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Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares Fluggerät nach Anspruch 1.
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Die heutzutage bekannten Luftfahrzeuge, wie beispielsweise Flugzeuge und Hubschrauber weisen eine grundsätzlich unveränderbare Konfiguration bzw. Grundstruktur auf. Es sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Luftfahrzeuge unterschiedlicher Größe mit jeweils einer festgelegten Transportkapazität an Passagieren und/oder Luftfracht bekannt.
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Das Aufkommen an Passagieren oder Luftfracht unterliegt jedoch kontinuierlichen Veränderungen, welche häufig durch unvorhersehbare Ereignisse bestimmt und nicht vorhersagbar sind. Den Schwankungen des Aufkommens an Passagieren und Luftfracht kann heutzutage aufgrund der unveränderbaren Konfiguration der Luftfahrzeuge nur unzureichend durch eine Umplanung der Luftfahrzeuge mit unterschiedlichen Transportkapazitäten begegnet werden. In der Folge kommt es häufig zu einer unvollständigen Nutzung des zur Verfügung stehenden Fracht- und/oder Passagierraums der Luftfahrzeuge. Die ungenutzten Frachträume führen dabei zu einer verringerten Effizienz.
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Vorgenannte Probleme existieren ebenfalls im Bereich der Hubschrauber, die jeweils für einen spezifischen Anwendungszweck ausgelegt und gebaut sind. Eine Anpassungsfähigkeit ist in diesem Bereich ebenfalls nicht gegeben.
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Es besteht daher heutzutage ein Bedarf an Fluggeräten, die an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar sind.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fluggerät zu schaffen, welches an verschiedene Anforderungen flexibel anpassbar ist. Gleichzeitig ist es die Aufgabe der Erfindung die Effizienz und Nutzbarkeit von Fluggeräten nach dem Stand der Technik zu verbessern.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das modulare Fluggerät mit einer Basiseinheit aus mindestens zwei Auftriebsmodulen, mindestens einem Funktionsmodul und mindestens einer Kopplungseinrichtung gebildet ist, wobei mindestens eines der Auftriebsmodule eine steuerbare Auftriebseinrichtung und eine die Auftriebseinrichtung antreibende Antriebseinrichtung aufweist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Auftriebsmodule jeweils über mindestens eine Kopplungseinrichtung mit dem mindestens einen Funktionsmodul mechanisch koppelbar sind, oder dass mindestens ein Auftriebsmodul über mindestens eine Kopplungseinrichtung mit dem mindestens einen Funktionsmodul mechanisch koppelbar ist und dass mindestens ein weiteres Auftriebsmodul mit dem mindestens einen Funktionsmodul fest, vorzugsweise starr verbunden ist, wobei die mindestens eine Kopplungseinrichtung eine Gelenkverbindung zwischen dem Funktionsmodul und dem Auftriebsmodul bildet.
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Die Basiseinheit kann eine mechanisch tragende Grundstruktur aufweisen, welche die auftretenden Lasten aufnimmt.
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Die Kopplungseinrichtung ermöglicht eine reversible mechanische Kopplung in dem Sinne, dass die Gelenkverbindung zwischen dem Funktionsmodul und dem Auftriebsmodul bei der Ankopplung hergestellt und bei der Abkopplung getrennt werden kann. Die An- und Abkopplung kann auch dynamisch während des Fluges des modularen Fluggerätes erfolgen.
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Bei dem Bestehen der mechanischen Kopplung wird eine Gelenkverbindung zwischen dem Funktionsmodul ausgebildet, welche eine kontinuierliche Kraft- und Drehmomentübertragung zwischen den gekoppelten Modulen ermöglicht. Die Gelenkverbindung kann dabei sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen. Bei der ausgebildeten Gelenkverbindung über die Kopplungseinrichtung sind die drei translatorischen Freiheitsgrade gesperrt und die drei rotatorischen Freiheitsgrade ungesperrt.
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Die feste Verbindung zwischen dem mindestens einem Funktionsmodul und dem mindestens einem weiteren Auftriebsmodul wird im Rahmen der Erfindung als eine im normalen Gebrauch untrennbare Verbindung verstanden. Eine starre Verbindung unterbindet jegliche Relativbewegung des Funktionsmoduls zu dem Auftriebsmodul.
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Die Ausgestaltung der Basiseinheit des modularen Fluggerätes über zwei Auftriebsmodule und einem zwischen den Auftriebsmodulen angeordnetem, gekoppelten Funktionsmodul hat grundsätzlich den Vorteil, dass eventuell auftretende Giermomente der beiden Auftriebseinrichtungen gegenseitig ausgeglichen werden können. Es kann somit bei der Ausgestaltung der Auftriebseinrichtung mit Rotoren auf die Anordnung von Heckrotoren verzichtet werden, hierdurch wird die Effizienz des Fluggerätes gesteigert.
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Die Anordnung mindestens einer Kopplungseinrichtung zwischen dem Funktionsmodul und einer Auftriebseinrichtung ermöglicht durch koordinierte oder unabhängige Steuerung der Auftriebseinrichtungen der beiden Auftriebsmodule das Funktionsmodul während des Fluges beliebig im dreidimensionalen Raum auszurichten. Die Lageänderungen können dabei im Flug dynamisch vorgenommen werden. Ebenso ermöglicht die Ausbildung mindestens einer Gelenkverbindung zwischen Auftriebsmodul und Funktionsmodul die geometrische Form des modularen Fluggerätes dynamisch zu verändern. Beispielsweise kann die Geometrie verändert werden um möglichen Hindernisse in der Flugbahn des modularen Fluggerätes auszuweichen, ohne notwendigerweise den vorherigen Flugpfad zu verlassen. Das modulare Fluggerät muss so nicht gezwungenermaßen vor Hindernissen in der Flugbahn abbremsen und einen alternativen Flugpfad einschlagen, sondern kann im Rahmen der mindestens einen Gelenkverbindung die Geometrie der Basiseinheit verändern um das Hindernis zu umgehen.
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Aufgrund der Vorsehung von mindestens einer Kopplungseinrichtung zum An- und Abkoppeln der Gelenkverbindung zwischen dem Auftriebsmodul und dem Funktionsmodul ist es möglich bereits die Basiseinheit des Fluggerätes für die gewünschte Aufgabe zu konfigurieren und darauf optimal anzupassen. Beispielsweise können Auftriebsmodule unterschiedlicher Größe und Leistungsfähigkeit vorgesehen werden, die beispielsweise in Abhängigkeit des Gewichts des über das Funktionsmodul zu transportierenden Frachtguts spezifisch angepasst werden. Ebenso können Funktionsmodule unterschiedlicher Größe mit unterschiedlichem Ladevolumen bzw. geometrischer Ausgestaltung vorgesehen werden, die spezifisch für den Anwendungsfall ausgewählt und in der Basiseinheit eingesetzt werden. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit des modularen Fluggeräts wird die Effizienz des anpassbaren Fluggerätes deutlich gesteigert.
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Die Anordnung mindestens einer Kopplungseinrichtung ermöglicht es die Auftriebsmodule oder Funktionsmodule sowohl am Boden, aber auch darüber hinaus im Flugzustand dynamisch miteinander zu koppeln oder voneinander zu trennen. Unterschiedliche Auftriebsmodule und/oder Funktionsmodule können über die mindestens eine Kopplungseinrichtung schnell und problemlos ausgetauscht werden. Auch hierdurch ist eine schnelle Anpassung des modularen Fluggerätes an die jeweilige Aufgabe möglich. Die Nutzung von standardisierten Kopplungseinrichtungen an den unterschiedlichen Auftriebs- und/oder Funktionsmodulen gewährleistet eine hohe Kompatibilität.
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Die Kopplungseinrichtung kann aus aneinander angepassten Kopplungselementen gebildet sein, wobei mindestens eines der Kopplungselemente an mindestens einer der Außenflächen des mindestens einen Funktionsmoduls und/oder des mindestens einen Auftriebsmoduls angeordnet ist.
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Die Kopplung zwischen den aneinander angepassten Kopplungselementen kann dabei mechanisch, hydraulisch oder elektrisch erfolgen. Durch die Vorsehung mindestens eines Kopplungselementes an mindestens einer Außenfläche mindestens eines Funktionsmoduls und/oder mindestens eines Auftriebsmoduls können die unterschiedlichen Module untereinander beliebig über die Kopplungselemente mechanische gekoppelt werden. So lässt sich ein Funktionsmodul mit einem Auftriebsmodul, ein Auftriebsmodul mit einem weiteren Auftriebsmodul oder ein Funktionsmodul mit einem weiteren Funktionsmodul in vorteilhafter Weise mechanisch koppeln.
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Durch die aneinander angepassten Kopplungselemente lassen sich die unterschiedlichen Auftriebs- und/oder Funktionsmodule beliebig miteinander koppeln. Es können somit beliebige Basiseinheiten für das modulare Fluggerät gebildet werden, die spezifisch an die gestellte Aufgabe angepasst sind und hierdurch eine hohe Effizienz gewährleisten.
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Durch die Vorsehung von mehreren Kopplungselementen an unterschiedlichen Außenseiten, eines Funktionsmoduls und/oder Auftriebsmoduls insbesondere gegenüberliegenden Außenseiten können ebenfalls mehrere Module an ein Ausgangsmodul gekoppelt werden. Während des Fluges können somit beispielsweise die Module von zwei zunächst autonomen und ungekoppelten Basiseinheiten dynamisch über die an den Außenseiten vorgesehenen Kopplungselemente verkoppelt und hierdurch eine gemeinsame einzige Basiseinheit erzielt werden. In der gemeinsamen Basiseinheit können in Abhängigkeit des Ladevolumens ggf. nicht benötige Auftriebseinrichtungen abgeschaltet bzw. in den Autorotationszustand versetzt werden. Durch die gezielte Abschaltung von nicht benötigten Auftriebseinrichtungen kann die Effizienz des modularen Fluggerätes weiter gesteigert werden.
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Durch die Anordnung von mehreren Kopplungselementen an gegenüberliegenden Außenseiten der Module kann die Basiseinheit reihenförmig, netzförmig oder dreidimensional gitterförmig erweitert werden. Es können dabei beliebige quadratische, hexagonale oder polygonale Gitterstrukturen oder Netzstrukturen über die Kopplung von einer beliebigen Anzahl von Funktions- und/oder Auftriebsmodulen realisiert werden. Diese Möglichkeiten der Erweiterung der Basiseinheit ermöglichen es wiederum das modulare Fluggerät optimal an die gestellte Aufgabe anzupassen. Durch die Nutzung von Gitter- oder Netzstrukturen können schwere Lasten mit dem modularen Fluggerät transportiert werden, wobei die Gewichtskraft des zu transportierenden Gegenstandes gleichmäßig in die Grundstruktur der Fluggerätes eingeleitet wird, die Auftriebskräfte der Auftriebsmodule sind dabei ebenfalls gleichmäßig über die Struktur verteilt. Das modulare Fluggerät weist somit eine höchst flexible lasttragende Struktur auf. Durch die Konfiguration der Basiseinheit in Gitterform können beispielsweise fliegende Plattformen für unterschiedlichste Nutzungsanwendungen, wie beispielsweise als Montageplattformen geschaffen werden.
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Insbesondere kann durch die Ankopplung von einer beliebigen Anzahl an weiteren Funktions- und/oder Antriebsmodulen an ein Ende der Basiseinheit ein modulares Fluggerät in Form eines Zuges erreicht werden. Die Größe bzw. Länge eines derartigen zugförmigen modularen Fluggerätes ist dabei je nach Anwendungsfall frei skalierbar. Die freie Skalierbarkeit ermöglicht es die Basiseinheit spezifisch an das auftretende Frachtvolumen und/oder die Passagieranzahl anzupassen und damit die Effizienz deutlich zu erhöhen.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass zur modularen Erweiterung der Basiseinheit über mindestens eine weitere Kopplungseinheit mindestens ein weiteres Funktionsmodul und/oder mindestens ein weiteres Auftriebsmodul mit der Basiseinheit koppelbar ist. Über die Kopplungseinrichtungen ist durch das Ankoppeln von weiteren Modulen eine beliebige Vergrößerung der Basiseinheit möglich. Ebenso kann durch das Abkoppeln von einzelnen Modulen die Basiseinheit beliebig verkleinert werden. Die Basiseinheit des modularen Fluggerätes ist damit an den jeweiligen Anwendungsfall spezifisch anpassbar.
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Insbesondere kann ein defektes oder nicht mehr benötigtes Auftriebsmodul und/oder Funktionsmodul auf einfache Art und Weise von der Basiseinheit abgekoppelt und ggf. ersetzt werden. Bei dem Auftreten eines Defekts in einem spezifischen identifizierbaren Modul kann dieses aus dem sonst intaktem Fluggerät schnell herausgenommen und ggf. durch ein funktionales Modul ersetzt werden. Hierdurch wird der eigentliche Auftrag des Fluggerätes nicht gefährdet und die defekten Teile können gleichzeitig einer schnellen Reparatur oder Wartung unterzogen werden. Dieses ermöglicht die Standzeiten oder Ausfallzeiten des Fluggerätes aufgrund von Defekten oder Wartung deutlich zu reduzieren.
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Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass an dem mindestens einem Funktionsmodul und/oder mindestens einem Auftriebsmodul mindestens eine Sperreinrichtung zur Sperrung der mindestens einen Kopplungseinrichtung angeordnet ist.
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Bei der Sperrung durch die Sperreinrichtung werden alle translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade der Kopplungseinrichtung gesperrt. Die Kopplungseinrichtung bildet im gesperrten Zustand eine vollkommen starre mechanische Verbindung zwischen den beiden gekoppelten Modulen aus. Bei der Entsperrung der mindestens einen Sperreinrichtung können die drei rotatorischen oder alternativ spezifische rotatorische Freiheitsgrade in der Kopplungseinrichtung wieder freigegeben werden, wobei jedoch bei gekoppelter Kopplungseinrichtung die translatorischen Freiheitsgrade weiter gesperrt bleiben.
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Die Freigabe lediglich spezifischer rotatorischer Freiheitsgrade ermöglicht es die unterschiedlichen Module zueinander um spezifische Achsen zu verdrehen oder zu verschwenken. Die Geometrie der Basiseinheit kann somit auch während des Fluges hochpräzise angepasst werden.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass die mindestens eine Kopplungseinrichtung mindestens eine Steifigkeitseinstelleinrichtung zur Einstellung der mechanischen Steifigkeit der Gelenkverbindung aufweist.
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Die mechanische Steifigkeit kann dabei über die Steifigkeitseinstelleinichtung von dem Zustand einer starren Kopplung (mit Sperrung aller translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade) bis hin zu einer gelenkigen mechanischen Kopplung (Sperrung von zumindest einem der drei translatorischen Freiheitsgrade) stufenlos oder schrittweise verändert werden. Durch die Steifigkeitseinstelleinrichtung ist dabei die Steifigkeit der rotatorischen Verbindung bzw. der Gelenkverbindung beliebig einstellbar, hierdurch kann das Reaktionsverhalten der Module untereinander und damit die Dynamik des modularen Fluggerätes beeinflusst werden. Bei dem Transport von hohen Lasten ist beispielsweise eine steife Ankopplung der Module untereinander möglich um gleichmäßig die Lasten zu verteilen. Bei dem Transport von Passgieren oder der Anordnung von Sensoren in einem Funktionsmodul kann dieses über Einstellung einer geringen Gelenksteifigkeit von Schwingungen der Auftriebsmodule entkoppelt werden. Insbesondere kann durch die Veränderung Steifigkeit der Gelenkverbindung das Schwingungsverhalten des modularen Fluggerätes und insbesondere die Eigenfrequenzen verändert werden.
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Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die mindestens eine Kopplungseinrichtung mindestens einen Stellantrieb zur Veränderung des Drehwinkels und/oder Schwenkwinkels zwischen den aneinander angepassten Kopplungselementen aufweist.
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In dem Bereich der aneinander angepassten Kopplungselemente und/oder des Stellantriebes kann eine Anschlagsbegrenzung zur Begrenzung des Verdreh- und/oder Schwenkwinkels zwischen den miteinander gekoppelten Modulen angeordnet werden. Insbesondere kann eine absolute Anschlagsbegrenzung vorgesehen sein, um den einstellbaren Winkelbereich des Verdreh- und/oder Schwenkwinkels derart einzuschränken, dass die miteinander über die Kopplungselemente gekoppelten Module bei dem Verdrehen und/oder Verschwenken nicht aneinanderstoßen. Weiterhin kann eine dynamische Anschlagbegrenzung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von aktuellen Flugparametern den einstellbaren Verdrehwinkel und/oder Schwenkwinkelbereich verändert.
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Die aktive Steuerung des Verdreh- und/oder Schwenkwinkels zwischen den aneinander angepassten Kopplungselementen ermöglicht eine von den Auftriebseinrichtungen unabhängige Verdrehung bzw. Verschwenkung von gekoppelten Funktions- und/oder Auftriebsmodulen relativ zueinander. Die aktive Steuerung des Verdreh- und/oder Schwenkwinkels kann dabei beispielsweise zur Lagestabilisierung eines Funktionsmoduls genutzt werden. Insbesondere können durch den Stellantrieb dynamisch auftretende Schwingungen innerhalb der Basiseinheit wie beispielsweise Schwingungen der Auftriebseinheit ausgeglichen werden. Dabei kann eine gewünschte Lage des Funktionsmoduls im dreidimensionalen Raum vorgegeben werden. Über Sensoren, wie beispielsweise einem Gyroskop, können Lageabweichungen zu der definierten/gewünschten dreidimensionalen Raumlage detektiert und über eine aktive Steuerung des Verdreh- und/oder Schwenkwinkels eines oder mehrerer Kopplungselemente an dem Funktionsmodul kann die gewünschte Lage wieder eingestellt werden.
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Der Stellantrieb ermöglicht jedoch, auch während des Fluges unabhängig von den Auftriebseinrichtungen eine dynamische und hochflexible Veränderung der geometrischen Form des modularen Fluggerätes vorzunehmen. Der Stellantrieb in einer Kopplungseinrichtung kann dabei unabhängig oder koordiniert zu mindestens einem weiteren Stellantrieb in einer weiteren Kopplungseinrichtung den Verdreh- und Schwenkwinkel einstellen.
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Es kann weiterhin im Bereich der aneinander angepassten Kopplungselemente eine kombinierte Stell- und Sperreinrichtung vorgesehen sein.
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Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass über die mindestens eine Kopplungseinrichtung zusätzlich zu der mechanischen Kopplung eine elektrische Verbindung und/oder eine Fluidverbindung zwischen dem gekoppelten Funktionsmodul und dem Auftriebsmodul herstellbar ist.
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Die elektrische Verbindung zwischen dem gekoppelten Funktions- und Auftriebsmodul ermöglicht beispielsweise die Übertragung von Steuersignalen zwischen den gekoppelten Modulen oder auch einen elektrischen Energieaustausch der gekoppelten Module. Alternativ kann jedoch auch eine drahtlose Kommunikation bzw. ein drahtloser Austausch von Steuersignalen zwischen den Modulen vorgesehen sein. Die Fluidverbindung kann zum Austausch von gasförmigen oder flüssigen Stoffen zwischen den gekoppelten Modulen genutzt werden. Insbesondere kann beispielsweise in einem Modul befindlicher Treibstoff in weitere gekoppelte Funktions- und/oder Auftriebsmodule über die Fluidverbindung transferiert werden. Durch den Austausch von Kraftstoffen zwischen den Modulen ist eine aktive Beeinflussung des Schwerpunkts des modularen Fluggerätes im Sinne einer Trimmung möglich.
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Es kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Auftriebseinrichtung durch mindestens einen steuer- und/oder neigbaren Rotor oder Propeller oder einem Impeller mit verstellbaren Leiteinrichtungen oder einer Turbine mit verstellbaren Leiteinrichtungen gebildet ist.
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Der Rotor und/oder Propeller einer Auftriebseinrichtung können ferner in einen Auto-Rotationszustand versetzt werden. In dem Auto-Rotationszustand treibt der Luftstrom aufgrund der Bewegung des Fluggerätes den Rotor der Auftriebseinrichtung an, dabei strömt die Luft schräg von unten gegen den Rotor, der dadurch angetrieben wird. Die schnelle Bewegung des Rotors durch den Luftstrom erzeugt durch den dynamischen Auftrieb eine Kraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Bei dem Auto-Rotationszustand wird eine derartig starke Auftriebskraft generiert, dass diese zusammen mit den übrigen aktiven Auftriebseinrichtung ausreicht um das modulare Fluggerät weiter im stabilen Flugzustand zu halten. Eine oder mehrere Auftriebseinrichtungen können dabei gezielt in den Auto-Rotationszustand versetzt werden, falls eine ausreichende Auftriebskraft mit den übrigen Auftriebsmodulen erzielbar ist. Durch die aktive Abschaltung des Antriebs und Versetzung in Autorotation kann die Energie zum Antrieb der Auftriebseinrichtung eingespart und die Effizienz weiter verbessert werden.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass die mindestens eine Auftriebseinrichtung zueinander gegenläufig antreibbare Rotoren oder Propeller oder Impeller aufweist, und/oder dass die Basiseinheit mehrere Auftriebseinrichtungen mit zueinander gegenläufig antreibbaren Rotoren oder Propellern oder Impellern aufweist.
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Durch den gegenläufigen Antrieb der Rotoren oder Propeller oder Impeller wird das jeweilige Drehmoment (Giermoment) ausgeglichen. Ebenfalls kann eine Kopplung der gegenläufigen Rotoren über ein Getriebe oder eine Transmissionswelle vorgesehen sein. Durch die Kopplung wird ein synchroner Lauf der Rotoren bei allen Betriebszuständen ermöglicht. Die gegenläufigen Rotoren oder Propeller können dabei in der Konfiguration als Koaxialrotor oder als Flettner-Doppelrotor vorgesehen sein.
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Das Funktionsmodul kann mindestens einen Transportbehälter für den Transport von Fluiden, Gasen, Feststoffen und/oder eine Kabine für den Transport von Passagieren aufweisen.
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Das Funktionsmodul kann dabei derart ausgestaltet sein, dass es eine Grundstruktur aufweist, welches das Einsetzen eines standardisierten Transportbehälters in eine vorgesehene Aufnahmeeinrichtung ermöglicht. Bei dem standardisierten Container kann es sich beispielsweise um einen ISO-Container, wie beispielsweise einen 20-Fuß oder 40-Fuß-Container, handeln. Ebenso kann es sich bei dem Transportbehälter um einen UN-Portable-Tank handeln. An dem Funktionsmodul können zur Aufnahme der standardisierten Transportbehälter entsprechende Verriegelungselemente an einer Aufnahmeeinrichtung wie beispielsweise Twist-Locks vorgesehen sein, so dass eine Kompatibilität mit dem Corner-Casting bzw. Standard-Containerecken gegeben ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Funktionsmodul mindestens eine Hebeeinrichtung zum Aufnehmen und/oder Absetzen von Gegenständen aufweisen.
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Über die Hebeeinrichtung kann beispielsweise ein sich unterhalb des modularen Fluggerätes befindlicher Transportbehälter aufgenommen und bis zu dem Funktionsmodul angehoben werden, bis der Transportbehälter an dem Funktionsmodul befestigt bzw. eingekoppelt werden kann. Ebenfalls kann über die mindestens eine Hebeeinrichtung das Funktionsmodul und/oder die Passagierkabine auf eine unterhalb des modularen Fluggerätes befindliche Oberfläche abgesenkt und/oder abgesetzt werden.
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Die Hebeeinrichtung ermöglicht allgemein das Anheben und/oder Absenken von Gegenständen über das Funktionsmodul. Es kann dabei ebenfalls vorgesehen sein, dass mehrere Hebeeinrichtungen von mehreren Funktionsmodulen des modularen Fluggeräts zum gemeinsamen und koordinierten Anheben eines Gegenstandes oder Transportbehälter genutzt werden.
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Bei Nutzung einer gitterförmigen Struktur der Basiseinheit können ebenfalls Plattformen zum Heben von Gegenständen realisiert werden. Die Plattform kann durch die gelenkige Verbindung über mehrere Kopplungseinrichtungen in Verbindung mit Stellantrieben stabilisiert werden kann, so dass eine ruhige Lage des transportierten Gegenstandes möglich ist. Insbesondere kann die Plattform in allen Flugzuständen senkrecht gehalten werden, so dass der zu transportierende Gegenstand ruhig auf der Plattform verbleibt.
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Das Funktionsmodul kann erfindungsgemäß über mindestens eine Aufnahmeeinrichtung für ein Sensormodul und/oder ein Effektormodul verfügen.
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Bei dem Sensormodul kann es sich beispielsweise um eine Kamera oder einen optischen Sensor handeln.
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Bei dem Effektormodul handelt es sich um ein Wirkmodul, welches eine Wechselwirkung mit der Umgebung verursacht. Bei dem Effektormodul kann es sich beispielsweise um eine Löschkanone zum Ausbringen von Wasser oder Schaum oder alternativ um einen Laserstrahl, beispielsweise zur Projektion eines Lasergitters, handeln. Ebenso kann als Effektormodul ein Spot oder eine Leuchte zum Beleuchten der Umgebung vorgesehen sein. Besonders bevorzugt kann das Effektormodul eine Ausbringvorrichtung vorsehen, mit derer flüssige und/oder feste Stoffe von dem modularen Fluggerät in die Umgebung ausbringbar sind.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine Funktionsmodul und das mindestens eine Auftriebsmodul über eine kabelgebundene oder kabellose gemeinsame Datenverbindung für den Datenaustausch untereinander verfügen.
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So können beispielsweise über an einem Auftriebsmodul befindliche Sensoren Daten über den Flugzustand gewonnen werden und an alle weiteren gekoppelten Auftriebs- und/oder Funktionsmodule weitergegeben werden.
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Durch den Datenaustausch wird eine Redundanz zwischen verschiedenen Sensoren des modularen Fluggerätes erreicht, wodurch die Sicherheit des modularen Fluggerätes weiter gesteigert wird.
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Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Basiseinheit mindestens ein Tragflächenelement aufweist. Das Tragflächenelement kann besonders bevorzugt im Bereich des Funktionsmoduls, beispielsweise von den Außenseiten des Funktionsmoduls hervorstehend, angeordnet werden. Die Tragflächenelemente können dabei direkt im Bereich der Funktionsmodule eine Auftriebskraft zusätzlich zu den Auftriebsmodulen erzeugen. Insbesondere bei der Ausgestaltung der Basiseinheit als Zug mit bevorzugtem Geradeausflug können die Auftriebsmodule eine zusätzliche Auftriebskraft erzeugen, wodurch eine gleichmäßigere Lastverteilung zwischen Auftriebs- und Gewichtskräften ermöglicht wird.
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Die Tragflächenelemente können dabei vorzugsweise jeweils relativ zu der Basiseinheit bzw. der mechanischen Grundstruktur schwenkbar und/oder drehbar angeordnet sein.
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Die Verschwenkung und/oder Drehung der Flügelelemente relativ zu der Basiseinheit ermöglicht eine Anpassung der Tragflächenelemente an den jeweiligen Flugzustand des modularen Fluggerätes. Insbesondere kann die Pfeilung der Tragflächenelemente an die Fluggeschwindigkeit angepasst werden. Die Tragflächenelemente können zur Erzeugung einer Auftriebs- oder Abtriebskraft genutzt werden.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Basiseinheit mindestens ein Gyroskop zur Navigation und/oder aktiven Lageregelung der Basiseinheit verfügt.
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Es kann weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Basiseinheit über einen Empfänger für den Empfang von Satellitennavigationssignalen zur Ermittlung der jeweils aktuellen Lage der Basiseinheit verfügt.
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Durch die Positionsbestimmung kann zu einem ein Pilot an Bord des modularen Fluggerätes navigieren, zum anderen kann das Fluggerät aber auch autonom einem zuvor definierten Flugpfad folgen. Die aktuell über den Empfänger für Satellitennavigationssignale ermittelte Position wird dabei mit zuvor definierten Sollpositionen eines gewünschten Flugpfades abgeglichen und ggf. werden autonom Korrekturen der Antriebsmodule zur Beeinflussung der Lage im Raum durch eine zentrale Steuer- und Recheneinheit des modularen Fluggerätes vorgenommen.
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Bei den Navigationssignalen kann es sich beispielsweise um Signale des Global-Positioning-Systems (GPS) oder des GLONASS-Navigationssystems oder des GALILEO-Navigations- und Zeitgebungssystems handeln.
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Ebenfalls kann erfindungsgemäß eine Ermittlung des aktuellen Standorts durch eine Kombination der Satellitennavigationssignale mit den Signalen des Gyroskops erfolgen. Ebenfalls kann die Lageermittlung über eine Totalstation erfolgen.
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Bei der Lageermittlung unter Nutzung einer Totalstation wird die jeweilige aktuelle Lage des beweglichen modularen Fluggerätes in Bezug auf eine nicht bewegliche Totalstation ermittelt. Herbei werden Signale von dem modularen Fluggerät zu der Totalstation und umgekehrt gesendet und empfangen um über die Laufzeit bzw. die Phasenverschiebung zwischen gesendetem und empfangenem Signal die aktuelle Entfernung und damit Lage des modularen Fluggerätes zu ermitteln.
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Durch die Kombination der unterschiedlichen Navigationssysteme kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung verbessert werden. Weiterhin bleiben bei einem Ausfall eines Navigationssystems die Navigationseigenschaften erhalten und die Position kann aufgrund der folgenden Lageabweichungen von der letzten bekannten Position berechnet werden.
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Erfindungsgemäß kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Basiseinheit mindestens eine Energieversorgungseinheit, insbesondere mindestens einen Kraftstofftank zur Energieversorgung, aufweist.
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Besonders bevorzugt kann im Bereich der Basiseinheit ein Cockpit mit Steuerungs- und Regelungseinrichtungen zur gemeinsamen Steuerung des modularen Fluggerätes vorgesehen sein.
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Es kann auch erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass eine Fernsteuerung des modularen Fluggerätes besteht, so dass die Steuerungs- und Regelungssignale von einer entfernten Steuerkonsole kabellos an das modulare Fluggerät übertragen werden.
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Es kann weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein Computer die Steuersignale in Steuerbefehle für die jeweiligen Antriebseinrichtungen des modularen Fluggerätes umwandelt. Dabei können insbesondere Messwerte wie die Windgeschwindigkeit, aktuelle Lage, etc. in die Berechnung der Steuerbefehle für die jeweilige Antriebseinrichtung einfließen. Insbesondere wird durch die elektronische Flugsteuerung des modularen Fluggerätes eine Fly-by-Wire-Steuerung realisiert.
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Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ungenutzte bzw. inaktive Auftriebsmodule an das modulare Fluggerät gekoppelt werden und unter Verstauung der Propeller und/oder Rotorblätter in der Basiseinheit transportiert werden.
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Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:
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1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Basiseinheit eines modularen Fluggerätes,
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1b zeigt ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel einer Basiseinheit eines modularen Fluggerätes,
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2a zeigt ein Auftriebsmodul mit zwei Turbinen,
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2b zeigt ein weiteres Auftriebsmodul mit einem Impeller,
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2c zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Auftriebsmoduls mit zwei zueinander gegenläufig angetriebenen Propellern,
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines modularen Fluggerätes für den Personentransport,
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines modularen Fluggerätes mit einer quadratischen Ringstruktur,
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5 zeigt die Ausgestaltung eines modularen Fluggerätes für den Lastentransport.
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Die 1a zeigt ein modulares Fluggerät mit einer Basiseinheit 2, wobei die Basiseinheit 2 aus zwei Auftriebsmodulen 4, einem Funktionsmodul 6 und einer Kopplungseinrichtung 8 gebildet ist. Die beiden Auftriebsmodule 4 weisen jeweils eine steuerbare Auftriebseinrichtung 42 und eine die Auftriebseinrichtung 42 antreibende Antriebseinrichtung 44 auf. Das erste Auftriebsmodul 4 ist über eine Kopplungseinrichtung 8 mit dem Funktionsmodul 6 mechanisch koppelbar und das zweite Auftriebsmodul 4 ist mit dem mindestens einem Funktionsmodul starr verbunden. Die Kopplungseinrichtung 8 bildet zwischen dem Funktionsmodul 6 und dem ersten Auftriebsmodul 4 eine Gelenkverbindung. Das schematisch dargestellte zweite Auftriebsmodul 4 weist eine Antriebseinrichtung 44, beispielsweise in Form eines Verbrennungsmotors auf, welche die Auftriebseinrichtung 42 antreibt. Das zweite Auftriebsmodul 4 weist eine Energieversorgungseinheit 26 in Form eines Kraftstofftanks 26a auf, welche zur Energieversorgung der Antriebseinrichtung 44 dient. Die beiden Auftriebseinrichtungen 42 sind jeweils durch Rotoren 43a gebildet, wobei der Rotor des ersten und zweiten Auftriebsmoduls 4 zueinander gegenläufig angetrieben werden. Durch die Vorsehung der beiden zueinander gegenläufig angetriebenen Rotoren 43a ist kein gesonderter Drehmomentausgleich bei dem modularen Fluggerät notwendig, da sich die Momente der beiden Rotoren 43a gegenseitig aufheben.
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Die 1b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines modularen Fluggerätes mit einer Basiseinheit 2, die aus zwei Auftriebsmodulen 4, einem Funktionsmodul 6 und zwei Kopplungseinrichtungen 8 gebildet ist. Die beiden Auftriebsmodule 4 weisen jeweils eine steuerbare Auftriebseinrichtung 42, in der Konfiguration von zwei zueinander koaxial angeordneten Rotoren 43a mit zueinander gegenläufig angetriebenen Rotoren 43a auf. Die beiden Auftriebsmodule 4 sind jeweils über eine Kopplungseinrichtung 8 mit dem Funktionsmodul 6 mechanisch koppelbar, wobei die beiden Kopplungseinrichtungen 8 jeweils eine Gelenkverbindung zwischen dem Funktionsmodul 6 und dem Auftriebsmodul 4 bilden. Das Funktionsmodul 6 verfügt an den Außenflächen 5 über zwei gegenüberliegende Tragflächenelemente 23. Die Tragflächenelemente 23 sind gegenüber dem Funktionsmodul 6 schwenkbar und/oder drehbar angeordnet. Die an dem Funktionsmodul 6 angeordneten Tragflächenelemente 23 erzeugen beim Vorwärtsflug des dargestellten modularen Fluggerätes einen zusätzlichen Auftrieb im Bereich des Funktionsmoduls 6. Die Tragflächenelemente 23 können dabei über ein Verschwenken und Verdrehen der Tragflächenelemente relativ zu dem Funktionsmodul an die vorliegende Flugsituation bzw. die Strömungsverhältnisse angepasst werden.
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Die 2a zeigt ein Auftriebsmodul 4 in der Ausgestaltung mit zwei Turbinen 43d an gegenüberliegenden Außenflächen 5 des Auftriebsmoduls 4. Die beiden Turbinen 43d verfügen jeweils über Leiteinrichtungen 45, worüber der Schubstrahl der Turbinen umlenk- bzw. leitbar ist. Die beiden Turbinen 43d sind jeweils gegenüber dem Auftriebsmodul 4 schwenkbar angeordnet, wodurch ebenfalls die Schubrichtung der beiden Turbinen unabhängig voneinander gesteuert werden kann. Das Auftriebsmodul 4 verfügt über zwei Kopplungselemente 82, worüber das Auftriebsmodul 4 mit weiteren Auftriebsmodulen 4 und/oder Funktionsmodulen 6 gelenkig koppelbar ist.
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Die 2b zeigt ein Auftriebsmodul 4 in der Konfiguration mit einem Impeller 43c, wobei die Schubrichtung des Impellers 43c gegenüber dem Auftriebsmodul 4 durch nicht dargestellte Leiteinrichtungen 45 beeinflusst werden kann. Das Auftriebsmodul 4 verfügt über zwei Kopplungselemente 82, worüber das Auftriebsmodul 4 mit weiteren Auftriebsmodulen 4 und/oder Funktionsmodulen 6 koppelbar ist.
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Die 2c zeigt ein Auftriebsmodul 4, welches starr mit einem Funktionsmodul 6 verbunden ist. Das Antriebsmodul 4 verfügt über eine steuerbare Auftriebseinrichtung 42 mit zwei zueinander koaxial angeordneten Rotoren 43a, wobei die Rotoren an der Ober- und Unterseite des Auftriebsmoduls 4 angeordnet sind und zueinander gegenläufig angetrieben sind.
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Die 3 zeigt ein modulares Fluggerät, das aus drei Auftriebsmodulen 4, zwei Funktionsmodulen 6 und einem Cockpit 27 gebildet ist. Das Cockpit 27 verfügt dabei über Steuerungs- und Regelungseinrichtungen zur Steuerung des gesamten modularen Fluggerätes. Das Cockpit 27 ist in der dargestellten Konfiguration an einem der Auftriebsmodule 4 angeordnet. Die beiden Funktionsmodule 6 sind als Kabine 64 zum Transport von Passagieren 65 ausgebildet. Die beiden dargestellten Funktionsmodule 6 sind über Kopplungseinrichtungen 8 mit den Auftriebsmodulen 4 gelenkig verbunden. Die Auftriebsmodule 4 verfügen über weitere Kopplungselemente 82, worüber weitere Auftriebsmodule und/oder Funktionsmodule angekoppelt werden können.
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Die 4 zeigt ein modulares Fluggerät in der Konfiguration einer quadratischen Ringstruktur. Das modulare Fluggerät verfügt über vier Auftriebseinrichtungen 4, vier Funktionsmodule 6 und acht Kopplungseinrichtungen 8. Die Funktionsmodule 6 sind an den gegenüberliegenden Enden jeweils über Kopplungseinrichtungen 8 mit Auftriebsmodulen 4 gelenkig verbunden. Eine der Auftriebsmodule 4 verfügt über ein Gyroskop 24, ein weiteres Auftriebsmodul 4 ist mit einem Empfänger 25 für den Empfang von Satellitennavigationssignalen ausgerüstet, dabei kann das Gyroskop 24 und/oder der Empfänger 25 ebenfalls in den Funktionsmodulen 6 vorgesehen werden. Eine der Funktionsmodule 6 ist weiterhin mit einer Aufnahmeeinrichtung 69 zur Aufnahme eines Sensormoduls 692, sowie eines Effektormoduls 694 ausgestattet.
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Die 5 zeigt ein modulares Fluggerät mit zwei Auftriebsmodulen 4, die jeweils gelenkig über Kopplungseinrichtungen 8 mit einem Funktionsmodul 6 verbunden sind. Das Funktionsmodul 6 ist aus einer flachen gitterförmigen Struktur gebildet und weist weiterhin mehrere Hebeeinrichtungen 66 auf, mit denen ein Transportbehälter 62 aufgenommen und angehoben werden kann.
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Die 6 eine Kopplungseinrichtung 8, worüber ein Auftriebsmodul 4 und ein Funktionsmodul 6 mechanisch gekoppelt sind, so dass zwischen dem Funktionsmodul 6 und dem Auftriebsmodul 4 eine Gelenkverbindung ausgebildet ist. Die mechanische Kopplungseinrichtung 8 weist zwei aneinander angepasste Kopplungselemente 82 auf, wobei durch die Kopplungseinrichtung 8 gleichzeitig zur mechanischen Kopplung im gekoppelten Zustand gleichzeitig eine Fluidverbindung 89 hergestellt wird. An der Kopplungseinrichtung 8 ist weiterhin eine Steifigkeitseinstelleinrichtung 83 angeordnet, worüber die Steifigkeit der mechanischen Kopplung einstellbar ist. Die Kopplungseinrichtung 8 verfügt weiterhin über eine Sperreinrichtung 7, worüber die Kopplungseinrichtung 8 sperrbar ist. Weiterhin ist im Bereich der Kopplungseinrichtung 8 ein Stellantrieb 84 angeordnet, worüber die miteinander gekoppelten Module (Funktionsmodul 6 zu Auftriebsmodul 4) relativ zueinander bewegbar sind.
