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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluggerät, das zum Transport von Personen oder als Sportgerät genutzt werden kann, speziell ein elektrisch angetriebenes, senkrecht startendes Fluggerät.
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Eine Art senkrecht startender Fluggeräte ist unter der Bezeichung Multikopter bekannt. Multikopter dienen als unbemannte, ferngesteuerte Fluggeräte der Freizeitbeschäftigung oder als fliegende Plattform für Kamerasysteme. Personentragende Multikopter wurden bereits vereinzelt als Eigenbau-Fluggeräte realisiert. Im Vordergrund stehen dabei die Auslotung des technisch Machbaren sowie in der Folge eine Kommerzialisierung als Freizeit-Flugsportgeräte. Die Möglichkeit des senkrechten Abhebens vom Boden und des freien Schwebens in frei wählbarer Höhe über dem Boden, ohne eine große Freifläche zu benötigen, wird als sehr attraktiv angesehen. Elektrische Antriebe weisen einen hohen energetischen Wirkungsgrad auf und besitzen Brennkraftmaschinen gegenüber weitere Vorteile wie geringere Geräuschemissionen sowie weitgehende Wartungsfreiheit.
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Stand der Technik
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Auf dem Gebiet des Modellbaus sind Fluggeräte mit zwei, vier, sechs oder auch mehreren Luftschrauben bzw. Rotoren und Elektroantrieb bekannt. Diese Fluggeräte werden im Allgemeinen, je nach Anzahl der verwendeten Luftschrauben, als Multikopter bezeichnet. Hierbei handelt es sich um senkrecht startende und landende Fluggeräte, die auch zum Transport von Lasten genutzt werden können. Der Antrieb erfolgt meist durch Gleichstrommotoren mittels Direktantrieb der jeweiligen Luftschraube oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe. Die Motoren sind am äußeren Ende von Auslegern befestigt. Die elektrische Energie für die Motoren wird von Akkumulatoren bereitgestellt. Durch diese Antriebsart ist auch, bei entsprechender Auslegung, ein Transport von größeren Traglasten möglich. Die Steuerung erfolgt über die Lageregelung im Flug durch schnelle Drehzahländerung der Elektromotoren. Dabei wird stets auf rechnergestützte Lagekontroll- bzw. Regeleinrichtungen zurückgegriffen. Multikopter werden im Freizeitbereich, aber auch als kommerziell eingesetzte Plattformen für fliegende Kamerasysteme genutzt. Getrieben durch die Entwicklungen auf den Gebieten der elektrochemischen Energiespeicher (Lithium-Ionenakkumulatoren) sowie der bürstenlosen Gleichstrommotoren werden gegenwärtig immer leistungsfähigere elektrisch angetriebene Drehflügel-Fluggeräte verfügbar.
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Allgemeine Lösungen zu Multikoptern sind in der Patentliteratur in großer Anzahl beschrieben, darunter sind auch vertikalstartfähige Fluggeräte, die eine Person aufnehmen können und ein freies Fliegen ermöglichen. Bei diesen elektrisch angetriebenen senkrecht startenden und landenden Fluggeräten handelt es sich um Anordnungen von zumindest zwei, zumeist aber vier oder mehr Luftschrauben, die zumeist jeweils einen separaten Elektromotor als Antrieb aufweisen. Die Steuerung und Lageregelung erfolgt mittels eines elektronischen Lagesensors in Einheit mit einer Signalverarbeitungseinrichtung, über die die Antriebe einzeln angesteuert werden.
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DE 10245351 A1 beschreibt ein Fluggerät zur Aufnahme mindestens einer Person, wobei das Fluggerät vertikalstartfähig ist und eine Hubaggregatanordnung besitzt, die elektrisch, mittels Brennkraftmaschinen oder nach Art von Raketentriebwerken angetrieben ist. Die technische Ausgestaltung, insbesondere die der Lageregelung und Steuerung wird nicht näher beschrieben.
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DE 10 2013 108 204 A1 betrifft eine Bergungsvorrichtung für die Verwendung an einem Fluggerät sowie ein Fluggerät in Form eines Multikopters. Bei dieser Lösung ist die betreffende Person über ein Haltemittel mit dem Fluggerät verbunden.
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DE 10 2013 108 206 A1 beschreibet ein Fluggerät, vorzugsweise einen Multikopter zur Verwendung in einem Flugfahrgeschäft. Hier sitzt der Fahrgast mittig unterhalb der Luftschrauben.
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Die beiden zuletzt genannten Lösungen basieren auf dem Gebrauchsmuster
DE 20 2012 001 750 U1 , das einen Multikopter zur Beförderung einer oder mehrerer Personen und/oder Lasten beschreibt. Bei diesem Multikopter sind die Antriebe, die als Elektromotoren und Luftschrauben ausgebildet sind, in mehrfach reduntanter Anzahl angeordnet und mit zumindest einer zentraler Signalverarbeitungseinheit verbunden, die wiederum mit zumindest einem Lagesensor verknüpft ist. Dies entspricht dem bei Multikoptern im Flugmodellbereich üblichen Ansatz, eine automatisierte Lageregelung mittels schneller koordinierter Drehzahländerungen einzelner Antriebe zu ermöglichen. Dieses Konzept ist auf eine Mindestanzahl von drei Antrieben angewiesen, die um den Schwerpunkt des Fluggeräts herum angeordnet sind.
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Eine weitere Lösung, die mit nur zwei Antrieben auskommt, ist im Internet unter dem Stichwort „Manni Quinn-Duocopter” zu finden. Hier sind in Schulterhöhe beidseitig der lebensgroßen Puppe entsprechende ummantelte Luftschrauben angeordnet. Bei diesem Fluggerät werden die Luftschraubenebenen zur Steuerung mittels Servomotoren gegeneinander verkippt, wobei die Lageregelung und Steuerung wiederum rechnergestützt und mittels eines integrierten Lagesensors erfolgt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Aufbau elektrisch angetriebener, Personen-tragender, senkrecht startender Fluggeräte gegenüber den vorgenannten Lösungen signifikant zu vereinfachen, wodurch vergleichsweise niedrige Kosten für Anschaffung, Wartung und Betrieb derartiger Fluggeräte sowie ein vergleichsweise geringer Energieverbrauch ermöglicht werden. Gleichzeitig soll die Erfindung ein geringes Transportmaß sowie ein äußerst geringes Eigengewicht des Fluggeräts ermöglichen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung weist die im Folgenden ausgeführten konstruktiven Merkmale auf. Die Zahlen und Buchstaben in Klammern beziehen sich auf die Bezugszeichen in den 1 und 2.
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Das Fluggerät beruht auf einem Träger (1), der als Grundgerüst dient. Im Flug hängt der Pilot/die Pilotin (2) (im Folgenden „Pilot”) aufrecht oder in einer sitzenden Stellung unterhalb des Trägers (1), wobei der Pilot mit Gurtzeug (6) oder ähnlichem mit dem Träger verbunden ist. Am Boden trägt der Pilot den Träger einschließlich der Antriebe mit seinen Armen oder durch Abstützen auf der Schulter. An den äußeren Enden des Trägers (links und rechts außen) ist jeweils ein Antrieb befestigt. Ein Antrieb besteht jeweils aus einem Elektromotor (3) und einer Luftschraube (4) (Rotor, Propeller). Beide Antriebe bestehen aus gleichen Komponenten, wobei die Luftschrauben in gegenläufige Richtungen drehen und somit einander antisymmetrische Form aufweisen. Durch die Anordnung der Antriebe mit der Luftschraubenebene in etwa parallel zum Boden wirkt die Schubkraft des im Flug befindlichen Fluggeräts in etwa der Schwerkraft entgegen. Insbesondere ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät keine automatische Lagekontrolle/Lageregelung besitzt, die z. B. elektronisch/rechnergestützt und mit Lagesensoren funktioniert. Die Steuerung um die Längsachse (La) und Querachse (Q) erfolgt manuell durch den Piloten durch Kippen der Luftschraubenebene gegenüber der Horizontalen.
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Die tragende Struktur des Trägers ist leicht und gleichzeitig biegesteif und -fest ausgelegt. Bevorzugt besteht der Träger aus einem Kohlefaser-verstärktem Kunststoffrohr (CFK-Rohr) mit einem Durchmesser zwischen 4 cm und 25 cm, besonders bevorzugt mit einem Durchmesser von ca. 10 cm, oder einem anderen CFK-Hohlprofil. Die Länge des Trägers beträgt bevorzugt zwischen 130 cm und 210 cm, besonders bevorzugt zwischen 140 cm und 170 cm. In der Mitte des Trägers befindet sich eine Aufnahme, an der das Gurtzeug (6) des Piloten befestigt ist. Bevorzugt ist die Aufnahme als zwei Stangen ausgeführt, die mit einer Stützkonstruktion auf den Schultern des Piloten ruht, solange sich dieser am Boden befindet. Im Flug hängt der Pilot mit dieser Aufnahme am Träger. Oberhalb des Piloten ist eine oder zwei Steuerstangen (5) am Träger fest (unbeweglich) angebracht. Der Pilot steuert das Fluggerät, indem er mit seinen Armen seitliche Kräfte auf die Steuerstange ausübt, wodurch der Träger (und somit die Luftschraubenebene) leicht um die Längsachse (La) und Querachse (Q) gekippt wird. Für einen stabilen Flug muss der Pilot die Luftschraubenebene ständig neu ausrichten, um die Flugrichtung und -bewegung zu kontrollieren. Für eine verbesserte Richtungsstabilität im Vorwärtsflug kann es von Vorteil sein, einen oder mehrere Ausleger nach hinten, in etwa senkrecht zum Träger, anzubringen und diese(n) Ausleger (jeweils) mit einer Finne oder ähnlichem auszustatten.
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Als Elektromotoren (3) werden vorzugsweise bürstenlose Gleichstrommotoren eingesetzt. Diese weisen ein günstiges Leistungs/Gewichts-Verhältnis auf, sind zu vergleichsweise günstigen Preisen verfügbar, sind weitgehend wartungs- und verschleißfrei und zuverlässig.
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Jeder Elektromotor wird von Hochleistungsakkumulatoren (7) mit Energie versorgt. Als Akkutyp kommen beim aktuellen Stand der Technik vorzugsweise Lithium-Polymer-Akkus infrage, die über eine hohe Energiedichte verfügen und als Massenprodukt beispielsweise im Modellflugbedarf relativ kostengünstig verfügbar sind. Jeder Elektromotor wird von einem eigenen Motorregler (8) mit dem erforderlichen dreiphasigen Strom versorgt. Regler und Akkus sind vorzugsweise direkt neben dem jeweiligen Motor angeordnet, um elektrische Leitungen kurz ausführen zu können. Da die Leitungen zwischen Akku und Regler sowie zwischen Regler und Elektromotor hohe Ströme zu leiten haben, sind kurze Leitungen (jedoch mit entsprechend hohem Leitungsquerschnitt) vorteilhaft für geringes Gewicht und für geringe elektrische Verluste.
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Beide Motorregler (8) werden von einer Bedieneinheit, die sich an einer Steuerstange befindet, mit dem Steuersignal versorgt. Beispielsweise werden bei Motorreglern aus dem Modellbauzubehör in der Regel pulsweitenmodulierte Signale verwendet. Die Bedieneinheit kann so ausgeführt sein, dass sie jedem Regler ein individuelles Steuersignal zuführt, sodass die Leistung beider Antriebe vorgegeben und feinjustiert werden kann. Die Bedienelemente können dabei dabei so ausgeführt sein, dass im Leistungsbereich um die für den Schwebeflug nötige Leistung herum eine feine Leistungsregelung möglich ist. Unterhalb dieses Leistungsbereichs (z. B. zwischen 0% und 80% der Schwebeflugleistung) kann die Kontrolle der Leistung grober realisiert werden.
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Die beiden Luftschrauben müssen für einen stabilen Flug entgegengesetzt rotieren. Dies ist ohne weiteres mit identischen Elektromotoren und Reglern zu realisieren. Die Luftschrauben müssen jedoch über einander antisymmetrische (entgegengesetzte) Steigung verfügen. Bei gleicher Drehzahl der ansonsten völlig gleich aufgebauten Antriebe ist das Gesamtdrehmoment um die Hochachse (H) des Fluggeräts gleich Null. Eine Steuerung um die Hochachse (Giersteuerung) lässt sich zumindest auf zwei verschiedenen Wegen realisieren:
- (i) Durch Torsion des Trägers (1) um seine Achse werden die Ebenen der Luftschrauben beider Antriebe leicht nach vorn bzw. hinten geneigt. Durch eine Schubkomponente nach hinten bzw. nach vorn tritt ein Nettodrehmoment um die Hochachse (H) auf, das das Fluggerät samt Pilot um die Hochachse rotieren lässt. Dafür weist der Träger (1) zwischen den Befestigungspunkten von zwei Steuerstangen (5) bevorzugt eine Torsionssteifigkeit zwischen 10 und 10.000 Nm/rad, besonders bevorzugt zwischen 100 und 1000 Nm/rad, auf.
- (ii) Mittels eines Bedienelements und über eine elektrische oder elektronische Schaltung wird für Drehung um die Hochachse (H) die Drehzahl des einen Antriebs leicht reduziert, während die Drehzahl des anderen Antriebs leicht angehoben wird. Bei konstantem Gesamtschub tritt damit ein Nettodrehmoment um die Hochachse (H) des Fluggeräts auf. Vorzugsweise ist, wie in 2 skizziert, für diese Ausgestaltung der Giersteuerung die Drehrichtung des rechten Antriebs R (vom Pilot aus gesehen) in der Aufsicht (von oben gesehen) im Uhrzeigersinn und die Drehrichtung des linken Antriebs L entgegen des Uhrzeigersinns. Durch diese Anordnung ergibt sich im Vorwärtsflug ein günstiges Rollmoment um die Längsachse (La) – das Fluggerät legt sich selbstständig „in die Kurve”.
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Die Mittelpunkte der Antriebe, die mit den jeweiligen Drehachsen der Luftschrauben zusammen liegen, liegen mindestens um einen Luftschraubendurchmesser voneinander entfernt, damit die Luftschraubenblätter einander nicht berühren oder überlappen können. Vorzugsweise sind die Luftschrauben jedoch soweit voneinander entfernt, dass sich der Pilot in der Mitte zwischen beiden Luftschrauben nicht in deren unmittelbarem Abwind befindet. Dafür beträgt der Abstand der Drehachsen mindestens einen Luftschraubendurchmesser plus 60 cm. Der bevorzugte Bereich für den Durchmesser einer Luftschraube liegt zwischen 70 und 150 cm, besonders bevorzugt zwischen 80 und 110 cm. Die Luftschrauben können als Zwei- oder Mehrblattluftschrauben ausgeführt sein, wobei Zweiblattluftschrauben für ein kompaktes Transportmaß besonders bevorzugt sind.
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Sicherheit im Flug kann in erster Linie dadurch erreicht werden, dass nur vielfach erprobte und entsprechend zuverlässige Produkte als Komponenten des Fluggeräts eingesetzt werden. Zudem ist der Aufbau einfach. Durch die geringe Anzahl beweglicher Bauteile und elektronischer Komponenten (Leistungselektronik der Motorregler) ist die Ausfallwahrscheinlichkeit insgesamt gering. Mechanischem Versagen wird durch entsprechende Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung vorgebeugt. Die elektrischen/elektronischen Bauteile werden so ausgewählt, dass eine maximale Zuverlässigkeit erreicht wird. Gegebenenfalls werden die kritischen Bedienelemente (Leistungssteller, Notabschaltung) redundant ausgeführt. Die Anordnung der Luftschrauben erlaubt dem Piloten das Tragen eines Rettungsfallschirms. Vorzugsweise ist das Auslösen des Rettungsfallschirms an das automatische, aktive Abbremsen der Luftschrauben sowie die anschließende Notabschaltung der Hochstromelektronik gekoppelt. Der Fallschirm kann jedoch prinzipbedingt nur in größeren Höhen (> 50 m) eingesetzt werden. Im Höhenbereich bis ca. 50 m wären zur Absicherung gegen (unwahrscheinliche) Ausfälle des Fluggeräts oder Steuerfehler andere Rettungseinrichtungen nötig. Denkbar sind raketenbetriebene Rettungsfallschirme oder Airbags, die am Fluggerät angebracht sind oder vom Piloten selbst getragen werden, sowie Fangnetze am Boden, wenn nicht gar ausschließlich in geringen Höhen oder nur über Wasserflächen geflogen wird. Die Anwendung über Wasserflächen (als Wasser-/Luftsportgerät) hätte den Vorteil, dass im Falle eines Absturzes bei entsprechenden Vorkehrungen (z. B. Bekleidung des Piloten) keine schweren Verletzungen zu erwarten sind. Für den Einsatz über Wasserflächen können die elektrischen Komponenten wasserdicht ausgelegt sein oder die Anschlüsse der (wasserdicht verpackten) Akkumulatoren werden bei Wasserkontakt des Fluggeräts automatisch spannungslos geschaltet.
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Mit einem solchen Fluggerät kann eine Person auf sehr energieeffiziente Weise senkrecht abheben, sich frei in der Luft bewegen und senkrecht landen. Anwendung findet die Erfindung potentiell im Luftsport/Flugsport, als Freizeitattraktion (z. B. auch innerhalb geschlossener Gebäude/Hallen) oder, entsprechendes Können des Piloten vorausgesetzt, im Individual-Personennahverkehr.
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Ein einfacher Aufbau, das geringe Eigengewicht, geringer Energieverbrauch sowie Wartungsfreiheit bewirken im Vergleich zum Stand der Technik äußerst geringe Kosten für Anschaffung, Wartung und Betrieb. Gleichzeitig sorgt ein geringes Transportmaß für Vorteile in der Handhabung. Die erreichbare Flugdauer ist durch die Energiedichte der verfügbaren Akkumulatoren limitiert. Es zeichnet sich jedoch diesbezüglich eine rasche Fortentwicklung der Stromspeicher-Technologie ab, die dieser Erfindung zu gute kommen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorgeschlagene Anordnung wird nachfolgend nochmals anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Skizze der Vorderansicht des Fluggeräts mit Pilot
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2 eine Skizze der Aufsicht auf das Fluggerät zur Verdeutlichung der Drehrichtung der Luftschrauben für eine vorteilhafte Giersteuerung wie auf Seite – 7 – unter (ii) beschrieben
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Anordnung wird im Folgenden beispielhaft anhand einer vorteilhaften Dimensionierung erläutert. Anhand einer Gewichtskalkulation wird die zu erwartende leichte Handhabung und Kompaktheit des Fluggeräts untersetzt.
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Das folgende Beispiel einer vorteilhaften Dimensionierung ergänzt das Ausführungsbeispiel, wie es in den 1 und 2 abgebildet ist. Die Komponenten für das Fluggerät mit zwei Antrieben sind:
- – Akkus für ca. 1,5 min Flugzeit: je Antrieb 4 Akkupacks (je 2 parallel, 2 seriell verschaltet) à 6 Lithium-Polymer-Zellen (= 22,2 V) mit 3800 mAh.
- – bürstenlose Elektromotoren mit integrierter Zwangskühlung, Spitzenleistung ca. 15 kW, Nennspannung ca. 50 V, Nenndauerstrom 250 A mit passenden Reglern, zum Beispiel aus Modellflugzubehör
- – Bedieneinheit mit Potentiometern, Kabel, Verbinderstecker aus dem Elektronikfachhandel
- – Gurtzeug aus Kletterbedarf oder Rettungsfallschirm
- – Zweiblattluftschrauben, Durchmesser 40 Zoll, Steigung 10 Zoll, Schub je ca. 57 kg bei 4200 U/min
- – Träger aus CFK-Rohr (DM 80 mm, 165 cm lang)
- – Steuerstangen aus CFK-Rohr (DM 38 mm, je 75 cm lang)
Gewichtskalkulation: | Gegenstand | Bauteil | Gewicht pro Stück (kg) | Anzahl | Gesamtgewicht (kg) |
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| Träger | CFK-Rohr 80 × 74 × 1650 mm | 1,9 | 1 | 1,9 |
| Steuerstange | CFK-Rohr 38 × 34 × 750 mm | 0,3 | 2 | 0,6 |
| Luftschraube | 40-Zoll-Luftschraube | 0,4 | 2 | 0,8 |
| Elektromotor | Brushless-EM (~15 kW) | 2,0 | 2 | 4,0 |
| Akkus | LiPo-Akkupack 6S, 3800 mAh | 0,7 | 8 | 5,6 |
| Regler | ESC mit > 250 A Strombelastbarkeit | 0,4 | 2 | 0,8 |
| Gurtzeug, Bedieneinheit mit Potentiometer, Kabel, Verbindungselemente (geschätzt) | 10,0 |
| Leergewicht: | 23,7 |
| Pilot | 75,0 |
| Summe: | 98,7 |
| Benötigter Schub: |
| Schub pro Antrieb (kg): | 49,4 |
| Schub pro Antrieb einschl. 20% Reserve (kg): | 59,3 |
| Schubkraft pro Antrieb einschl. 20% Reserve: | 582 N |
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Träger
- 2
- Pilot
- 3
- Elektromotor
- 4
- Luftschraube
- 5
- Steuerstange
- 6
- Gurtzeug
- 7
- Akkumulatoren
- 8
- Motorregler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10245351 A1 [0005]
- DE 102013108204 A1 [0006]
- DE 102013108206 A1 [0007]
- DE 202012001750 U1 [0008]
