DE102015120046B4

DE102015120046B4 - Fahrzeug mit Kombinationsantrieb

Info

Publication number: DE102015120046B4
Application number: DE102015120046.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus Riedhammer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: DE102015120046A1

Abstract

Fahrzeug (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- das Fahrzeug (10) weist heckseitig einklappbare Rotoren (11, 12) auf und- das Fahrzeug (10) weist frontseitig schwenkbare Raketentriebwerke (13, 14) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug.
Ein auch als Schwebeplattform bezeichneter Quadrokopter, Quadrocopter, Quadricopter oder Quadrotor ist ein Luftfahrzeug, das vier in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren benutzt, um Auftrieb zu erzeugen. Er wird in der Luftfahrttechnik gemeinhin der Gattung der Hubschrauber zugeordnet und kann als solcher in der Regel senkrecht starten und landen (vertical takeoff and landing, VTOL).
Bekannt sind ferner Kombinationsantriebe, welche herkömmliche Rotoren oder Luftschrauben mit Rückstoßantrieben verbinden. Als Rückstoßantrieb wird in der Antriebstechnik wie auch im vorliegenden Zusammenhang jedweder Antrieb bezeichnet, der seine Antriebskraft in Form von Schub durch Ausstoßen von Stützmasse entgegen der vorgesehenen Antriebsrichtung erzeugt. Neben sogenannten luftatmenden Strahltriebwerken umfasst der Stand der Technik auf diesem Gebiet insbesondere Raketentriebwerke. Da ein gattungsmäßiges Raketentriebwerk nicht auf angesaugte Luft angewiesen ist, arbeitet es im Wesentlichen unabhängig von der Außenatmosphäre.
EP 0 388 613 A1 offenbart einen Kombinationsantrieb für Hyperschallflug mit einem außenluftunabhängigen Raketentriebwerk und einem Turboluftstrahltriebwerk, dessen Verdichter von einer außenluftunabhängigen Turbine angetrieben wird, sowie ggf. mit einem Staustrahltriebwerk, welches hinsichtlich des Strömungskanales mit dem Turboluftstrahltriebwerk identisch ist. Am Raketentriebwerk ist ein Gasgenerator mit zwei Verschlusseinrichtungen angeordnet, welche wahlweise eine Verbindung zur Raketenbrennkammer oder zur Turbinengruppe des Turboluftstrahltriebwerkes herstellen. Die Turbinengruppe und die Verdichter-Gruppe bestehen aus mehreren gegenläufigen Laufrädern ohne zwischengeschaltete Leiträder; jedes Turbinenlaufrad bildet mit je einem Verdichter-Laufrad einen freilaufenden Rotor, wobei die Turbinenschaufeln radial innerhalb oder außerhalb der Verdichter-Schaufeln angeordnet sind. Der Austrittskanal der Turbinengruppe ist zur Brennkammer hin als Vorrichtung zum Vermischen der Turbinentreibgase mit der Außenluft ausgeführt.
Aus der US 5,141,173 A ist ein Fahrzeug mit einem heckseitig verbauten Fan oder Propeller bekannt. Auf jeder Seite des Fahrzeugs sind jeweils zwei weitere By-Pass Triebwerke, zur vertikalen Höhenüberwindung, im Chassis verbaut.
Die US 2010/0051753 A1 beschreibt ein Fahrzeug, welches über heckseitig angebrachte Propeller verfügt. Ferner sind für den Vertikalflug zusätzlich innenseitig verbaute Propeller vorgesehen.
In der DE 198 40 847 AI wird ein Hybridfahrzeug mit heckseitigem Luftantrieb in Form eines Propellers offenbart. Das Hybridfahrzeug ist mit einem dreispurigen Fahrwerk ausgestattet.
Aus der US 3,486,718 A ist ein Luftkissenfahrzeug beschrieben, wobei das Luftkissenfahrzeug einen Antrieb kombiniert aus einem heckseitig verbauten Rotor und front- und heckseitig angebrachten Raketentriebwerk aufweist.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug bereitzustellen, welches am Land- und Luftverkehr teilnimmt und mittels zwei unabhängigen unterschiedlichen Antrieben eine Fortbewegung in vertikaler als auch horizontaler Richtung ermöglicht.
Die Erfindung stellt ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1 bereit, wobei das Fahrzeug, heckseitig einklappbare Rotoren und frontseitig schwenkbare Raketentriebwerke aufweist.
Ein Vorzug dieses Fahrzeuges liegt in seiner Wendigkeit, die ihm durch eine mögliche Schubvektorsteuerung verliehen wird. Diese Möglichkeit wird durch die erfindungsgemäße Schwenkbarkeit der Raketentriebwerke sowie optional der Rotoren eröffnet. Abhängig vom Freiheitsgrad der Düsen kommt insbesondere eine dreidimensionale Schubvektorsteuerung in Betracht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann das Fahrzeug als zwei- oder mehrspuriges Landfahrzeug mit Fahrgestell, einer von dem Fahrgestell in herkömmlicher Weise getragenen Antriebswelle und einer mit dieser gekuppelten Hinterachse ausgeführt sein. Weisen die Rotoren Elektromotoren auf, so können diese bei geeigneter Konfiguration des Fahrzeuges gemeinsam auf besagte Antriebswelle eingekuppelt werden, wenn die Rotoren einklappen. Für den Fall steigender Verkehrsdichte drohenden Behinderungen des Straßenverkehrs kann so durch ein einfaches Ausklappen der Rotoren begegnet werden, um dem Fahrzeug durch einen Senkrechtstart den Luftraum zu erschließen.
In einer vorteilhaften Variante umfasst das Fahrzeug eine elektrisch mit den Elektromotoren verbundene Brennstoffzelle mitsamt Brennstoffspeicher. Der vorgeschlagene Einsatz einer solchen Zelle verleiht dem Fahrzeug eine - etwa im Vergleich zu einer als Antrieb genutzten Verbrennungs- oder anderweitigen Wärmekraftmaschine - ungleich höhere Effizienz. Die Fahr- und Flugleistung des Fahrzeuges bleibt somit im Wesentlichen lediglich durch die chemische Reaktionsenergie des Brennstoffes beschränkt.
Als Brennstoff in Betracht kommt insbesondere Methanol, das sich bezüglich Volumen und Gewicht als besonders leistungsfähiger Energiespeicher erweist und vorteilhaft über die vorhandene Benzininfrastruktur vertrieben werden kann. Der Brennstoff lässt sich so zudem - in verschiedenen, dem Fachmann vertrauten Nieder- und Mitteldruck-Verfahren - als Synthesegas mit vertretbarem Aufwand aus jedem organischen Material herstellen.
Alternativ kommt eine Wasserstoffzelle in Betracht, die sich gegenüber der vorgenannten Lösung durch die Verzichtbarkeit einer separaten Reformer-Einheit mit aufwändiger Gasreinigungsstufe auszeichnet. Eine derartige Zelle mag beispielsweise von einem Metallhydrid-Speicher gespeist werden. Zwei Vorteile einer solchermaßen verfestigten Form des Wasserstoffs gegenüber der Bevorratung in handelsüblichen Kryo-Tanks liegen in der erzielten Volumenersparnis sowie der eröffneten Möglichkeit, das Brennstoffzellensystem des Fahrzeuges beim Betanken bereits durch die Abwärme der Metallhydrid-Speicher vorzuwärmen.
Das Fahrgestell umfasst dabei vorzugsweise eine auch als Wabenplatte bekannte Sandwichplatte mit Wabenkern, also dreischichtige Verbundkonstruktion in Sandwichbauweise bezeichnet, die aus zwei tragenden Deckhäuten und einem Stützkern (honeycomb) in Wabenform besteht, welcher in platz- und gewichtssparender Weise zugleich als Brennstoffspeicher dienen kann. Da das Gewicht des Fahrzeuges durch diese Verbundbauweise sehr gering ausfällt - umsetzbar erscheint ein Gesamtgewicht bis 800 kg - kann sich bei der Nutzung zweier Heckrotoren so anwendungsabhängig eine elektrische Antriebsleistung von jeweils 100 kW, insgesamt also 200 kW, als hinreichend erweisen.
Das Fahrzeug kann darüber hinaus etwa als Hybridfahrzeug mit einem Traktionsspeicher auf der Basis von Ultra- oder Superkondensatoren (supercapacitors, supercaps) ausgeführt sein, die durch ihre gegenüber Akkumulatoren wesentlich höhere Leistungsdichte eine gerade für den Flugbetrieb vorteilhaft kurze Lade- und Entladezeit ermöglichen.
Ferner kann das Fahrzeug Gasexpansionsturbinen umfassen, welche über weitere Antriebswellen sowie ein - auch als Umlaufrädergetriebe oder Planetenrädergetriebe bezeichnetes - Planetengetriebe mit einer Hinterachse gekuppelt sind. Das Fahrzeug lässt sich in dieser Ausführungsform derart konfigurieren, dass die Raketentriebwerke im Fahrbetrieb auf die Gasexpansionsturbinen gerichtet werden können. Die Nutzung eines Planetengetriebes begünstigt auch hier eine kompakte Bauform des Fahrzeuges, gestattet eine koaxiale Anordnung der Antriebswellen und erlaubt die Übertragung der durch die Raketentriebwerke ausgeübten extremen Drehmomente.
Schließlich lassen sich die zuletzt genannten Antriebswellen - dem festkörperreibungsfreien Prinzip eines Luftlagers entsprechend - aerostatisch oder -dynamisch in dem als Brenngas dienenden Wasserstoff lagern. Eine derartige Ausgestaltung des Fahrzeuges verleiht diesem im ungestörten Betrieb eine hohe Lebensdauer und verringert die Gefahr eines nennenswerten Verlustes an Führungsgenauigkeit oder Ausfall des Lagers.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.
Die Figur illustriert verschiedene konstruktive Grundmerkmale des vorgeschlagenen Fahrzeuges (10). Dieses weist in der vorliegenden Variante als zweispuriges Landfahrzeug neben einem herkömmlichen Fahrgestell (17) für den Fahrbetrieb zwei heckseitig schwenk- und einklappbare Rotoren (11, 12) sowie entsprechende frontseitige Wasserstoff-Raketentriebwerke (13, 14) für einen möglichen Flugbetrieb auf. Die in letzterem Betriebszustand drehstarr zum Antrieb der Rotoren (11, 12) genutzten Hochleistungselektromotoren lassen sich hierzu durch Einklappen der Rotoren (11, 12) gemeinsam auf eine Antriebswelle einkuppeln, welche das von ihnen ausgeübte Drehmoment mechanisch auf die konventionelle Hinterachse (15) des Fahrzeuges (10) überträgt.
Als Energielieferant zumindest der Elektromotoren dient dabei eine Wasserstoff- oder Methanol-Brennstoffzelle, welche - elektrisch durch Superkondensatoren gepuffert - aus einem als Metallhydrid-Speicher dienenden Wabenkern des Fahrzeuggestells gespeist wird.
Frontseitig umfasst das Fahrzeug (10) Gasexpansionsturbinen, die über ein Planetengetriebe mit weiteren, vorzugsweise gasgelagerten Antriebswellen mit der Vorderachse (16) des Fahrzeuges (10) gekuppelt sind. Zum Übergang in den Fahrbetrieb können die Raketentriebwerke (13, 14) in Richtung dieser Gasexpansionsturbinen geschwenkt werden, um über den beschriebenen Antriebsstrang ein Drehmoment auf die Vorderachse (16) des somit allradangetriebenen Fahrzeuges (10) auszuüben.

Claims

Fahrzeug (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Fahrzeug (10) weist heckseitig einklappbare Rotoren (11, 12) auf und - das Fahrzeug (10) weist frontseitig schwenkbare Raketentriebwerke (13, 14) auf.
Fahrzeug (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Fahrzeug (10) ist ein mindestens zweispuriges Landfahrzeug, - das Fahrzeug (10) umfasst ein Fahrgestell (17), eine von dem Fahrgestell (17) getragene erste Antriebswelle und eine mit der ersten Antriebswelle gekuppelte erste, insbesondere hintere Antriebsachse (15), - die Rotoren (11, 12) weisen Elektromotoren auf und - das Fahrzeug (10) ist derart konfiguriert, dass die Elektromotoren gemeinsam auf die erste Antriebswelle eingekuppelt werden, wenn die Rotoren (11, 12) einklappen.
Fahrzeug (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Fahrzeug (10) umfasst eine elektrisch mit den Elektromotoren verbundene Brennstoffzelle und - das Fahrzeug (10) umfasst einen fluidisch mit der Brennstoffzelle verbundenen Brennstoffspeicher.
Fahrzeug (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Brennstoffzelle ist eine Methanol-Brennstoffzelle und - der Brennstoffspeicher ist ein Methanol-Tank oder ein Wasserstoff-Feststoffspeicher.
Fahrzeug (10) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Brennstoffzelle ist eine Wasserstoffzelle und - der Brennstoffspeicher ist ein Wasserstoffspeicher, insbesondere ein Metallhydrid-Speicher.
Fahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Fahrgestell (17) umfasst eine Wabenplatte und - die Wabenplatte umfasst den Brennstoffspeicher.
Fahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Fahrzeug (10) umfasst eine Traktionsbatterie, insbesondere einen Superkondensator, und - die Traktionsbatterie ist einerseits mit der Brennstoffzelle und andererseits mit den Elektromotoren verbunden.
Fahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Fahrzeug (10) umfasst Gasexpansionsturbinen, von dem Fahrgestell (17) getragene zweite Antriebswellen und eine zweite, insbesondere vordere Antriebsachse (16), - die zweiten Antriebswellen sind einerseits mit den Gasexpansionsturbinen und andererseits mit der zweiten Antriebsachse (16) gekuppelt und - das Fahrzeug (10) ist derart konfiguriert, dass die Raketentriebwerke (13, 14) auf die Gasexpansionsturbinen gerichtet werden können.
Fahrzeug (10) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Fahrzeug (10) umfasst ein Planetengetriebe und - das Planetengetriebe kuppelt die zweiten Antriebswellen mit den Gasexpansionsturbinen.
Fahrzeug (10) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - die zweiten Antriebswellen sind aerostatisch gelagert oder - die zweiten Antriebswellen sind aerodynamisch gelagert.