DE102017122359A1 - Aircraft in kite configuration - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug (1) in Drachenkonfiguration, mit einem Rumpf (2), einem Tragflügel (5), einem über einen Leitwerksträger (6) vom Tragflügel (5) beabstandeten, im Bereich des Hecks (3) des Luftfahrzeugs (1) angeordneten Höhenleitwerk (7), welches ggf. zusammen mit einem Seitenleitwerk ausgebildet ist, wobei der Tragflügel (5) eine zumindest doppelt so große Spannweite (SW) aufweist wie das Höhenleitwerk (7), und wobei eine oder mehrere ansteuerbare Ruderklappen (8, 8; 8, 8, 8, 8) auf jeder Seite des Rumpfes (2) entlang je einer Scharnierlinie (S, S; S, S, S, S) an der Hinterkante des Tragflügels (5) angelenkt sind, sowie mit mindestens einem Antrieb (16a; 11, 16) zum Antreiben des Luftfahrzeugs (1). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest jeweils eine der besagten Ruderklappen (8, 8; 8, 8, 8, 8) auf jeder Seite des Rumpfes (2) als Elevon ausgebildet ist, welche sowohl die Funktion von Querruder als auch Höhenruder übernimmt, wobei die Geometrien des Luftfahrzeugs (1) derart ausgelegt sind, dass der Quotient c/t größer als -0,25 ist, wobei t die mittlere Tiefe des Tragflügels (5) ist und für cgilt:wobei cder in x-Richtung des Luftfahrzeugs (1) gemessene Abstand vom Massenschwerpunkt (20) des Luftfahrzeugs (1) zum jeweiligen Scharnierlinienmittelpunkt (SP, SP; SP, SP, SP, SP) der Scharnierlinie (S, S; S, S, S, S) jeder der besagten ansteuerbaren Ruderklappen (8, 8; 8, 8, 8, 8) und SLdie Scharnierlinienlänge (SL, SL; SL, SL, SL, SL) der zu der jeweiligen Ruderklappe (8, 8; 8, 8, 8, 8) zugehörigen Scharnierlinie (S, S; S, S, S, S) ist.The invention relates to an aircraft (1) in a kite configuration, comprising a fuselage (2), an aerofoil (5) and a tailplane (6) spaced from the wing (5) in the region of the stern (3) of the aircraft (1). arranged tailplane (7), which is optionally formed together with a rudder, wherein the wing (5) has at least twice as wide span (SW) as the tailplane (7), and wherein one or more controllable rudder flaps (8, 8 8, 8, 8, 8) are articulated on each side of the fuselage (2) along a respective hinge line (S, S; S, S, S, S) at the trailing edge of the wing (5), and with at least one drive (16a, 11, 16) for driving the aircraft (1). The invention is characterized in that at least one of said rudder flaps (8, 8, 8, 8, 8, 8) is formed on each side of the fuselage (2) as an elevon, which performs both aileron and elevator functions wherein the geometries of the aircraft (1) are designed such that the quotient c / t is greater than -0.25, where t is the mean depth of the wing (5) and cgilt: where c in the x-direction of the aircraft (1) Measured distance from the center of gravity (20) of the aircraft (1) to the respective hinge line center (SP, SP, SP, SP, SP) of the hinge line (S, S, S, S, S, S) of each of the controllable ones Rudder flaps (8, 8, 8, 8, 8, 8) and SL the hinge line length (SL, SL, SL, SL, SL, SL) of the hinge line associated with the respective rudder flap (8, 8, 8, 8, 8, 8) (S, S, S, S, S, S).
Description
Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug in Drachenkonfiguration nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to an aircraft in kite configuration according to the preamble of the independent claims.
Die Drachenkonfiguration ist die allgemein in der Luftfahrt verwendete Konfiguration. Größere Passagierflugzeuge, kleinere Propellerflugzeuge, Segelflieger etc. werden in dieser Konfiguration gebaut. In aller Regel weisen diese Luftfahrzeuge ein Seitenruder am Seitenleitwerk zum Drehen des Luftfahrzeugs um die Hochachse, Höhenruder am mit dem Seitenleitwerk gekoppelten Höhenleitwerk zum Drehen des Luftfahrzeugs um die Querachse, und Querruder am Tragflügel auf, das zum Drehen des Luftfahrzeugs um die Längsachse vorgesehen ist. Für bestimmte Flugmanöver werden mehrere der Ruder gleichzeitig oder kurz nacheinander betätigt. Beim Kurvenflug ohne Höhenverlust wird bei vielen Luftfahrzeugen in Drachenkonfiguration beispielsweise zuerst mit dem Querruder eine Neigung um die Längsachse aufgebaut. Anschließend wird unter Beibehaltung der Neigung das Höhenruder so stark betätigt, dass kein Höhenverlust auftritt. Das Seitenruder kann zum Ein- und Ausleiten des Kurvenflugs ebenfalls betätigt werden.The kite configuration is the configuration commonly used in aviation. Larger passenger planes, smaller propeller aircraft, gliders, etc. are built in this configuration. Typically, these aircraft include a rudder on the rudder for rotating the aircraft about the vertical axis, elevator on the tailplane coupled tailplane for rotating the aircraft about the transverse axis, and ailerons on the wing intended for rotating the aircraft about the longitudinal axis. For certain maneuvers, several of the rudders are operated simultaneously or in quick succession. For example, when cornering without loss of altitude, many aircraft in kite configuration first build a pitch about the longitudinal axis with the aileron. Then, while maintaining the inclination, the elevator is operated so strongly that no loss of height occurs. The rudder can also be operated to enter and exit the turn.
Es hat in der Vergangenheit immer wieder Bestrebungen gegeben, alternative Steuerkonzepte bei Luftfahrzeugen, die in Drachenkonfiguration gebaut sind, zu realisieren. Bisher sind aber keine Konzepte bekannt geworden, die sich insbesondere bei der beschriebenen 3-Achsen-Steuerung als erfolgreich erwiesen haben.There have been many attempts in the past to realize alternative control concepts for aircraft built in kite configuration. So far, however, no concepts have become known which have proven to be particularly successful in the described 3-axis control.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Luftfahrzeug in Drachenkonfiguration, bei dem die Spannweite des Tragflügels mindestens doppelt so groß ist wie die Spannweite des Höhenleitwerks, mit einem neuartigen Steuerkonzept zur Verfügung zu stellen, das insgesamt weniger baulichen Aufwand benötigt, ohne dass die Flugleistung leidet.It is an object of the present invention to provide an aircraft in kite configuration in which the span of the wing is at least twice as large as the span of the tailplane, with a novel control concept that requires less overall construction effort without the flight performance suffers ,
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Entsprechend der Erfindung gemäß Anspruch 1 sind zumindest einige der Ruderklappen an der Hinterkante der Tragflächen als Elevons ausgebildet, welche sowohl die Funktion von einem Querruder als auch von einem Höhenruder übernehmen. Hierbei ist zumindest eine Ruderklappe auf jeder Seite des Rumpfes als derartiges Elevon ausgebildet. Zusätzlich können eine oder mehrere ansteuerbare Ruderklappen an der Hinterkante des Tragflügels vorgesehen sein, welche ausschließlich die Funktion eines Höhenruders ausüben, um den Anstellwinkel zu kontrollieren. Auch ist es möglich, dass auf jeder Seite des Rumpfes ein oder mehrere als Elevons ausgebildete ansteuerbare Ruderklappen am Tragflügel vorgesehen sind, während nur auf einer Seite des Tragflügels eine als Höhenruder ausgebildete ansteuerbare Ruderklappe angeordnet ist. Allgemein ausgedrückt ist es nicht notwendig, dass die Elevons und auch die reinen Höhenruder in jeweils gleicher Anzahl und/oder symmetrisch zu beiden Seiten des Rumpfes angeordnet sind.This object is achieved by the features of the independent claims. According to the invention according to
Gemäß der Erfindung ist der Quotient
Hierbei ist
Außerdem wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Bei dieser Ausführung der Erfindung sind nur auf einer Seite des Rumpfs ein oder mehrere der ansteuerbaren Ruderklappen am Tragflügel als Elevons ausgeführt, während auf der anderen Seite des Rumpfes ein oder mehrere der ansteuerbaren Ruderklappen als reine Höhenruder ausgebildet sind bzw. als solche angesteuert werden. Es ist auch möglich, dass auf der Seite des oder der Elevons noch ein oder mehrere reine Höhenruder vorgesehen sind. Bei all diesen Fällen gilt ebenfalls oben genannte Formel, in welche ebenfalls alle ansteuerbaren Ruderklappen einfließen, unabhängig von ihrer Ausführung als Elevon oder reines Höhenruder.In addition, the object is solved by the features of
Eine Ausführungsform gemäß Anspruch 3 ist also beispielsweise, dass an der linken Tragflügelhälfte eine als Elevon ausgebildete ansteuerbare Ruderklappe vorhanden ist und an der rechten Tragflügelhälfte ein als reines Höhenruder dienende ansteuerbare Ruderklappe. Auch bei einer solchen Ruderklappenkonstellation lassen sich stabile und gut steuerbare Flugzustände erreichen.An embodiment according to
Bei den erfindungsgemäßen Luftfahrzeugen ist es möglich, auf ein Höhenruder am Höhenleitwerk zu verzichten. Diese Ausgestaltung ohne Höhenruder am Höhenleitwerk ist eine besonders bevorzugte Ausführung gemäß der Erfindung. Somit kann auf entsprechende Steuerelemente, ggf. aerodynamisch ungünstige Anlenkungen, Antriebe bzw. Aktoren etc. verzichtet werden, wodurch nicht zuletzt auch Gewicht eingespart wird. Weiter kann beispielsweise der Ausfall eines Antriebs für eine oder mehrere Ruderklappen am Tragflügel oder ein sonstiger Ausfall von einer oder mehreren Ruderklappen leichter kompensiert werden als der Ausfall eines Höhenruders am Höhenleitwerk.In the aircraft according to the invention, it is possible to dispense with an elevator on the horizontal stabilizer. This embodiment without elevator on the horizontal stabilizer is a particularly preferred embodiment according to the invention. Thus, appropriate control elements, possibly aerodynamically unfavorable linkages, drives or actuators, etc. are dispensed with, which not least weight is saved. Further, for example, the failure of a drive for one or more rudder flaps on the wing or any other failure of one or more rudder flaps are easier compensated than the failure of an elevator on the tailplane.
Die mittlere Tiefe
Elevons sind prinzipiell bekannt, sie stellen eine Kombination aus Höhenruder und Querruder dar. Aus dieser Kombination ergibt sich der Begriff „Elevon“, der ein Kofferwort aus den englischen Begriffen „elevator“ (Höhenruder) und „aileron“ (Querruder) ist. Elevons werden bei Deltaflüglern und Nurflüglern, die beide keine Drachenkonfiguration aufweisen, eingesetzt. Bisher ist es jedoch noch nicht gelungen, Elevons bei Luftfahrzeugen in Drachenkonfiguration zu realisieren. Dies ist erstmals im Rahmen dieser Erfindung mittels der Merkmale des Anspruchs 1 gelungen.Elevons are known in principle, they represent a combination of elevator and ailerons. From this combination results in the term "Elevon", which is a portmanteau word from the English words "elevator" (elevator) and "aileron" (aileron). Elevons are used with delta-wingers and flying-wingers, both of which have no kite configuration. So far, however, it has not been possible to realize Elevons in aircraft in kite configuration. This is the first time in the context of this invention by means of the features of
Die ansteuerbaren Ruderklappen am Tragflügel, unabhängig von ihrer Ausbildung als Elevon oder reines Höhenruder, fungieren bei einem Ausschlag in positiver oder negativer Richtung gleichzeitig auch als Wölbklappen, welche bei ihrer Betätigung das Tragflügelprofil hinsichtlich seines Widerstands und seines Auftriebs verändern. Beim Betätigen der ansteuerbaren Ruderklappen nach unten (positiver Winkelausschlag) wird nicht nur das Profil für größere Anstellwinkel optimiert, sondern das Flugzeug wird automatisch in einen erhöhten Anstellwinkel getrimmt. Idealerweise wird genau in den erhöhten Anstellwinkel getrimmt, für den das Profil optimiert ist.The controllable rudder flaps on the wing, regardless of their training as Elevon or pure elevator, act at a rash in the positive or negative direction at the same time as flaps, which change in their operation, the wing profile in terms of its resistance and its buoyancy. When actuating the controllable rudder flaps downwards (positive angular deflection) not only the profile is optimized for larger angles of attack, but the aircraft is automatically trimmed in an increased angle of attack. Ideally, it is trimmed exactly in the increased angle of attack for which the profile is optimized.
Es ist ein Grundgedanke der Erfindung, dass der Massenschwerpunkt des Luftfahrzeugs (in Flugrichtung, unabhängig von der Zuladung) und die Scharnierlinienmittelpunkte, die im Wesentlichen den Klappendrehpunkten gleichen, in x-Richtung relativ nahe beieinander liegen. Auf diese Weise greift die resultierende zusätzliche Auftriebskraft, die durch positive Auslenkung, d.h. Auslenkung nach unten, der angesteuerten Ruderklappen entsteht, sehr nahe an diesen Scharnierlinienmittelpunkten bzw. Klappendrehpunkten an. Wenn der besagte Abstand und damit der besagte Quotient hingegen größer gewählt wird, kann eine Variation anderer Parameter, beispielsweise der Leitwerkshebelarm, die Größe des Höhenleitwerks, das Stabilitätsmaß, etc. dies nicht kompensieren und eine Flugtauglichkeit ist nicht mehr gegeben.It is a basic idea of the invention that the center of mass of the aircraft (in the direction of flight, independent of the payload) and the hinge line centers, which are essentially the same as the flap pivot points, are relatively close to one another in the x-direction. In this way, the resulting additional buoyancy force generated by positive displacement, i. Deflection down, the controlled rudder flaps is formed, very close to these hinge line centers or flap fulcrums. On the other hand, if the said distance and thus the said quotient are chosen to be larger, a variation of other parameters, for example the tail lever arm, the size of the tailplane, the stability measure, etc., can not compensate for this and airworthiness no longer exists.
Bevorzugt ist der besagte Quotient
Wie oben ausgeführt, gilt die Berechnungsformel sowohl für den Fall, dass am Tragflügel auf jeder Rumpfseite ausschließlich - ein oder mehrere - als Elevons ausgebildete ansteuerbare Ruderklappen vorgesehen sind, oder ob zusätzlich ein oder mehrere weitere ansteuerbare Ruderklappen als reine Höhenruder an der Hinterkante des Tragflügels angelenkt sind. Auch gilt die o.g. Formel für den Fall des Anspruchs 3, nämlich dass ein oder mehrere Elevons auf nur einer Seite des Rumpfes und ein oder mehrere Höhenruder auf der anderen Seite des Rumpfes vorgesehen sind. Jede dieser Ruderklappen wird mit ihrem Scharnierlinienmittelpunkt, ihrer Scharnierlinienlänge und dem Abstand dieses Scharnierlinienmittelpunkts zum Massenschwerpunkt des Luftfahrzeugs (in x-Richtung des Luftfahrzeugs gesehen) in der Formel berücksichtigt.As stated above, the calculation formula applies both to the case that on the wing on each fuselage side exclusively - one or more - designed as elevons controllable control valves are provided, or whether additionally one or more other controllable rudder flaps articulated as pure elevator at the trailing edge of the wing are. Also applies the above formula for the case of
Es hat sich in bestimmten Fällen als vorteilhaft erwiesen, wenn im Falle von mehreren nebeneinander angeordneten Elevons auf jeder Seite des Rumpfes die jeweils inneren Elevons bei Flugmanövern derart angesteuert werden können, dass sie bei einem positiven Höhenruderausschlag mehr ausschlagen als die jeweils äußeren. Der Vorteil dieser Ansteuerung liegt darin, dass die innere Flügelsektion dann früher zum Auftriebsversagen gezwungen wird als die äußere, und somit das Luftfahrzeug bei zu langsamen Fluggeschwindigkeiten selbstständig den Anstellwinkel reduziert, ohne dass es zu einem Abkippen über eine Flügelhälfte kommt. Dieses Flugverhalten wird von Piloten oft als besonders angenehm und sicher empfunden.It has proven to be advantageous in certain cases, if in the case of several juxtaposed elevons on each side of the fuselage, the respective inner elevons can be controlled in maneuvers such that they turn out in a positive elevator rudder more than the respective outer. The advantage of this control is that the inner wing section is then forced earlier to buoyancy failure than the outer, and thus the aircraft at low airspeeds independently reduces the angle of attack, without causing it to tip over a wing half. This flight behavior is often perceived by pilots to be particularly pleasant and safe.
Auch haben sich Konstruktionen als sehr flugtauglich erwiesen, bei denen je eine äußere ansteuerbare Ruderklappe als Elevon und je eine innere ansteuerbare Ruderklappe als ausschließliches Höhenruder ausgebildet ist. Die inneren Ruderklappen werden dann stets gleichsinnig ausgelenkt, während die äußeren Ruderklappen wahlweise ebenfalls gleichsinnig ausgelenkt werden können (und dann auch als - zusätzliche - Höhenruder dienen) oder gegensinnig zur Drehung um die Längsachse des Luftfahrzeugs (Querruderfunktion). Auch die umgekehrte Konstruktion (innere Ruderklappen sind Elevons, äußere Ruderklappen dienen ausschließlich als Höhenruder) ist möglich. Andere generell vergleichbare Konstruktionen, wie beispielsweise zwei äußere und zwei mittlere Elevons und zwei innere ausschließliche Höhenruder am Tragflügel, sind ebenfalls ohne weiteres möglich. Allgemein ausgedrückt ist es bei bestimmten Ausführungsformen bevorzugt, dass einige der ansteuerbaren Ruderklappen am Tragflügel als Elevons ausgebildet sind, während die übrigen ansteuerbaren Ruderklappen als reine Höhenruder ausgebildet sind bzw. als reine Höhenruder angesteuert werden bzw. als reine Höhenruder dienen.Also, constructions have proven to be very suitable for flying, in each of which an externally controllable rudder flap as Elevon and each an inner controllable rudder flap is designed as exclusive elevator. The inner rudder flaps are then always deflected in the same direction, while the outer rudder flaps can optionally also be deflected in the same direction (and then as - additional - serve elevator) or in opposite directions for rotation about the longitudinal axis of the aircraft (aileron function). The reverse construction (inner rudder valves are Elevons, outer rudder valves serve exclusively as elevator) is possible. Other generally comparable constructions, such as two outer and two middle elevons and two inner exclusive elevators on the wing, are also readily possible. Generally speaking, in certain embodiments it is preferred that some of the controllable rudder flaps on the wing are designed as elevons, while the other controllable rudder flaps are designed as pure elevator or are controlled as a pure elevator or serve as a pure elevator.
Beim erfindungsgemäßen Luftfahrzeug liegt vorteilhafterweise die arithmetisch ermittelte mittlere Wölbung der Profile des Tragflügels im Geradeausflug zwischen 1% und 4,5%, vorzugsweise zwischen 2% und 4%, besonders bevorzugt zwischen 2,5% bis 3,5%. Eine solche mittlere Wölbung hat sich beispielsweise bei dem in den nachfolgenden Figuren dargestellten Luftfahrzeug als sehr guter Kompromiss zwischen Leistung und Steuerbarkeit erwiesen.In the case of the aircraft according to the invention, the arithmetically determined average curvature of the profiles of the wing in straight flight is advantageously between 1% and 4.5%, preferably between 2% and 4%, particularly preferably between 2.5% and 3.5%. Such an average curvature has proven to be a very good compromise between performance and controllability, for example, in the aircraft shown in the following figures.
Es hat sich als vorteilhaft - insbesondere für ein Luftfahrzeug entsprechend der nachfolgenden Figuren - erwiesen, wenn der Auftriebsbeiwert im Geradeausflug oberhalb von 0,5 liegt, beispielsweise oberhalb von 0,6 oder 0,9, und/oder dass der Auftriebsbeiwert im Geradeausflug unterhalb von 2 liegt, beispielsweise unterhalb von 1,5, vorzugsweise unterhalb von 1,2.It has proven to be advantageous - in particular for an aircraft according to the following figures - if the lift coefficient in straight flight above 0.5, for example above 0.6 or 0.9, and / or that the lift coefficient in straight flight below 2, for example below 1.5, preferably below 1.2.
Des Weiteren beträgt die Flächenbelastung des Tragflügels vorzugsweise mehr als 100 g/dm2. Auch schwere Lasten sind demnach mittels des Luftfahrzeugs transportierbar. Insbesondere lassen sich aber auch höhere Fluggeschwindigkeiten mittels einer derart hohen Flächenbelastung erreichen.Furthermore, the surface load of the wing is preferably more than 100 g / dm 2 . Even heavy loads are therefore transportable by means of the aircraft. In particular, however, higher flying speeds can also be achieved by means of such a high surface loading.
Die maximale Gleitzahl des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs beträgt mehr als 10, vorzugsweise mehr als 15.The maximum glide number of the aircraft according to the invention is more than 10, preferably more than 15.
Besonders bevorzugt ist eine Regelung in Form eines Autopiloten vorgesehen, wobei als zumindest eine Regelungsgröße die Querachse des Luftfahrzeugs herangezogen wird. Hierbei wird die Lage des Flugzeugs um die Querachse geregelt.Particularly preferably, a control in the form of an autopilot is provided, wherein the transverse axis of the aircraft is used as at least one control variable. Here, the position of the aircraft is controlled about the transverse axis.
Es hat sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die arithmetisch ermittelte mittlere Klappentiefe der ansteuerbaren Ruderklappen größer als 25%, vorzugsweise größer als 30% beträgt. Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug weist somit besonders bevorzugt eine relativ große arithmetisch ermittelte mittlere Klappentiefe auf, die sich als sehr vorteilhaft für die Flugeigenschaften sowie die Steuerbarkeit erwiesen hat. Hierbei berechnet sich die durchschnittliche Klappentiefe als arithmetischer Mittelwert aller lokalen Klappentiefen, die sich jeweils aus einem lokalen Profilschnitt in x-Richtung ergeben, wobei hier lokal ermittelt wird, wie weit der jeweilige lokale Punkt der Scharnierlinie von der Hinterkantenseite (Endleiste) des Tragflügels entfernt ist, und dieser Abstand in Bezug zu der Gesamtprofiltiefe an dieser Stelle gesetzt wird.It has been found to be particularly advantageous if the arithmetically determined mean depth of the valve controllable control valves is greater than 25%, preferably greater than 30%. The aircraft according to the invention therefore particularly preferably has a relatively large arithmetically determined average baffle depth, which has proven to be very advantageous for flight characteristics and controllability. Here, the average baffle depth is calculated as arithmetic mean of all local flap depths, each resulting from a local profile section in the x-direction, here locally determined how far the respective local point of the hinge line of the trailing edge side (end bar) of the wing is removed , and this distance is set in relation to the total tread depth at this point.
Die Flügelstreckung der Tragfläche liegt vorzugsweise zwischen 5 und 25, besonders bevorzugt zwischen 8 und 18. Die Flügelstreckung ist eine dimensionslose Kennzahl für die Schlankheit einer Tragfläche. Sie ist definiert als das Verhältnis des Quadrats der Spannweite des Tragflügels zur Flügelfläche oder alternativ auch als Verhältnis der Spannweite zur mittleren Tiefe
Der Leitwerkshebelarm beträgt bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeug mindestens ein Drittel der Flügelspannweite und ist damit relativ groß gewählt. Der Leitwerkshebelarm ist definiert als in x-Richtung verlaufender Abstand vom Neutralpunkt der Tragfläche bis zum Neutralpunkt des Höhenleitwerks, geteilt durch die mittlere Tiefe
Besonders bevorzugt erstrecken sich die ansteuerbaren Ruderklappen am Tragflügel, also alle Elevons und alle ggf. zusätzlich vorhandenen reinen Höhenruder zusammen genommen, über mehr als 70% der Spannweite des Tragflügels. Auch eine Erstreckung der ansteuerbaren Ruderklappen am Tragflügel von über 80%, wie beispielsweise über 90%, und sogar über 95% bis hin zu 100% der Spannweite des Tragflügels ist bei bestimmten Ausführungen des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs vorteilhaft. Demgegenüber werden herkömmliche Querruder zumeist deutlich kürzer ausgeführt. Bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeug erleichtert eine Ausführung mit einer großen Erstreckung der ansteuerbaren Ruderklappen die Steuerung und verbessert die Effizienz.Particularly preferably, the controllable rudder flaps extend on the wing, so all Elevons and all possibly additionally existing pure elevator together taken over more than 70% of the span of the wing. An extension of the controllable rudder flaps on the wing of over 80%, such as over 90%, and even over 95% up to 100% of the span of the wing is advantageous in certain embodiments of the aircraft according to the invention. In contrast, conventional ailerons are usually made significantly shorter. In the aircraft according to the invention, an embodiment with a large extension of the controllable control valves facilitates the control and improves the efficiency.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass es zumindest einen hinteren und einen vorderen Antrieb zum Antreiben des Luftfahrzeugs aufweist, die in x-Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind. Bei diesbezüglichen Ausführungsbeispielen sind zwei hintere und zwei vordere Antriebe, oder zwei hintere Antriebe und ein vorderer Antrieb, oder ein hinterer Antrieb und zwei vordere Antriebe zum Antreiben des Luftfahrzeugs vorgesehen.A particularly preferred embodiment of the aircraft according to the invention is characterized in that it has at least one rear and one front drive for driving the aircraft, which are arranged spaced apart in the x-direction. In related embodiments, two rear and two front drives, or two rear drives and a front drive, or a rear drive and two front drives for driving the aircraft are provided.
Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ist vorteilhafterweise als senkrecht startendes Luftfahrzeug, vorzugsweise unbemanntes Fluggerät (UAV), Drohne und/oder unbemanntes Flugsystem (UAS), ausgebildet.The aircraft according to the invention is advantageously designed as a vertically take-off aircraft, preferably unmanned aerial vehicle (UAV), drone and / or unmanned aerial vehicle (UAS).
Die Lage des Luftfahrzeugs ist vorzugsweise beim Abheben (Schwebeposition) und im Reiseflug (Horizontalflug) im Wesentlichen die gleiche, wobei der Tragflügel starr ausgebildet und sowohl im Schwebeflug als auch im Horizontalflug im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.The position of the aircraft is preferably substantially the same during take-off (hovering position) and in cruising flight (horizontal flight), wherein the wing is of rigid design and oriented substantially horizontally both in hover and in horizontal flight.
Vorzugsweise sind einige der Antriebe zum Antreiben des Luftfahrzeugs mittels jeweils eines Schwenkmechanismus zwischen einer Senkrechtstartposition für den Schwebeflug und einer Horizontalflugposition für den Horizontalflug verschwenkbar. Damit können Antriebe sowohl für den Senkrechtstart (bei im Wesentlicher vertikal verschwenkten Antrieben) als auch im Reise- bzw. Horizontalflug (in waagerecht verschwenkter Position) eingesetzt werden.Preferably, some of the drives for driving the aircraft are pivotable by means of a respective pivoting mechanism between a vertical start position for the hover and a horizontal flight position for the horizontal flight. Thus, drives can be used both for the vertical start (in substantially vertically pivoted drives) and in travel or horizontal flight (in horizontal pivoted position).
Der besagte Tragflügel ist vorzugsweise sowohl im Schwebeflug als auch im Horizontalflug im Wesentlichen horizontal ausgerichtet und ermöglicht einen aerodynamischen Horizontalflug. Das Luftfahrzeug weist vorzugsweise weiterhin in Bezug auf den Massenschwerpunkt des Luftfahrzeugs mindestens einen in Horizontalflugrichtung gesehen hinteren regelbaren Antrieb, umfassend einen hinteren Motor und einen vom hinteren Motor angetriebenen hinteren Propeller, sowie mindestens einen in Horizontalflugrichtung gesehen vorderen regelbaren Antrieb, umfassend einen vorderen Motor und einen vom vorderen Motor angetriebenen Propeller auf. Hierbei sind die Motoren vorzugsweise Elektromotoren, und zumindest ein Teil der Antriebe ist mittels jeweils eines Schwenkmechanismus zwischen einer Senkrechtstartposition für den Schwebeflug und eine Horizontalflugposition für den Horizontal- bzw. Reiseflug verschwenkbar. Hierbei ist der mindestens eine hintere oder vordere Antrieb derart angeordnet und ausgelegt, dass er im Betrieb mehr als 50% der zum Schweben des Luftfahrzeugs notwenigen Schwebeflugschubkraft aufbringt und für den Horizontalflug abklappbar ausgebildet ist. Demgegenüber ist der mindestens eine vordere bzw. hintere Antrieb derart angeordnet und ausgebildet, dass er im Betrieb weniger als 50% der zum Schweben des Luftfahrzeugs notwenigen Schwebeflugschubkraft und mehr als 50% der Vortriebskraft, vorzugsweise 100%, im Horizontalflug aufbringt.Said wing is preferably oriented substantially horizontally both in hover and in horizontal flight and allows aerodynamic horizontal flight. The aircraft further preferably has at least one horizontal-direction rear-viewable drive comprising the rear engine and the rear-engine driven rear propeller with respect to the center of gravity of the aircraft, and at least one horizontal-direction controllable front-drive drive comprising a front engine and a from the front engine driven propeller. Here, the motors are preferably electric motors, and at least a part of the drives is pivotable by means of a respective pivot mechanism between a vertical start position for the hover and a horizontal flight position for the horizontal or cruise. Here, the at least one rear or front drive is arranged and designed such that it applies more than 50% of the necessary for hovering the aircraft hovering flight thrust during operation and is designed hinged for horizontal flight. In contrast, the at least one front or rear drive is arranged and designed so that it applies less than 50% of the necessary for hovering the aircraft hovering thrust and more than 50% of the driving force, preferably 100%, in horizontal flight during operation.
Bevorzugt ist der Massenschwerpunkt des Luftfahrzeugs außermittig in Bezug auf die hinteren und die vorderen Propeller angeordnet, wobei vorzugsweise der Massenschwerpunkt des Luftfahrzeugs näher an denjenigen Antrieben zum Antreiben des Luftfahrzeugs angeordnet ist, die mehr als 50% der Schwebeflugschubkraft aufbringen. Preferably, the center of mass of the aircraft is located off-center with respect to the rear and front propellers, preferably with the aircraft's center of mass being located closer to those propulsion units for the aircraft which provide more than 50% of the hovering thrust.
Der Durchmesser der Propeller derjenigen Antriebe, die mehr als 50% der Schwebeflugschubkraft aufbringen, ist bevorzugt größer als der Durchmesser der Propeller, die weniger als 50% der Schwebeflugschubkraft aufbringen, vorzugsweise um mindestens 5% größer, besonders bevorzugt um mindestens 10% größer.The diameter of the propellers of those drives which apply more than 50% of the hovering thrust force is preferably greater than the diameter of the propellers, which apply less than 50% of the hovering thrust, preferably at least 5% larger, more preferably at least 10% larger.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs in Drachenkonfiguration; -
2 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs in Drachenkonfiguration; -
3 eine perspektivische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs in Drachenkonfiguration im Schwebezustand; -
4 das Luftfahrzeug gemäß der3 im Schwebezustand, von der Seite gesehen; -
5 eine perspektivische Draufsicht auf das Luftfahrzeug gemäß der3 und 4 , nun im Horizontalflug; -
6 das Luftfahrzeug gemäß der5 im Horizontalflug, von der Seite gesehen; -
7 eine Draufsicht auf das im Schwebezustand befindliche Luftfahrzeug der3 -6 mit eingezeichnetem Massenschwerpunkt, und -
8 einevergrößerte Detailansicht von 7 .
-
1 a plan view of a first embodiment of an aircraft according to the invention in kite configuration; -
2 a plan view of a second embodiment of an aircraft according to the invention in kite configuration; -
3 a perspective top view of a third embodiment of an aircraft according to the invention in dragon configuration in limbo; -
4 the aircraft according to the3 in limbo, seen from the side; -
5 a perspective top view of the aircraft according to the3 and4 , now in level flight; -
6 the aircraft according to the5 in horizontal flight, seen from the side; -
7 a plan view of the suspended aircraft of the3 -6 with marked center of mass, and -
8th an enlarged detail view of7 ,
In der
An der Nase
Das Luftfahrzeug
Erfindungsgemäß sind an der Hinterkante der beiden Hälften des Tragflügels
Zudem ist dem Tragflügel
Des Weiteren ist der Massenschwerpunkt
Im Fall des ersten Ausführungsbeispiels der
Der besagte Quotient
Die arithmetisch ermittelte mittlere Klappentiefe der ansteuerbaren Ruderklappen
Wie den
Die Ausführungsform gemäß der
Die folgenden Werte haben sich als vorteilhaft für die Flugeigenschaften des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs
- - Die arithmetisch ermittelte mittlere Wölbung der Profile des
Tragflügels 5 im Geradeausflug liegt vorzugsweise zwischen 1 4,5%, weiterhin bevorzugt zwischen 2% und 4%, besonders bevorzugt zwischen 2,5% und 3,5%.% und - - Der Auftriebsbeiwert im Geradeausflug liegt oberhalb
von 0,5, beispielsweise oberhalbvon 0,6 oder 0,9. - - Der Auftriebsbeiwert im Geradeausflug liegt unterhalb
von 2, beispielsweise unterhalb 1,5, vorzugsweise unterhalbvon 1,2.von - - Die Flächenbelastung des Tragflügels
5 liegt vorzugsweise oberhalb von 100 g/dm2. - - Die Flügelstreckung beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 25, weiterhin bevorzugt zwischen 8
und 18. - - Der Leitwerkshebelarm beträgt vorzugsweise mindestens ein Drittel der Spannweite des
Tragflügels 5 . Der Leitwerkshebelarm ist vorliegend definiert als in x-Richtung verlaufender AbstandA (s.1 und2 ) vom NeutralpunktN1 der Tragfläche5 bis zum NeutralpunktN2 desHöhenleitwerks 7 , geteilt durch die mittlere Tiefet desTragflügels 5 . Die beiden NeutralpunkteN1 undN2 sind hierbei wie üblich als Punkt des Tragflügels5 bzw. desHöhenleitwerks 7 definiert, in dem das Drehmoment bei einer Anstellwinkeländerung jeweils nahezu konstant bleibt.
- - The arithmetic determined mean curvature of the profiles of the
wing 5 in straight-ahead flight is preferably between 1% and 4.5%, more preferably between 2% and 4%, particularly preferably between 2.5% and 3.5%. - The lift coefficient in straight-ahead flight is above 0.5, for example above 0.6 or 0.9.
- - The lift coefficient in straight flight is below 2, for example below 1.5, preferably below 1.2.
- - The wing loading of the
wing 5 is preferably above 100 g / dm 2 . - The wing extension is preferably between 5 and 25, more preferably between 8 and 18.
- - The tail arm is preferably at least one third of the span of the
wing 5 , The tail lever arm is defined herein as extending in the x-direction distanceA (S.1 and2 ) from the neutral pointN 1 thewing 5 to the neutral pointN 2 of thehorizontal stabilizer 7 , divided by the mean deptht of thewing 5 , The two neutral pointsN 1 andN 2 are here as usual as the point of thewing 5 or thetailplane 7 defined, in which the torque remains almost constant at a pitch change.
In der
Die Berechnung nach Anspruch 1 gilt auch bei erfindungsgemäßen Ausführungen mit mehr als zwei als Elevons ausgebildeten Ruderklappen an jeder Tragflügelhälfte. Auch ist sie einschlägig, wenn nur ein Teil der ansteuerbaren Ruderklappen als Elevons ausgebildet ist, während der andere Teil der ansteuerbaren Ruderklappen am Tragflügel als reine, d.h. ausschließliche, Höhenruder ausgebildet sind, die stets in die gleiche - positive oder negative - Richtung ausgelenkt werden.The calculation according to
In den
Das Luftfahrzeug
Im vorderen Bereich des Luftfahrzeugs
In den
Die Formel nach Anspruch 1 für
Wie insbesondere der
Der Quotient
An dem Tragflügel
Am freien Ende jeder hinteren Gondel
Gleichfalls ist am freien Ende jeder vorderen Gondel
Die zum Betreiben der Antriebe
Die Motoren
Die beiden hinteren Propeller
Wie aus den
Entsprechend der Draufsicht der
In den
Es ist nicht zwingend, dass das Luftfahrzeug
In den
Die Übergänge zwischen den verschiedenen Zuständen sind wie folgt: In den
Die hinteren Antriebe
Die oben genannte Aufgabenverteilung der hinteren und vorderen Antriebe
Die Steuerung der Antriebe
Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, ist aber nicht auf dieses beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.The invention has been described in more detail with reference to an embodiment, but is not limited to this. Variations within the scope of the claims are also possible as a combination of features, even if they are shown and described in different embodiments.
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Luftfahrzeug auch von Menschen steuern und/oder zum Befördern von einem oder mehreren Menschen einsetzen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Luftfahrzeug als Drohne für den Warentransport, zur Kontrolle und Sicherung des Flugraums oder Gegenden am Boden, zu Forschungszwecken, zur Bilderzeugung usw. geeignet.In particular, the aircraft according to the invention can also be controlled by humans and / or used to carry one or more people. In particular, the aircraft according to the invention is suitable as a drone for transporting goods, for controlling and securing the airspace or areas on the ground, for research purposes, for imaging, etc.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Luftfahrzeugaircraft
- 22
- Rumpfhull
- 33
- HeckRear
- 44
- Nasenose
- 55
- TragflügelHydrofoil
- 66
- Leitwerksträgertail boom
- 77
- Höhenleitwerktailplane
- 81-84 8 1 -8 4
- ansteuerbare Ruderklappen controllable rudder valves
- 9a9a
- StandkufeStandkufe
- 9b9b
- Standkufe Standkufe
- 1010
- Gondeln für hintere AntriebeGondolas for rear drives
- 1111
- hintere Antrieberear drives
- 1212
- hintere Motorenrear engines
- 1313
- hintere Propellerrear propellers
- 1414
- Schwenkgelenkpivot
- 1515
- Gondeln für vordere AntriebeGondolas for front drives
- 1616
- vordere Antriebefront drives
- 16a16a
- Antriebdrive
- 1717
- vordere Motorenfront engines
- 17a17a
- Motorengine
- 1818
- vordere Propellerfront propellers
- 18a18a
- Propellerpropeller
- 1919
- Schwenkgelenk pivot
- 2020
- Massenschwerpunkt des LuftfahrzeugsMass center of gravity of the aircraft
- 2121
- Schwerachsegravity axis
- 2222
- Längsachse des LuftfahrzeugsLongitudinal axis of the aircraft
- tt
- mittlere Tiefe des Tragflügelsmean depth of the wing
- c1-c4 c 1 -c 4
-
Abstand von Scharnierlinienmittelpunkt
SP1-SP4 zum Massenschwerpunkt20 Distance from hinge line centerSP 1 -SP 4 to the center ofmass 20 - cmittel c medium
- gemittelter Abstandaverage distance
- S1-S4 S 1 -S 4
- Scharnierlinienhinge lines
- SP1-SP4 SP 1 -SP 4
- ScharnierlinienmittelpunkteHinge line centers
- SL1-SL4 SL 1 -SL 4
-
Länge der Scharnierlinien
S1 -S4 Length of hinge linesS 1 -S 4 - AA
- Abstanddistance
- N1 N 1
-
Neutralpunkt der Tragfläche
5 Neutral point of thewing 5 - N2 N 2
-
Neutralpunkt des Höhenleitwerks
7 Neutral point of thehorizontal stabilizer 7 - SWSW
-
Spannweite des Tragflügels
5 Span of thewing 5 - SS
- Startrichtungstart direction
- LL
- Landerichtunglanding direction
- HH
- HorizontalflugrichtungHorizontal flight direction
Claims (18)
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DE102017122359.2A DE102017122359A1 (en) | 2017-09-26 | 2017-09-26 | Aircraft in kite configuration |
PCT/EP2018/076096 WO2019063600A1 (en) | 2017-09-26 | 2018-09-26 | Aircraft in kite configuration |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102017122359.2A DE102017122359A1 (en) | 2017-09-26 | 2017-09-26 | Aircraft in kite configuration |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102017122359A1 true DE102017122359A1 (en) | 2019-03-28 |
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-
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- 2017-09-26 DE DE102017122359.2A patent/DE102017122359A1/en active Pending
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- 2018-09-26 WO PCT/EP2018/076096 patent/WO2019063600A1/en active Application Filing
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WO2019063600A1 (en) | 2019-04-04 |
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