DE10201509A1

DE10201509A1 - Luftfahrzeug, insbesondere zum Lastentransport

Info

Publication number: DE10201509A1
Application number: DE10201509A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Folger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-07-31
Also published as: WO2003059737A1

Abstract

Es wird ein Luftfahrzeug, insbesondere für den Lastentransport, vorzugsweise ein Hubschrauber beschrieben. DOLLAR A Zur Erhöhung der Traglast wird dieser mit einer zusätzlichen, einen Auftrieb erzeugenden, Luftschraube versehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Unter dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnten Luftfahrzeug sollen vorzugsweise Luftfahrzeuge mit wenigstens einer Luftschraube zur Erzeugung eines Auftriebs und Mitteln zum Vortrieb, insbesondere Hubschrauber und zwar aller Typen und Größen fallen, jedoch auch Luftschiffe und andere Luftfahrzeuge leichter als Luft.
Ein gegebener Hubschrauber kann eine ihm vorgegebene maximale Last transportieren. Sind die zu transportierenden Lasten größer, so muss man hierzu einen Hubschrauber mit größerer Nutzlast einsetzen. Ein solcher Hubschrauber ist teurer in der Anschaffung je Betriebsstunde und was die Versicherungskosten anbelangt. Darüber hinaus verschlechtert sich das Verhältnis dieser Kosten zur Nutzlast immer weiter, je größer das Hubschraubermodell ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nutzlast eines gegebenen Luftfahrzeugs, also z. B. Hubschraubers auf preiswerte Weise zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die folgende Beschreibung ist auf das Hauptbeispiel "Hubschrauber" ausgerichtet. In der folgenden Beschreibung wird die Anordnung zur Erzeugung des Zusatzauftriebs der Einfachheit halber LOBSTER genannt, abgeleitet vom englischen Begriff "Lift On a Budget", Auftrieb für wenig Geld.
Bei dem Lobster handelt es sich somit um ein Gerät zur preiswerten Steigerung der Nutzlast, z. B. bei Hubschraubern, insbesondere bei Flügen mit Außenlast.
In der Regel wird der Lobster als eine am Lasthaken des Hubschraubers angehängte, im Notfall abwerfbare Zusatzeinrichtung betrieben, welche beispielsweise durch besondere, einen Formschluss herstellende Anlegeelemente an Relativbewegungen gegenüber dem Hubschrauber gehindert ist.
Bei Neukonstruktion oder Änderung von Hubschraubern kann ein Lobster jedoch auch als integraler Bestandteil vorgesehen werden.
Ein Lobster ist grundsätzlich für alle Typen und Größen von Hubschraubern geeignet. Bei Hubschraubern mit Rotorsystemen, welche das entstehende Drehmoment ausgleichen (z. B. Koaxial-Rotor), bzw. nicht entstehen lassen (Rotor mit Reaktionsantrieb) wird man vorzugsweise den Lobster entsprechend auslegen, um in diesen Fällen die Notwendigkeit eines Heckrotors zu vermeiden.
Ein Lobster erzeugt einen zusätzlichen Auftrieb, welcher gleichgerichtet mit dem vom Hauptrotor des Hubschraubers erzeugten Auftrieb wirkt. Der Auftrieb wird durch einen eigenen Antrieb, z. B. einem Kolbenmotor, einer Wellenturbine, oder einem von Brennstoffzellen angetriebenen Elektromotor erzeugt, welcher auf eine oder mehrere Luftschrauben, z. B. Rotoren, Propeller oder Mantelstrom-Luftschrauben wirkt.
Bei Verwendung einer einzigen Luftschraube wird vorzugsweise der Drehsinn dem des Rotors des Hubschraubers entgegengesetzt sein, und das Lastenseil wird vorzugsweise an der stehenden Achse der zusätzlichen Luftschraube angehängt.
Die Steuerung der Größe des Zusatzauftriebs erfolgt vorzugsweise nach einem vorher gewählten Profil stufenlos zwischen den beiden entgegengesetzten Grenzwerten, nämlich "maximale Nutzlast" und "keine Nutzlast" und kann manuell durch den Piloten überlagert werden. Die Informationsquelle für die automatische Steuerung des Zusatzauftriebs kann die durch die Nutzlast verursachte Zugspannung am Lastenseil sein. Diese Zugspannung wirkt entweder direkt mechanisch oder über geeignete Sensoren und Stelleinrichtungen auf den Antrieb zum Zwecke der entsprechenden Drehzahländerung und damit Auftriebsänderung bei Luftschrauben mit festem Einstellwinkel oder auf den Mechanismus zur Einstellwinkeländerung und damit Auftriebsänderung bei Luftschrauben mit variablem Einstellwinkel ein. Es handelt sich hierbei also um eine lastabhängige Steuerung des Zusatzauftriebs.
Im Unterschied dazu kann die Größe des Zusatzauftriebs auch über die Stellung des Hebels für die kollektive Blattverstellung des Hubschraubers gesteuert werden. Dies ist dann eine wegabhängige Steuerung des Zusatzauftriebs.
Die Steuerung der Richtung des Zusatzauftriebs im Sinne der erforderlichen Gleichrichtung mit dem durch den Hauptrotor des Hubschraubers erzeugten Auftrieb erfolgt bei einer zusätzlichen Luftschraube dadurch, dass die Achse der Luftschraube des Lobster eine gedachte Verlängerung der Achse des Hauptrotors des Hubschraubers nach unten darstellt, welche zu keiner Relativbewegung gegenüber der Achse des Hauptrotors des Hubschraubers fähig ist.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und zwar mit einem Lobster in der Version mit einer einzigen Luftschraube näher erläutert.
Fig. 1 zeigt dieses Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 zeigt Lastverläufe.
In Fig. 1 ist ein Hubschrauber 1 schematisch dargestellt mit seinem Rotor 1a, seinen Kufen 1b, seinem Heckrotor 1c und seinem in der Verlängerung der Rotorachse 1d befestigten Lasthaken 1e.
Am Hubschrauber 1 ist ein Lobster 2 befestigt, dessen Gestell einerseits durch Seile 2a am Lasthaken 1e angehängt ist und durch, an ihren Enden die Kufen 1b umgreifende, u-förmige Anlegeelemente 2b gegen Relativbewegungen zum Hubschrauber 1 gesichert sind. Im Notfall kann durch Lösung des Lasthakens 1e der Lobster abgeworfen werden.
Am Gestell ist ein Antriebsmotor 2c mit einer Fliehkraftkupplung und eine Antriebswelle 2d für eine zusätzliche Luftschraube 2e befestigt. Die Antriebswelle 2d besteht aus drei ineinander gelagerten Rohren, von denen das Zwischenrohr drehbar gelagert ist und als eigentliche Antriebswelle für den Rotor 2e dient, während die anderen Rohre zur Aufhängung, bzw. Befestigung am Gestell dienen. Kann der Motor auf Grund seiner Drehrichtung mit der Antriebswelle nach unten angeordnet werden, so wird nur eine stehende Achse und eine als Luftschraubennabe dienende kugelgelagerte Hülse benötigt.
Der Motor 2c treibt über einen Riemenantrieb 2f die Antriebswelle und damit die Luftschraube 2e mit z. B. zwei Blättern an, wobei die Größe der Riemenräder das Geschwindigkeitsverhältnis bestimmt.
Die Steuerung des Auftriebs des Lobsters wurde bereits oben beschrieben. Es ist natürlich auch denkbar, dass der Pilot den Auftrieb des Lobster manuell steuert, bzw. dass der Pilot bei der oben geschilderten automatischen Steuerung des Auftriebs zusätzlich eine manuelle Steuerung des Lobster-Auftriebs überlagert. Die Drehzahl des Lobster-Motors 2b und/oder die Einstellung der Lobster-Luftschraubenblätter muss vom Hubschrauber aus manuell oder automatisch möglich sein, wozu zwischen Hubschrauber und Lobster entsprechende Steuerungsverbindungen vorhanden sind.
Im Folgenden wird als Beispiel das Arbeiten mit dem, mit einem Lobster ausgerüsteten Hubschrauber bei Streueinsatz in der Waldkalkung erläutert.
Der Lobster liegt zu Beginn in der Halterung, welche Teil der sogenannten Landehilfe ist. Die Landehilfe (im wesentlichen vier Stützen mit Aufnahmen für die Kufen 1b) erhöht die Bodenfreiheit des Hubschraubers und erlaubt die Landung oberhalb des Lobster dergestalt, dass die entsprechenden Teile des Kufengestelles des Hubschraubers von oben formschlüssig in den Anlegeelementen von Lobster auflagern. Nun wird die Aufhängeöse des Lobster in den Lasthaken eingehängt. Eine Relativbewegung zwischen Hubschrauber und Lobster ist jetzt nicht mehr möglich; der Lobster kann jedoch jederzeit abgeworfen werden. Es ist auch möglich, den Lobster 2 mittels des Seils am Lasthaken 1e an den Hubschrauber 1 heranzuziehen, wobei erst dann die Anlegeelemente wirksam werden. Hierzu kann eine am Lobster angebaute elektrische Winde dienen, die mit mehreren Metern Seil das Ablegen des Lobster und die Landung des Hubschraubers daneben auch ohne Landehilfe erlaubt.
Nun werden die elektrischen Verbindungen zum Lobster mittels einer Trennkupplung hergestellt. Elektrische und/oder hydraulische Leitungen für das nicht dargestellte, untergehängte Streugerät weisen ebenfalls Trennkupplungen auf, so dass auch dieses abwerfbar ist. Diese Leitungen werden durch die stehende "hohle Achse" 2d des Lobster geführt. Das Lastenseil des vor der Landehilfe stehenden Streugerätes wird in den Lasthaken des Liftlinks (Bindeglieds) von Lobster eingehängt.
Nun startet der Pilot den Lobster. Der Motor läuft nun im Leerlauf unter der Einkuppeldrehzahl der Fliehkraftkupplung 2c. Nach dem Abheben des Gesamtsystems wird über eine Befehlstaste die Rotorbremse des Lobster freigegeben und die Drehzahl auf Bereitschaftsdrehzahl gefahren, wodurch zugleich Kraftschluss über die Fliehkraftkupplung hergestellt wird, aber praktisch noch kein Auftrieb erzeugt wird. Das System Hubschrauber/Lobster/Steuergerät ist nun einsatzbereit.
Zu Beginn eines Streuzyklus wird das am Boden stehende Streugerät beladen während der Hubschrauber mit dem Lobster darüber schwebt. Der Lobster arbeitet in Bereitschaftsdrehzahl. Beim Anheben gerät das Lastenseil unter Zugspannung. Bis zu einer voreingestellten Zugspannung (z. B. 100 kg = Grenzlast) geschieht nichts. Ab dann erhöht sich die Drehzahl und damit der Auftrieb des Lobster in Abhängigkeit von der Zugspannung des Seiles und eines Programms, welches jeder gegebenen Zugspannung eine bestimmte Größe des Lobster-Auftriebes zuordnet. Dies wird anhand der Fig. 2 näher erläutert.
Die Fig. 2 zeigt in Abhängigkeit von der Last am Lasthaken des Lobster die vom Lobster 2 (untere Kurve) und die vom Hubschrauber 1 selbst (mittlere Kurve) getragene Teilnutzlast und die vom Gesamtsystem getragene Nutzlast (obere Kurve).
Die gewählte Charakteristik, nach welcher der Lobster seinen Anteil einbringt, stellt sicher, dass das Gefühl des Piloten für die Zunahme/Abnahme der Last erhalten bleibt.
Während im Beispiel der Anteil des Auftriebs des Hubschraubers 1 linear bis zum Maximum von 600 kg ansteigt, steigt der Anteil des Auftriebs des Lobster 2 nach Erreichen des Grenzwertes (100 kg) in einer zunächst flachen, dann steiler werdenden Kurve progressiv an, um dann zugleich mit dem Hubschrauber sein Maximum von 300 kg zu erreichen.
Am Seil hängt nun eine Last von 900 kg. Das Gesamtsystem hebt ab und fliegt zum Streugebiet.
Durch den Streuvorgang verringert sich das Gewicht am Seil, und entsprechend auch die Schubanteile von Hubschrauber und Lobster. Bei Erreichen des Grenzwertes geht der Lobster auf die Bereitschaftsdrehzahl zurück, der Pilot fliegt zum Beladepunkt und der Zyklus des Streuens beginnt von Neuem.
Zur Betankung, bzw. bei Einsatzunterbrechung wird über eine Befehlstaste die Leerlaufdrehzahl eingestellt, dadurch kuppelt die Fliehkraftkupplung aus, und die Luftschraube wird abgebremst und in Längsstellung gehalten. Nun kann auf der Landehilfe gelandet werden, ohne den Lobster abnehmen zu müssen.
Bei Flügen zur Waldkalkung werden vorzugsweise Ladepunkte oberhalb der zu streuenden Flächen eingerichtet. Der Pilot kann nun nach dem Ende eines Streuvorganges über einen federbelasteten Schieberegler manuell den Befehl an den Lobster 2 geben, Auftrieb zu erzeugen, um die Steigrate beim Rückflug zum Ladepunkt zu erhöhen.
Dies gilt auch für Flüge zur Stammholzbringung. Hier erfolgt der Flug mit Last nach dem Herausheben aus dem Waldbestand fast immer von oben nach unten, gefolgt von einem Rückflug, bei welchem häufig große Höhenunterschiede bewältigt werden müssen.
Wird der Drehsinn der Luftschraube 2e des Lobster entgegengesetzt dem des Hubschrauberrotors 1a gewählt, vermindert sich die erforderliche Heckrotorleistung unter Last um den prozentualen Betrag, welcher dem Schubanteil entspricht, welchen der Lobster im Gesamtsystem beisteuert.
Im Notfall kann die am Lobster über dessen Lastenseil angehängte Last mittels des zum Liftlink gehörenden Lasthakens abgeworfen werden. Der Lobster selbst ist über den Lasthaken des Hubschraubers abwerfbar.
Es folgt eine Betrachtung des wirtschaftlichen Nutzens eines Lobsters am Beispiel Waldkalkung.
Der Kaufpreis pro kg Nutzlast (Payload), sowie die Betriebsstundenkosten sind bei Verwendung eines Lobster um Größenordnungen geringer als dies bei Hubschraubern ohne Lobster der Fall ist. Dies zeigt folgendes Kalkulationsbeispiel.
Die durchschnittliche Rotationszeit (vom Abheben bis Abheben) beträgt ca. 1,5 min, was 40 Streuflüge pro Stunde bedeutet. Ein 100 PS Lobster entwickelt einen Netto- Auftrieb von ca. 0,40 to. Es werden in der Stunde 40 × 0,40 to = 16 to mehr transportiert. Bei einem Arbeitshubschrauber vom Typ HILLER UH-E/T handelt es sich um eine relativ kleine Maschine mit überaus günstigen Kosten/Nutzlast-Verhältnis. Die Netto-Zuladung an Kalk beträgt ohne Lobster 0,5 to und resultiert in einer Stundenleistung von 20,0 to. Mit dem zu dieser Größenordnung passenden Lobster mit 100PS erhöht sich die Payload auf 0,9 to und die Stundenleistung auf 36,0 to, also um 16,0 to oder 80%. Die Erhöhung der Ausbringleistung um 80% geht einher mit einer Erhöhung des Verbrauches an Treibstoff von nur 20%, da der Hubschrauber ca. 1001 Treibstoff pro h und der Lobster mit 100PS ca. 20 l Treibstoff pro h benötigt. Ohne Lobster fallen somit 5,0 l Treibstoff pro Tonne Kalk an, während mit Lobster nur 3,33 l Treibstoff pro Tonne Kalk (-33,4%) anfallen.
Im Arbeitsflug versteht man unter der Payload die Nutzlast des Hubschraubers (Nutzlast = Max. Abfluggewicht-Leergewicht) abzgl. des Gewichtes der Besatzung und des Treibstoffes. Hubschrauber, welche eine Payload von etwa 1,0 to tragen sollen, müssen also über eine Nutzlast von wenigstens 1,2 to verfügen. Ein solcher Hubschrauber kostet etwa 2,0 Mio. DM (1 022 583,76 ≙). Das durch einen Hubschrauber gekaufte Kilo Payload kostet also in diesem Fall 2000 DM (1022,58 ≙).
In Serie hergestellt würden sich die Herstellungskosten für einen Lobster mit einer Payload von 400 kg auf etwa DM 50.000 belaufen (25564,59 ≙). Bei einem Verkaufspeis von etwa 100,000 DM (51 129,19 ≙) kostet ein Kilo Payload also 250 DM (127,82 ≙).
Noch deutlicher fällt der Vergleich hinsichtlich der Unterhaltskosten zugunsten des Lobster aus.
Bei der Auslastung, welche im wichtigen Teilbereich Waldkalkung vorliegt, hätte sich ein Lobster schon innerhalb einer kurzen Zeit amortisiert.

Claims

1. Luftfahrzeug (1), insbesondere zum Lastentransport mit Mitteln zur Erzeugung eines Auftriebs, insbesondere Hubschrauber, dadurch gekennzeichnet, dass es mit wenigstens einer zusätzlichen Luftschraube (2e) zur Erzeugung eines Zusatzschubs (Auftriebs) versehen ist.

2. Luftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Luftschraube (2e) an einem Gestell angebracht ist, das mit dem Luftfahrzeug (1) verbunden ist, derart, dass Relativbewegungen des Gestells gegenüber dem Luftfahrzeug (1) verhindert werden.

3. Luftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell am Lasthaken (1e) des Luftfahrzeugs (1) aufgehängt ist und durch Anlegeelemente (2b) an Relativbewegungen zum Luftfahrzeug (1) gehindert ist.

4. Luftfahrzeug nach Anspruch 3 mit Aufsetzkufen (1b), dadurch gekennzeichnet, dass die Anlegeelemente (2b) die Kufen (1b) umgreifende Vorrichtungen sind, die ein Abwerfen des Gestells durch Lösen vom Lasthaken (1e) erlauben.

5. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zusätzliche Luftschraube (2e) einen eigenen Antrieb (2c, 2f) beliebiger Art aufweist.

6. Luftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Antrieb (2c, 2f) und Luftschraube eine Fliehkraftkupplung vorgesehen ist.

7. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Mitteln zum Ausgleich oder zur Verhinderung eines Drehmoments durch seine Luftschraube(n) (2e) die zusätzliche(n) Luftschraube(n) (2e) entsprechende Mittel zum Ausgleich oder zur Verhinderung aufweisen.

8. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit nur einer Luftschraube (1a) zur Erzeugung des Auftriebs, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsinn der wenigstens einer zusätzlichen Luftschraube (2e) entgegengesetzt zum Drehsinn der Luftschraube (1a) des Luftfahrzeugs (1) ist.

9. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu transportierende Last am Gestell, vorzugsweise an der stehenden Achse (2d) der zusätzlichen Luftschraube (2e) befestigt, insbesondere angehängt ist.

10. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Auftriebs der zusätzlichen Luftschraube(n) (2e) von der vom Luftfahrzeug (1) mit zu führenden Last abhängig ist.

11. Luftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Last durch die Zugspannung des Seils bestimmt ist, an der die Nutzlast hängt.

12. Luftfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugspannung durch Sensoren gemessen und das Messergebnis durch entsprechende Geber in ein Steuersignal umgewandelt wird.

13. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Auftriebs der zusätzlichen Luftschraube(n) (2e) von der durch den Piloten des Luftfahrzeugs (1) vorgenommenen lastabhängigen Verstellung des Hebels für die Verstellung der Blätter der Luftschraube (18) des Luftfahrzeugs abhängig ist.

14. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Auftriebs der zusätzlichen Luftschraube(n) (2e) durch Drehzahländerung und/oder durch Verstellung des Einstellwinkels ihrer Luftschraubenblätter vorgenommen wird.

15. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftrieb der zusätzlichen Luftschraube (2e) mittels einer vorgegebenen Abhängigkeit von der zu transportierenden Nutzlast gesteuert wird, derart, dass der Auftrieb der zusätzlichen Luftschraube(n) (2e) erst ab einem vorgegebnen Grenzwert einsetzt und bis zu seiner Leistungsgrenze ansteigt (Fig. 2).

16. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anbringung der zusätzlichen Luftschraube(n) (2e) am Luftfahrzeug (1) mittels eines unten am Luftfahrzeug angebrachten Gestells eine Landevorrichtung am Boden oder ausfahrbar am Luftfahrzeug oder Gestell vorgesehen ist.