente 22 sind Bestandteile der abnehmbar an den Tragflächen befestigen Senkrecht-Start-und-Landehilfe 20. Das Fluggerät 10 weist einen Rumpf 12, Tragflächen 14, ein Leitwerk 13 und einen heckseitigen Reiseflug-Hauptantriebsrotor als erste Antriebseinheit 16 auf, die eine horizontale Schubrichtung aufweist. Die erste Antriebeinheit 16 ist hier als eingeklappter Klapppropeller (also im Stillstand) dargestellt. Vier elektrische VTOL-Start- und Landehilfseinheiten sind als vertikale Schubeinheiten 22 in Quadrokopter-Anordnung demontierbar an den Tragflächen 14 angebracht. 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.
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In 2 zeigt dieselbe erfindungsgemäße Ausführungsform wie 1, jedoch im Transitionsflug, d.h. mit zusätzlich laufender erster Antriebseinheit 16 (angedeutet durch den Propellerkreis des Heckpropellers).
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3 entspricht 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 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 an den Tragflächen 14, die beiden hinteren Vertikal-Start- und Lande-Zugpropeller 22.2, 22.3 aber am Rumpf 12 befestigt, ferner sind die beiden hinteren Start- und Lande-Zugpropeller 22.2, 22.3 um die Querachse Q verschwenkbar, 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 die in 2 gezeigte Transitionsflugsituation. Jedoch sind hier die beiden hinteren Vertikal-Start- und Landepropeller 22.2, 22.3 nicht als Zug-, sondern als Schubpropeller ausgeführt (d.h. Propeller-Luftstrom vom Elektromotor fort gerichtet) und wie in 4 um die Querachse Q verschwenkbar. 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. der Hauptantriebspropeller (erste Antriebseinheit 16) läuft (angedeutet durch den Propellerkreis), die vier Vertikal-Start- und Landepropeller 22.1 bis 22.4 befinden sich hingegen im Stillstand und 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.
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7 zeigt nochmals die in 5 gezeigte Ausführungsform, und zwar im rein elektrisch angetriebenen Reiseflug: Hier ist die erste Antriebseinheit 16 abgeschaltet (angedeutet durch eingeklappten Heckpropeller), und stattdessen wirken die beiden hinteren Vertikal-Start- und Landepropeller 22.2, 22.3 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.
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In allen dargestellten Ausführungsformen ist die die vertikalen Schubpropeller 22.1 bis 22.4 aufweisende Senkrecht-Start-und-Landehilfe 20 des Starrflügler-Fluggeräts 10 abnehmbar am Rumpf 12 bzw. an der Tragfläche 14 befestigt. Nach der Abnahme ist das Fluggerät 10 nur noch im Reiseflug, aber nicht mehr im Schwebeflug flugfähig.
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Die Schubeinheiten 22 sind jeweils über einen Trägerarm 29 an dem Fluggerät befestigt. Die Trägerarme 29 sind zusammen mit der zugehörigen Schubeinheit 22 vom Fluggerät 10 abnehmbar. Optional sind die Trägerarme so einklappbar, dass im eingeklappten Zustand die Trägerarme 29 mit daran befestigten Schubeinheiten 22 zumindest teilweise im Inneren des Rumpfs 12 und/oder der Tragfläche aufgenommen sind.
