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Die Erfindung betrifft einen Multicopter, also ein Luftfahrzeug für vertikale Starts und Landungen, dessen Propellertriebwerke vertikalen Schub erzeugen. Es ist bekannt, daß Etienne Oehmichen im Jahre 1928 eine Reihe von Flügen mit einer Flugmaschine durchführte, welche mehrere Propellertriebwerke mit nach unten gerichtetem Schub besaß, wobei er den Schub durch Schwenken der einzelnen Triebwerke beeinflussen konnte. Es handelte sich um den ersten Multicopter, welcher jedoch noch sehr instabil flog, da er keine automatische Fluglagestabilisierung besaß und jede Schubkorrektur an einem Triebwerk gleichzeitig Korrekturen auch an den anderen Triebwerken verlangte. Später baute die Firma Curtiss-Wright mit dem Luftfahrzeug VZ-7 den ersten Multicopter, dessen Schub genauso wie bei den heutigen Kameradrohnen über Drehzahländerungen der Propellertriebwerke gesteuert wurde. Es entstanden jedoch sehr hohe Verluste, da beim Abbremsen der großen Propeller hohe Energiebeträge verloren gingen. Mit den Druckschriften
DE 10 92 311 A ,
DE 962 404 B ,
DE 589 059 A ,
CH 672 465 A5 und
US 2 988 301 A wurden Flugzeuge vorgestellt, welche über einen sog. Lift-Fan verfügen, d.h. einen oder mehrere Propeller für vertikalen Schub, die das Flugzeug beim Start anzuheben vermochten und dank gesteuerter Luftklappen kurfristig auch zum Schweben bringen konnten. Die eigentliche Stabilität wurde jedoch, wie für ein Flugzeug typisch, durch die Bewegung in horizontaler Richtung erzielt. In
DE 326210 A wird außerdem eine verstellbare Leitschaufel hinter dem Flugzeugpropeller vorgeschlagen, welche die Strömungsverhältnisse optimieren kann.
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Multicopter, insbesondere in der Ausführung als Quadrocopter besitzen weder auftriebs- noch widerstandserzeugende Elemente und damit auch keinerlei Eigenstabilität wie ein Flächenflugzeug, erreichen aber durch ihre elektronische flight-by-wire- Steuerung hervorragend stabile Flugeigenschaften. Die Flugstabilität wird durch elektronische Regelkreise ermöglicht und die Regelstrecke muß hierzu weitgehend verzögerungsfrei ansprechen können. Ein Problem stellen dabei die Trägheitsmomente von Propeller und Antriebsmotor dar, die Schubänderungen bisher nur durch Drehzahlveränderungen zuließen. Verbrennungsmotoren benötigen zum Betrieb Schwungmassen mit hohen Trägheitsmomenten, weshalb für Multicopter bisher Elektromotoren eingesetzt wurden, die bei hohen Drehzahlen eine hohe Leisung bei geringen Trägheitsmomenten besitzen. Auch die benutzten Propeller konnten dank der hohen Drehzahlen massearm gehalten werden. Eine Grenze im Betrieb stellt die Umfangsgeschwindigkeit der Propeller dar. Sie darf die Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten. Bei einer Vergrößerung der Propeller müßte also die Drehzahl reduziert werden. Damit erhöhen sich jedoch die Trägheitsmomente und die Regelstrecke kann Störungen nicht mehr ausreichend schnell ausgleichen.
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Die Erfindung löst das Problem mit einem Multicopter nach einem der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Durch einen direkten Eingriff auf den Schub erhält die Regelung zusätzliche eine differentielle Komponente, die solange wirkt, bis sich die neuen Drehzahlen der Antriebe eingestellt haben. Hierzu werden Lamellen solange quer in den Ansaugstrom des Propellers gestellt, bis die Drehzahlveränderung vollzogen ist. Aufgrund eines als „Paradoxon der Strömungsmaschine“ bekannten Effektes entstehen hierbei unerwartet geringe Verluste. Eine Strömungsmaschine wird entlastet, d.h. die Antriebsleistung sowie die Aufnahmeleistung sinken, wenn auf der Ansaugseite abgesperrt wird. Sehr eindrücklich kann dies an einem Staubsauger beobachtet werden. In unbelastetem Zustand ist seine Stromaufnahme am höchsten und sinkt ab, sobald er „arbeiten“ muß. Deutlich stellt man hierbei die Drehzahlerhöhung des entlasteten Antriebsmotors fest. Die vorliegende Erfindung nutzt in den Ansprüchen 4, 5 und 7 außerdem einen entsprechenden Effekt, der zur Proportionalregelung von Kompressoranlagen verwendet wird. Da Schraubenkompressoren nur eine geringe Drehzahlvariation vertragen, werden sie mit der konstanten Drehzahl eines Drehstrommotors betrieben. Zur Regelung der Förderleistung wird nun ein Teil der komprimierten Luft auf die Ansaugseite zurückgeführt, was auch hier die Stromaufnahme und die Leistung reduziert. Die Verluste sind trotz des internen Umpumpens gleichfalls gering. Beim Multicopter unterstützen Verwirbelungen an den Lamellen der Antriebseinheiten während der kurzfristigen Regelungsvorgänge die gewünschte Wirkung, da sie den Schub ebenfalls reduzieren. Ohne einen differentiellen Regelungsvorgang können sie jedoch mit geringstem Widerstand in der Strömung stehen und können dafür ein entsprechend strömungsgünstiges Profil aufweisen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Bau größerer Multicopter, insbesondere mit Brennkraftantrieb für längere Flugzeiten und den Transport von Lasten und Personen. Durch den sehr einfachen mechanischen Aufbau sind diese Luftfahrzeuge preisgünstig und erfordern nur geringen Wartungsaufwand. Im Gegensatz zu Hubschraubern sind Notlandungen auf Waldflächen möglich, da die Maschine mit ihrem weit ausladenden Rahmen in den Ästen hängen bleibt.
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Der Multicopter nach Anspruch 1 kann z.B. über 4 Brennkraftmotoren mit Propellern verfügen, angeordnet an den Ecken eines Rahmens, welcher aus den im Zeppelinbau bekannten Dreiecksstreben gebildet wird. Über Querstreben wird in der Mitte des Vierecks eine Gondel gehalten, welche die zu transportierende Last aufnimmt. Als Propeller kommen Ausführungen von Motordrachen in Frage, welche in Verbindung mit einem Zweitaktmotor einen hohen Standschub in vertikaler Richtung erzeugen. Über den Propellern kann sich eine fest mit dem Rahmen verbundene Jalousien aus Lamellen befinden, deren Achsen mit Hilfe von Zahnrädern, welche in die Zahnräder der jeweils benachbarten Achsen eingreifen, gegensinnig zueinander verdreht werden können und damit die anströmende Luft abzudrosseln vermögen. Die gegenläufige Verdrehung benachbarter Achsen verhindert einen asymmetrischen Blatteffekt, wie es bei ähnlichen Konstruktionen der Klima- und Lüftungstechnik bekannt ist. Der Stellmotor einer Antriebseinheit muß daher nur eine Achse verdrehen, um damit die gesamte Jalousie verschließen zu können. Zur Flugsteuerung kann eine handelsübliche Multicoptersteuerung verwendet werden. Diese Steuerung liefert 4 PWM-Signale, welche eigentlich für Elektromotoren bestimmt sind. In der vorliegenden Erfindung wird aus jedem einzelnen Signal durch Integration ein Steuersignal für einen Stellmotor erzeugt, der den Sollwert einer mechanischen Drehzahlregelung des jeweiligen Brennkraftmotors einstellt. Zusätzlich wird aus dem PWM-Signal nach der Glättung (Integration) ein Differenzsignal gebildet, welches Veränderungen abbildet. Dieses Signal wird für den Stellmotor der Jalousie benutzt und führt daher nur zu einer kurzfristigen Abdrosselung des Luftstroms, bis die langsamere Drehzahlregelung ihrer Aufgabe nachgekommen ist. Die Lamellen der Jalousie können den Luftstrom innerhalb von Sekundenbruchteilen drosseln und ermöglichen eine sofortige Schubänderung und somit schnelle Reaktion auf Störungen der Fluglage, z.B. durch Windböen. Die Formung des geglätteten Steuersignals (integriertes Signal) und des Differenzsignal sind elektrotechnische Grundaufgaben und Stand der Technik, welche mit wenigen Bauteilen, z.B. Widerständen und Kondensatoren, gelöst werden können. Die Stabilisierung der Fluglage kann auch so gelöst werden, daß das Differenzsignal die Jalousie einer Antriebseinheit kurzfristig verschließt und gleichzeitig die Drehzahlsollwerte einer oder mehrerer gegenüberliegenden Antriebseinheiten erhöht werden.
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Bei einem Multicopter nach Anspruch 2 bilden die Lamellen einer jeden Antriebseinheit Schaufelblätter eines Leitschaufelkranzes, welcher wie unter Anspruch 1 beschrieben, über dem Propeller fest mit dem Rahmen des Multicopters verbunden ist und dessen Mittelpunkt über dem des Propellers liegt. Die Lamellen können um ihre radial ausgerichteten Achsen quer in den Luftstrom geschwenkt werden, um diesen zu drosseln. Im Gegensatz zum gewohnten Bestreben, z.B. in der Turbinentechnik, die Strömungsverhältnisse für den Propeller durch den Leitschaufelkranz zu verbessern, ist die Zielsetzung hier, mit den Lamellen den Luftstrom auf den Propeller wie unter Anspruch 1 beschrieben, kurzfristig zu drosseln. Wird diese Drosselung wieder aufgehoben, können die Lamellen selbstverständlich in eine widerstandsarme Ausgangsposition zurückgehen, welche Betrag und Richtung der anströmenden Luft berücksichtigt. Die Justierung dieser Ausgangsposition kann entweder durch Computersteuerung oder durch manuellen Eingriff des Piloten erfolgen. Die Verstellung der Lamellen um ihre radial ausgerichtete Längsachse kann über ein auf dieser befestigtes Kegelzahnrad erfolgen, das in ein zentrales Kegelrad auf der Nabe eingreift, welches alle Lamellen einer Antriebseinheit gemeinsam verstellt. Die Verstellung kann auch hier über einen Stellmotor erfolgen. Die Lamellen müssen für eine wirkungsvolle Regelung den Luftstrom nicht vollständig absperren. Insbesondere wenn die Lamellen für günstige Strömungsverhältnisse in sich verschränkt sind, ist eine vollständige Drosselung des Luftstroms nicht möglich, aber auch nicht erforderlich. Der von den Lamellen gebildete Leitschaufelkranz kann mehr Lamellen besitzen als der Propeller Blätter, und sie können sich auch überlappen.
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Bei einem Multicopter nach Anspruch 3 sind die Lamellen einer jeden Antriebseinheit sichelförmig gebogen und auf einer über der Propellerebene parallelen Kreisebene auf der Ansaugseite des Propellers entlang des Umfangs angeordnet. Sie bilden eine in der Öffnungsweite verstellbare Blende nach der Art einer überdimensionalen Photoblende und werden auch nach dem gleichen Prinzip verstellt. Je nach Öffnungsweite überlappen die Lamellen mehr oder weniger, wie bei einer Photoblende auch. Durch die Überlappung erhalten die Lamellen zusätzliche Stabilität. Die Verstellung der Öffnungsweite übernimmt auch hier ein Stellmotor. Es ist nicht notwendig, die Blende vollständig verschließen zu können, da die größte Wirkung auf die Strömung im Außenbereich der Blende, d.h. im Bereich der Propellerspitzen entsteht.
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Bei einem Multicopter nach Anspruch 4 wird für jede Antriebseinheit die gleiche Blende wie unter Anspruch 3 verwendet, nur daß sie diesmal auf der Druckseite des jeweiligen Propellers sitzt. Um den Propeller liegt in ausreichendem Abstand ein zylindrischer Propellermantel, der aber auch eine mehreckige Grundfläche aufweisen kann und bis zur Ebene der Blende reicht. Wird die Blende geschlossen, so baut sich vor ihr ein Überdruck auf, welcher über den Propellermantel auf die Ansaugseite geleitet wird und den dort entstandenen Unterdruck ausgleicht. Damit der Propellermantel seine Aufgabe besser erfüllen kann, kann er auf der Ansaugseite des Propellers kegelförmig, bzw. pyramidenförmig zusammenlaufen, läßt dabei jedoch mindestens eine Öffnung entsprechend der Propellerfläche frei. Die Verstellung der Blende z.B. über einen Stellmotor führt zu einem steuerbaren, internen Kreislauf von Luft, welche damit nicht mehr zum Schub der Antriebseinheit beiträgt.
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Bei einem Multicopter nach Anspruch 5 arbeiten die Lamellen einer jeden Antriebseinheit wie unter Anspruch 4 auf der Druckseite des Propellers und und ein Teil des entstehenden Überdrucks wird auch hier wie unter Anspruch 4 beschrieben, über einen Propellermantel auf die Ansaugseite umgeleitet. Die Lamellen sind jedoch nicht wie die einer Photoblende sichelförmig gebogen und in einer zur Propellerebene parallelen Ebene angeordnet, sondern rechteckig und stehen stattdessen wie ein Kragen auf der Druckseite des Propellers um den Propellermantel nach unten. Die Grundfläche des Propellermantels kann der Einfachheit halber vieleckig sein. Die Lamellen können über parallel zu den Grundseiten des Propellermantels ausgerichtete Achsen in den Propellerstrahl geschwenkt werden. Da sich die Lamellen beim Schwenken in Richtung Mitte, d.h. der Geraden durch die Propellerachse einander annähern, müssen sie entweder ausreichende Lücken zueinander aufweisen, sich überlappen können oder wie die Seitenflächen eines Pyramidenstumpfs geformt sein. Die schmale Seite der so gebildeten Lamellen wird dabei zur Mitte des Strömungskanals geschwenkt, maximal bis zur Berührung. Bei Verstellung bilden die Lamellen den immer spitzer zulaufenden Mantel eines Pyramidenstumpfes. Für größere Stabilität und niedrigere Verwirbelungen können die Lamellen auch wie Kugelkappen gewölbt sein. Die konvexe Wölbung kann dabei zum Propellerstrahl zeigen. Zur Verstellung der Lamellen können Gewindestangen verwendet werden, die jeweils von einer Mutter bewegt werden, deren Umfang als Zahnrad ausgebildet ist und in ein flaches, zentrales Zahnrad bzw. einen Zahnkranz außerhalb des Propellerstrahls mit axialen Zähnen eingreift, das von einem Stellmotor verdreht wird. Da das zentrale Rad keine vollständigen Umdrehungen ausführt, stört es nicht, daß sich der Winkel der Achsen zueinander bei der Verstellung leicht verändert. Die Gewindestange muß an ihrer Lamelle mit einem Gelenk beweglich befestigt werden, darf sich jedoch dabei nicht um ihre Achse verdrehen lassen.
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Mit einem Multicopter nach Anspruch 6 wird das Problem des asymmetrischen Blatteffekts gelöst, welcher insbesondere beim Multicopter in der Fortbewegung über Grund auftritt. Der asymmetrische Blatteffekt erzeugt durch den unterschiedlichen Anströmwinkel beim Vor- bzw. Nacheilen eines Propellerblatts in Bezug auf die Flugrichtung unterschiedliche Biegekräfte, welche Schwingungen verursachen und zum Bruch des Propellerblatts führen können. Beim Schweben treten diese unterschiedlichen Kräfte kaum auf. Ein Leitschaufelkranz bietet einen gewissen Schutz vor dieser ungleichmäßigen Belastung, kann sie jedoch nicht vollständig verhindern. Die vorliegende Erfindung löst das Problem, indem die Lamellen nach Anspruch 2 individuell verstellt werden können, so daß dort, wo durch die Flugbewegung ein erhöhter Druck auf das Propellerblatt auftreten würde, dieser durch eine stärkere Drosselung durch die gegenüberstehende Lamelle wieder ausgeglichen wird. Bei einer Fortbewegung über Grund mit entsprechend schräger Anströmung der Antriebseinheiten, bzw. Propeller wird also die strömungsgünstige Grundstellung der Lamellen für jede Lamelle einzeln derart abgeändert, daß eine ungleichmäßige Belastung auf das Propellerblatt vermieden wird. Die differenzielle, d.h. kurzfristige Verstellung der Leitschaufelblätter zur Stabilisierung der Fluglage erfolgt zusätzlich für jedes Blatt bzw. Lamelle um einen weiteren Winkelbetrag. Die Verstellung der Lamellen um einen gemeinsamen, einheitlichen Winkelbetrag sowie einen für jede Lamelle zusätzlichen, individuellen Winkelbetrag kann über ein für jede Lamelle eigenes Planetengetriebe erfolgen. Das Sonnenrad wäre z.B. mit der Achse der Lamelle verbunden, das Hohlrad könnte auf seiner Außenseite eine Kegelradverzahnung besitzen und über einen zentralen Kegelradkranz die differenzielle Verstellung bewirken, während der Planetenträger die individuelle Grundeinstellung für jede einzelne Lamelle ermöglicht.
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Mit einem Multicopter nach Anspruch 7 wird wie unter Anspruch 6 das Problem des asymmetrischen Blatteffekts gelöst. Da bei den Ansprüchen 3, 4 und 5 die Öffnungsweite der von den Lamellen gebildeten Blende verändert wird, bewirkt die Verschiebung der gesamten Blendeneinrichtung eine unsymmetrische Drosselung des Propellerstroms und kann so die durch eine schräge Anströmung während des Flugs über Grund unsymmetrische Belastung der Propellerblätter kompensieren. Da der asymmetrische Blatteffekt nur im Reiseflug für längere Zeit auftritt, reicht es, die Blendeneinrichtung nur in die Richtung zu verschieben, die eine ungleichmäßige Belastung der Propellerblätter im Reiseflug kompensiert. Sie kann daher von einem Stellmotor über eine Schiene verschoben werden.