DE102015004680A1

DE102015004680A1 - Device and method for increasing the flight safety of gyroplanes by maintaining a minimum rotor speed and preventing the rotor standstill in flight

Info

Publication number: DE102015004680A1
Application number: DE102015004680.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2016-10-13

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Flugstabilität und Flugsicherheit von Tragschraubern, dadurch gekennzeichnet, dass der im Normalbetrieb in Autorotation befindliche Hauptrotor bei Unterschreiten einer Mindestdrehzahl im Flug aktiv, dies beinhaltet alle Antriebsformen außer des Antriebs durch anströmende Luft, angetrieben wird und somit instabile Flugzustände, die durch eine zu niedrige Drehzahl des Rotors oder durch Rotorstillstand entstehen, verhindert werden.Device and method for increasing the flight stability and flight safety of gyroplanes, characterized in that the main rotor in autorotation main rotor falls below a minimum speed in flight active, this includes all drive forms except the drive by incoming air, is driven and thus unstable flight conditions, the caused by too low a speed of the rotor or by rotor standstill prevented.

Description

Tragschrauber sind Fluggeräte, bei denen der Auftrieb durch einen passiv durch den Luftstrom angetriebenen Rotor erzeugt wird, während der Vortrieb unabhängig vom Auftrieb z. B. durch einen getrennten, motorgetriebenen Propeller erzeugt wird. Tragschrauber haben wesentliche Vorteile im Flugverhalten, so z. B. die Fähigkeit zum Flug bei geringer Geschwindigkeit sowie geringe Turbulenzanfälligkeit und werden aufgrund des Prinzips der Autorotation und geringer mechanischer Komplexität allgemein als sichere Fluggeräte betrachtet. Allerdings können Tragschrauber leicht in einen Flugzustand gebracht werden, der völlig instabil ist und aus dem eine Rückführung in einen stabilen Flugzustand für durchschnittliche Piloten unmöglich ist. Dies tritt dann ein, wenn der Rotor in starke Unterdrehzahl oder zum Stillstand kommt. Dies ist bei negativer Anströmung des Rotors, dies bedeutet Anströmung von oben statt wie im Regelbetrieb von unten, leicht zu erzeugen, entweder durch vom Piloten verursachte Flugmanöver, so z. B. Kippen des Rotors nach vorne bei hoher Fluggeschwindigkeit, Schiebeflug zur Seite, aber auch durch Böen oder Fallwinde.Gyroplanes are aircraft in which the lift is generated by a passive driven by the air flow rotor, while the propulsion regardless of buoyancy z. B. is generated by a separate, motor-driven propeller. Gyroplanes have significant advantages in flight behavior, such. Low-speed flight capability and low susceptibility to turbulence, and are generally considered safe aircraft due to the principle of autorotation and low mechanical complexity. However, gyrocopters can easily be brought into a flight condition that is completely unstable and that makes it impossible for average pilots to return to a stable flight condition. This occurs when the rotor comes to a strong underspeed or stops. This is at negative flow to the rotor, this means flow from above instead of as in normal operation from below, easy to generate, either caused by the pilot maneuvers, such. B. Tilting the rotor forward at high airspeed, side shift, but also by gusts or winds.

Untersuchungsberichte der BFU über den Unfall am 2. November 2008 am Flugplatz Thannhausen, Bericht Nr. 3X162-0/08 vom Oktober 2009, sowie den Unfall am 16. Juli 2011 am Verkehrslandeplatz Breitscheid, Bericht Nr. 3X104-11 vom November 2011, deuten darauf hin, dass entsprechende Vorkommnisse bereits zu mehreren, teilweise tödlichen Flugunfällen führten.Investigation Reports of the BFU on the accident on 2 November 2008 at the airfield Thannhausen, Report No. 3X162-0 / 08 of October 2009, and the accident on 16 July 2011 at the airfield Breitscheid, Report No. 3X104-11 of November 2011, interpret suggest that such incidents have already led to several, sometimes fatal, aircraft accidents.

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren, gemäß denen der Tragschrauber im Regelbetrieb, das heißt Anströmung des Rotors von unten und Autorotation, unbeeinflusst durch die Erfindung mit passiv angetriebenem Rotor fliegt, bei der jedoch im Fall der Unterschreitung einer Mindestdrehzahl des Rotors oder bei einer Unterbrechung der Autorotation mit Rotorstillstand der Rotor bis zur Wiederherstellung der für einen stabilen Flugzustand erforderlichen Mindestdrehzahl aktiv angetrieben wird.The invention relates to an apparatus and a method according to which the gyrocopter in normal operation, that is, flow of the rotor from below and autorotation, unaffected by the invention with passively driven rotor flies, but in the case of falling below a minimum speed of the rotor or at a Interruption of autorotation with rotor standstill the rotor is actively driven until the minimum speed required for a stable flight condition is restored.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass im Flug eine Mindestdrehzahl des Rotors aufrechterhalten oder wieder hergestellt wird. Dies kann erfindungsgemäß auf folgenden Wegen erreicht werden:An essential feature of the invention is that in flight a minimum speed of the rotor is maintained or restored. This can be achieved according to the invention in the following ways:

Aktive Zuschaltung eines Antriebes für den Rotor bei Abfall der RotordrehzahlActive connection of a drive for the rotor when the rotor speed drops

In dieser Ausführung der Erfindung wird die Drehzahl des Rotors erfasst und bei Unterschreiten der erforderlichen Mindestdrehzahl ein Antrieb zugeschaltet.In this embodiment of the invention, the speed of the rotor is detected and switched on when the minimum speed required a drive.

Grundsätzlich ist dabei zwischen Antriebsverfahren zu unterscheiden, die die Antriebskraft oder das Antriebsmoment auf den Rotor gegen den Rumpf des Tragschraubers aufbringen und als Folge eine Drehbeschleunigung auf den Rumpf verursachen und Antriebsverfahren, die keine Rückwirkung auf den Rumpf erzeugen.In principle, a distinction must be made between drive methods which apply the driving force or the drive torque to the rotor against the hull of the gyroscope and as a result cause a rotational acceleration on the hull and drive methods which do not produce any retroactive effect on the hull.

Bei ersterem Antriebsverfahren wird die den Rotor beschleunigende Kraft oder das beschleunigende Drehmoment durch einen Antrieb aufgebracht, der sich am Rumpf des Tragschraubers (1) – dazu werden in diesem Fall alle Bestandteile mit Ausnahme des Rotors (2) gerechnet – abstützt. Dies kann erfindungsgemäß beispielsweise durch einen Elektromotor (3) in Form eines Permanentmagnet-Synchronmotors erfolgen, der über ein Ritzel (4) auf einen mit dem Rotor verbundenen Zahnkranz (5) wirkt, jedoch auch in Form beliebiger anderer Antriebsformen, z. B. pneumatische oder hydraulische Motoren oder auch Energieentnahme aus einem Speicher, beispielsweise einem Druckgas- oder Federspeicher.In the first drive method, the rotor accelerating force or the accelerating torque is applied by a drive, which is located on the hull of the gyrocopter ( 1 ) - in this case, all components except the rotor ( 2 ) - supported. This can according to the invention, for example, by an electric motor ( 3 ) take place in the form of a permanent magnet synchronous motor, which via a pinion ( 4 ) on a ring gear connected to the rotor ( 5 ) acts, but also in the form of any other drive forms, z. B. pneumatic or hydraulic motors or energy extraction from a memory, such as a compressed gas or spring storage.

Die Zuschaltung kann durch Zuführung von Energie zu einem passiv mitlaufenden Antrieb, im obigen Beispiel in Form eines Elektromotors mit unbestromten Wicklungen, wie auch durch Einkopplung eines im Normalbetrieb entkoppelten Antriebes, zum Beispiel in Form einer schaltbaren Kupplung oder eines Einrückmechanismus wie bei Anlassern für Verbrennungsmotoren üblich, erfolgen.The connection can by supplying energy to a passive follower drive, in the above example in the form of an electric motor with de-energized windings, as well as by coupling a decoupled in normal operation drive, for example in the form of a switchable clutch or a clutch mechanism as in starters for internal combustion engines usual , respectively.

Da ein erfindungsgemäßer Rotorantrieb nur in seltenen Fällen, zumeist Notfällen, zum Einsatz kommt ist es von hoher Bedeutung, dass er im Normalbetrieb keine Rückwirkung auf den Rotor und dessen Autorotation nimmt. Insbesondere ist eine Verzögerung des Rotors im Normalbetrieb möglichst sicher zu verhindern. Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht daher darin, dass die Kopplung des Antriebes über eine Freilaufkupplung erfolgt, die im Fall von Rotordrehzahlen oberhalb der Vorgabedrehzahl durch den erfindungsgemäßen Antrieb frei läuft und nur Kraft auf den Rotor überträgt, sofern die Rotordrehzahl die durch den Antrieb vorgegebene Drehzahl unterschreitet. Damit kann sichergestellt werden, dass eine verzögernde Rückwirkung auf den Rotor durch die Erfindung verhindert wird.Since a rotor drive according to the invention is used only in rare cases, usually emergencies, it is of great importance that in normal operation it has no effect on the rotor and its autorotation. In particular, a delay of the rotor during normal operation is to be prevented as surely as possible. An advantageous embodiment of the invention therefore consists in that the coupling of the drive via a one-way clutch, which runs freely in the case of rotor speeds above the preset speed by the drive according to the invention and only transmits power to the rotor, if the rotor speed, the predetermined by the drive speed below. This can ensure that a delaying reaction to the rotor is prevented by the invention.

Durch die Abstützung der in den Rotor geleiteten Kraft oder des in den Rotor geleiteten Drehmomentes tritt grundsätzlich eine Drehbeschleunigung des Rumpfes auf, wie sie auch bei Hubschraubern vorliegt und dort die Erzeugung einer Gegenkraft erfordert, welche üblicherweise in Form eines Heckrotors realisiert wird. Da der erfindungsgemäße Rotorantrieb nicht im Regelbetrieb, sondern nur kurzzeitig zur Aktivierung kommt, ist die aktive Erzeugung einer Gegenkraft, beispielsweise durch einen Heckrotor wie beim Hubschrauber, möglich, jedoch im Regelfall nicht erforderlich. Dies resultiert auch aus der Situation, dass den Rotor abbremsende Kräfte in Form negativer Anströmung des Rotors typischerweise nicht beim Flug mit geringen horizontalen Geschwindigkeiten, sondern als Folge ungünstiger Rotoranstellung bei schneller horizontaler Relativbewegung gegenüber der Luft, beispielsweise beim Kippen des Rotors nach vorne im Vorwärtsflug, durch Schiebeflug oder durch Einwirkung von Böen entstehen und in diesem Fall – sofern erforderlich – die stabilisierende Wirkung des Leitwerks (6) hinreicht, um eine relevante Rotation des Rumpfes zu verhindern.By supporting the force guided in the rotor or the torque conducted into the rotor, in principle, a rotational acceleration of the fuselage occurs, as is also the case with helicopters, where it requires the generation of an opposing force, which is usually realized in the form of a tail rotor. Since the rotor drive according to the invention does not come in normal operation, but only briefly for activation, the active generation of a counter force, for example by a tail rotor as in helicopters, possible, but usually not required. This also results from the situation that the rotor braking forces in the form of negative flow of the rotor typically not in flight at low horizontal speeds, but as a result of unfavorable rotor employment with rapid horizontal relative movement relative to the air, for example, when tilting the rotor forward in forward flight, caused by skidding or the effect of gusts and in this case - if necessary - the stabilizing effect of the tail ( 6 ) is sufficient to prevent relevant rotation of the hull.

Zu Antriebsverfahren, die keine Rückwirkung auf den Rumpf erzeugen, gehören beispielsweise Rückstoßantriebe, die z. B. in Form eines Blattspitzenantriebes (7) mittels durch Düsen austretender Gase oder Flüssigkeiten realisiert sein können. Die Erzeugung des Massenstromes kann beispielsweise durch einen im Rumpf mitgeführten Druckerzeuger oder einen Druckspeicher, dessen Medium durch Kanäle in den Rotorblättern nach außen geleitet wird und im Außenbereich des Rotors durch im Drehsinn des Rotors nach hinten offene Düsen ausströmt oder durch Raketen, vorzugsweise Festbrennstoffraketen am äußeren Ende der Rotorblätter realisiert werden. Wenngleich nur einmal nutzbar erscheinen Raketen aufgrund einfacher Konstruktion und niedrigen Gewichtes sowie geringer geforderter Brenndauer als vorteilhafte Implementierung der Erfindung.To drive methods that produce no retroactive effect on the hull include, for example, recoil drives, the z. B. in the form of a blade tip drive ( 7 ) can be realized by means of gases or liquids exiting through nozzles. The generation of the mass flow, for example, by a entrained in the fuselage pressure generator or an accumulator, the medium is passed through channels in the rotor blades to the outside and in the outer region of the rotor by rotating in the direction of rotation of the rotor nozzles or by missiles, preferably solid fuel rockets on the outside End of the rotor blades can be realized. Although usable only once, rockets appear to be an advantageous implementation of the invention because of their simple construction and low weight, as well as lower required burning time.

Charakteristisch für die Erfindung und somit die Auslegung beider Verfahren ist, dass der zusätzliche Antrieb des Rotors nur in außergewöhnlichen und kurzfristig auftretenden Situationen erforderlich wird.Characteristic of the invention and thus the interpretation of both methods is that the additional drive of the rotor is required only in exceptional and short-term situations.

Passive Einkoppelung eines Antriebes für den RotorPassive coupling of a drive for the rotor

In einer anderen Ausführung der Erfindung läuft ein Antrieb während des Flugbetriebes mit einer Drehzahl permanent mit, die einer Rotordrehzahl in Höhe der Mindestdrehzahl entspricht. Dieser Antrieb ist jedoch durch eine Freilaufkupplung vom Rotor entkoppelt, die bei einer Rotordrehzahl oberhalb der kritischen Mindestdrehzahl entkoppelt und somit eine Kraftübertragung auf den Rotor verhindert, bei Unterschreiten der kritischen Mindestdrehzahl jedoch – beispielsweise durch einen Mitnehmermechanismus – einkoppelt und die Kraftübertragung, auch in Form von Momentenübertragung, auf den Rotor aktiviert. Dies kann beispielsweise durch die Charakteristik eines Freilaufes in der Art, wie er bei Fahrrädern zum Einsatz kommt, erreicht werden.In another embodiment of the invention, a drive runs during flight with a speed permanently with, which corresponds to a rotor speed equal to the minimum speed. However, this drive is decoupled by an overrunning clutch from the rotor, which decouples at a rotor speed above the critical minimum speed and thus prevents power transmission to the rotor, falls below the critical minimum speed - for example, by a driver mechanism - coupled and the power transmission, in the form of Torque transmission, activated on the rotor. This can be achieved for example by the characteristic of a freewheel in the way it is used in bicycles.

Verbreitet eingesetzt werden bei Tragschraubern Vorrichtungen zur Vorrotation des Rotors, die jedoch nach Erreichen der Vorrotationsdrehzahl noch vor Beginn des Fluges deaktiviert werden und während des Fluges inaktiv sind. Daher können durch die Vorrotationsvorrichtungen nach dem Stand der Technik die Ziele der Erfindung nicht erfüllt werden. Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht jedoch darin, dass entweder der erfindungsgemäße Antrieb auch zur Vorrotation genutzt werden kann oder darin, dass die Vorrotationsvorrichtung derart modifiziert wird, dass sie die Funktionen des erfindungsgemäßen Antriebs zusätzlich erfüllen kann.Used in gyroplanes devices for pre-rotation of the rotor, which are deactivated after reaching the Vorrotationsdrehzahl before the start of the flight and are inactive during the flight are widely used. Therefore, the pre-rotation devices of the prior art can not fulfill the objectives of the invention. An advantageous embodiment of the invention, however, is that either the drive according to the invention can also be used for pre-rotation or in that the pre-rotation device is modified in such a way that it can additionally fulfill the functions of the drive according to the invention.

Durch die Erfindung werden die Charakteristik und das vorteilhafte Flugverhalten eines Tragschraubers in allen im zulässigen Normalbetrieb auftretenden Zuständen unverändert beibehalten. Lediglich in außergewöhnlichen Flugzuständen, die üblicherweise zum Kontrollverlust über das Fluggerät mit der Folge eines Absturzes – häufig mit Todesfolge – führen würden, wird die Flugeigenschaft durch Erhalt oder Wiederherstellung eines stabilen Flugzustandes verbessert.By the invention, the characteristic and the advantageous flight behavior of a gyrocopter are maintained unchanged in all states occurring in permissible normal operation. Only in exceptional flight conditions, which would normally lead to loss of control of the aircraft with the consequence of a crash - often fatal - the flight characteristic is improved by maintaining or restoring a stable flight condition.

Claims

Device and method for increasing the flight stability and flight safety of gyroplanes, characterized in that the main rotor in autorotation main rotor falls below a minimum speed in flight active, this includes all drive forms except the drive by incoming air, is driven and thus unstable flight conditions, the caused by too low a speed of the rotor or by rotor standstill prevented.

Device and method according to claim 1, characterized in that falls below the minimum speed, a rotor drive is activated and that as the basis for the activation, the rotor speed - for example, by a sensor or a centrifugal force-dependent mechanism - is detected.

Device and method according to claims 1-2, characterized in that the rotor drive used to maintain the rotor speed with its reaction force or with its reaction torque on the hull of the gyroplane, that is supported on any non-rotating with the rotor component of the gyroscope.

Device and method according to claims 1-3, characterized in that on the hull, which means at any non-rotatable with the rotor component of the gyrocopter, fixed motor, preferably in the form of an electric motor, hydraulic motor, or pneumatic motor, falls below the minimum speed of Rotor is activated and, for example via a gear pair, a friction clutch or a belt drive, the rotor drives.

Device and method according to claim 1, characterized in that the drive runs permanently, for example in the form of a power take-off of the main drive unit, however, the rotor can take a freewheel clutch through a higher speed than the predetermined by the drive minimum speed and thus in normal operation of the gyrocopter of the invention Drive no driving force and no drive torque introduces into the rotor.

Device and method according to claims 1-5, characterized in that the generated during driving of the rotor, the gyroscope retroactive torque to prevent rotation of the hull is compensated by a counter force, which preferably by deflection of the tail air inflowing or by active acceleration an air flow is generated with one or more propellers, for example, with the tail associated propeller, as known from helicopters with tail rotor.

Device and method according to claims 1-2, characterized in that the rotor driving force or the moment driving the rotor is generated by a relative to the hull reaction-free drive.

Apparatus and method according to claim 7, characterized in that the drive by a recoil drive in the form of fluid arranged on the rotor outlets, in particular in the realization as rockets, is generated.

Device and method according to claims 1-8, characterized in that the required for maintaining the invention a minimum speed of the rotor drive is also used for pre-rotation of the rotor before the start of flight.