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Die Erfindung bezieht sich auf ein Fluggerätesystem zum Zusammenbauen eines Fluggeräts.
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Für Beobachtungen aus der Luft sind zunehmend elektrische, batteriegespeiste und durch Propeller angetriebene Fluggeräte in Gebrauch. Dabei wird grundsätzlich unterschieden zwischen (a) in Längsrichtung startenden konventionellen Starrflüglern mit mindestens einem in Richtung der Längsachse des Fluggeräts wirkenden Vortriebspropeller und (b) vertikal startenden Drehflüglern mit mehreren Schwebepropellern (Multikopter). Dabei werden mindestens drei in Richtung der Hochachse des Fluggeräts wirkende Schwebepropeller verwendet.
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Für vertikal startende und in gleicher Weise landefähige Fluggeräte ist die Bezeichnung „Vertical Take-Off and Landing“ (VTOL) gebräuchlich.
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Dabei sind die Propeller fest mit den Motorachsen verbunden, d.h. verstellbare Rotorköpfe wie bei Hubschraubern oder Verstellpropeller werden aus Gründen der technischen Einfachheit nicht verwendet.
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Die unter (a) beschriebenen Fluggeräte und die unter (b) beschriebenen Fluggeräte haben jeweils spezifische Vorteile. So ist bei gegebener Flugmasse die erforderliche Antriebsleistung bei elektrisch angetriebenen Starrflüglern (a) weitaus geringer als bei Multikoptern (b), so dass sich diese Fluggeräte besser für Einsätze über größere Distanz eignen. Multikopter (b) haben den Vorteil, dass sie nach Art eines Hubschraubers in der Luft an einer Position verweilen können und sich mit geringer Geschwindigkeit über den Boden bewegen können. Demgegenüber muss der Starrflügler stets mit einer Mindestgeschwindigkeit fliegen, die den aerodynamischen Auftrieb durch die Tragflächen ermöglicht.
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Mit dem Ziel, die Vorteile von Starrflüglern (a) und Multikoptern (b) zu kombinieren, sind auch Mischformen in Gebrauch, bei denen Propeller-Motor-Einheiten schwenkbar ausgeführt sind. Die Propeller-Motor-Einheiten können daher wahlweise als Vortriebspropeller oder als Schwebepropeller wirken. Ein Beispiel ist ein System mit 3 Propeller-Motor-Einheiten, wobei zwei in der Schubrichtung zwischen Längs- und Hochachse umschwenkbar sind, und einer fest montiert nur in Richtung der Hochachse wirkt.
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Mischformen von Starrflüglern (a) und Multikoptern (b) sind so ausgebildet, dass die Propeller-Motor-Einheiten stets einen Kompromiss zwischen den Aufgaben Vortrieb und Schwebeflug wahrnehmen. Dementsprechend können die Propeller-Motor-Einheiten für keine der beiden Aufgaben zugleich optimal sein. Auch sind schwenkbare Propeller-Motor-Einheiten technisch komplex. Ferner besteht das Problem, dass die hohen Stromstärken der Motoren große Kabelquerschnitte erfordern. Dadurch sind die Kabel entsprechend starr, so dass bei der häufigen Biegung im Betrieb die Gefahr des Kabelbruchs besteht.
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Eine verschiedentlich realisierte Alternative ist, ein elektrisch oder durch einen Verbrennungsmotor angetriebenes Starrflügler-Fluggerät mit einem elektrischen Multikopter-Zusatz zu versehen, meist in der Bauform eines Quadrokopters. Das Starrflügler-Fluggerät wird dadurch VTOL-fähig.
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Durch die Verwendung eines solchen VTOL-Zusatzes muss die Start- und Landehilfe während des gesamten Fluges als Ballast mitgeführt werden. Zudem stellt sie einen zusätzlichen Luftwiderstand dar. Dementsprechend vermindert sich die Flugdauerkapazität durch einen solchen VTOL-Zusatz.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein variables Fluggerätesystem zu schaffen, das durch Kombination seiner Systemkomponenten verschiedene Konfigurationen realisieren kann. Insbesondere eine der drei folgenden Konfigurationen „konventioneller Starrflügler“, „konventioneller Starrflügler mit VTOL-Zusatz“ und „Multikopter“.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fluggerätesystems sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Demgemäß wird ein Fluggerätesystem zum Zusammenbauen eines Fluggeräts bereitgestellt. Das Fluggerätesystem weist eine Rumpfeinheit auf. Die Rumpfeinheit ist ausgebildet, um mit einer Vortriebseinheit zum Antreiben des Fluggeräts in Richtung einer Längsachse des Fluggeräts, einem Leitwerksheck zum Beeinflussen einer Flugbewegung in Richtung der Längsachse des Fluggeräts, einer Tragflächeneinheit zum Erzeugen eines Auftriebs bei der Flugbewegung in Richtung der Längsachse des Fluggeräts, und einer Multikoptereinheit zum senkrechten Starten und Landen des Fluggeräts, lösbar verbunden zu werden.
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Dadurch, dass die Rumpfeinheit in jeder beliebigen Kombination mit einer oder mehrerer der Komponenten Vortriebseinheit, Leitwerksheck, Tragflächeneinheit und Multikoptereinheit lösbar verbindbar ist, können mit einem einzigen Fluggerätesystem mehrere verschiedene Konfigurationen realisiert werden. Besonders interessant sind die drei folgenden Konfigurationen. In der ersten Konfiguration kann ein konventioneller Starrflügler als Kombination von Rumpfeinheit, Vortriebseinheit, Leitwerksheck und Tragflächeneinheit bereitgestellt werden. In der zweiten Konfiguration kann ein VTOL-fähiger Starrflügler als Kombination von Rumpfeinheit, Vortriebseinheit, Leitwerksheck, Tragflächeneinheit und Multikoptereinheit bereitgestellt werden. In einer dritten Konfiguration kann ein reiner Multikopter als Kombination von Rumpfeinheit und Multikoptereinheit bereitgestellt werden.
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Die Komponenten Vortriebseinheit, Leitwerksheck, Tragflächeneinheit und Multikoptereinheit sind lösbar mit der Rumpfeinheit verbindbar. Insbesondere können die Komponenten Vortriebseinheit, Leitwerksheck, Tragflächeneinheit und Multikoptereinheit an die Rumpfeinheit angesetzt oder eingesteckt werden oder mit der Rumpfeinheit zusammengesteckt werden. Dazu weist die Rumpfeinheit und/oder die Komponenten Vortriebseinheit, Leitwerksheck, Tragflächeneinheit und Multikoptereinheit entsprechende Schnittstellen, wie beispielsweise Ausnehmungen, auf. Zum lösbaren Verbinden eigenen sich insbesondere Steck- und Clipverbindungen.
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Die Vortriebseinheit ist eine Anordnung von mindestens einer Propeller-Motor-Einheit mit in Richtung der Längsachse des Fluggeräts wirkender Schubrichtung. Dabei ist unter dem Antreiben des Fluggeräts das Bereitstellen des entsprechenden Schubs durch die Propeller-Motor-Einheit zu verstehen.
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Mit dem Leitwerksheck lässt sich die Bewegungsrichtung des Fluggeräts verändern. Das Leitwerksheck kann beispielsweise als konventionelles Leitwerk, als T-Leitwerk, als V-Leitwerk oder als H-Leitwerk ausgebildet sein.
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Die Tragflächeneinheit erzeugt einen Auftrieb, sobald sich das Fluggerät in Richtung der Längsachse des Fluggeräts bewegt.
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Die Multikoptereinheit weist mehrere Propeller-Motor-Einheiten auf, welche einen in Richtung der Hochachse des Fluggeräts wirkenden Schub erzeugen können. Dabei zeigt die Hochachse des Fluggeräts im Wesentlichen in Schwerkraftrichtung.
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Bei dem Fluggerätesystem handelt es sich insbesondere um ein unbemanntes Elektro-Fluggerätesystem. Prinzipiell kann das Fluggerätesystem jedoch auch Verbrennungsmotoren aufweisen und/oder bemannt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform des Fluggerätesystems umfasst das Fluggerätesystem die Vortriebseinheit, das Leitwerksheck, die Tragflächeneinheit und/oder die Multikoptereinheit. Die dann zum Fluggerätesystem gehörenden Systemkomponenten Rumpfeinheit, Vortriebseinheit, Leitwerksheck, Tragflächeneinheit und Multikoptereinheit können variabel für eine Fluggerätekonfiguration kombiniert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluggerätesystems weist die Multikoptereinheit mindestens drei Propeller-Motor-Einheiten auf. Dabei sind die Propeller-Motor-Einheiten symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse der Multikoptereinheit angeordnet. Vorteilhafterweise ist die Multikoptereinheit aufgrund der symmetrischen Anordnung einfach zu steuern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluggerätesystems ist die Multikoptereinheit als Quadrokopter mit vier Propeller-Motor-Einheiten ausgebildet und die vier Propeller-Motor-Einheiten spannen ein zu der Längsachse des Fluggeräts symmetrisches Rechteck auf. Bei vier Propeller-Motor-Einheiten ist die Multikoptereinheit besonders einfach zu steuern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluggerätesystems weist die Multikoptereinheit mehrere Multikopterelemente auf. Dabei umfasst jedes Multikopterelement zumindest eine der Propeller-Motor-Einheiten. Die Multikopterelemente weisen jeweils zumindest ein Halteelement und zumindest eine Propeller-Motor-Einheit auf. Die Halteelemente dienen zum Halten der zumindest einen Propeller-Motor-Einheit. Die Halteelemente sind wiederum mit der Rumpfeinheit verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluggerätesystems sind die Propeller-Motor-Einheiten schwenkbar ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Propeller-Motor-Einheiten sowohl für das Schweben in der Luft und den senkrechten Start und die senkrechte Landung als auch für den Schub in Richtung der Längsachse des Fluggeräts eingesetzt werden können. Aufgrund der Mehrfachnutzung der Propeller-Motor-Einheiten kann das Gewicht des Fluggeräts minimiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluggerätesystems sind die Propeller-Motor-Einheiten zwischen einer Achse parallel zu der Längsachse des Fluggeräts und einer Achse parallel zu einer Hochachse des Fluggeräts umschwenkbar. Dabei verläuft die Hochachse im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluggerätesystems ist die Tragflächeneinheit mehrteilig ausgebildet. Insbesondere kann die Tragflächeneinheit drei Tragflächenteile aufweisen. Zudem ist es möglich, dass jedes Tragflächenteil ein oder mehrere Querruder aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluggerätesystems ist eine Abstandshalterung zur Befestigung der Multikoptereinheit an der Rumpfeinheit zugleich Teil der Tragflächeneinheit. Vorteilhafterweise kann, wenn die Abstandshalterung ein Teil der Tragflächeneinheit ist, auf eine separate Abstandshalterung verzichtet werden. Auf diese Weise wird das Gewicht des Fluggeräts gering gehalten.
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Dass die Abstandshalterung zugleich Teil der Tragflächeneinheit ist, hat den weiteren Vorteil, dass im Vorwärtsflug aerodynamischer Auftrieb mitnutzbar ist, so dass der Tragschub der Multikoptereinheit reduziert werden kann. Damit sinkt die benötigte elektrische Leistungsaufnahme der Multikoptereinheit. Voraussetzung für die Zweckmäßigkeit dieser Lösung ist eine nach oben gerichtete Winkelanstellung zwischen der Längsachse der Tragflächeneinheit gegenüber der Längsachse der Multikoptereinheit, damit im Vorwärtsflug unter einer Vortriebskomponente des Multikopterschubs kein negativer Anstellwinkel der Tragflächeneinheit, d.h. kein negativer Auftrieb eintritt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fluggerätesystems ist die Vortriebseinheit mehrteilig ausgebildet. Beispielsweise kann die Vortriebseinheit eine Propeller-Motor-Einheit und eine Einheit, welche die Propeller-Motor-Einheit mit der Rumpfeinheit verbindet, aufweisen.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden beschriebenen Merkmalen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in
- 1 eine schematische Ansicht eines Fluggerätesystems in Form eines Blockdiagramms,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Fluggeräts,
- 3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Fluggeräts,
- 4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Fluggeräts, und
- 5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Fluggeräts.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Ferner sollte beachtet werden, dass die Darstellungen in den Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Fluggerätesystems 1. Aus dem Fluggerätesystem 1 können verschiedene Fluggeräte 2 zusammengebaut werden. Das in 1 dargestellte Fluggerätesystem 1 weist als Systemkomponenten eine Rumpfeinheit 3, eine Vortriebseinheit 4, ein Leitwerksheck 5, eine Tragflächeneinheit 6 und eine Multikoptereinheit 7 auf. Die enge konstruktive Verbindung von Rumpfeinheit 3, Tragflächeneinheit 6 und Multikoptereinheit 7 ist durch einen betonten Knotenpunkt 8 symbolisiert.
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Die Rumpfeinheit 3 ist so ausgebildet, dass sie mit den Systemkomponenten Vortriebseinheit 4, Leitwerksheck 5, Tragflächeneinheit 6 und Multikoptereinheit 7 lösbar verbunden werden kann. Insbesondere wird die Rumpfeinheit 3 mit den anderen Systemkomponenten zusammengesteckt oder verschraubt. Alternativ oder zusätzlich können Clipverbindungen vorgesehen sein.
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Alternativ weist das Fluggerätesystem 1 lediglich die Rumpfeinheit 3 auf. Die Systemkomponenten Vortriebseinheit 4, Leitwerksheck 5, Tragflächeneinheit 6 und Multikoptereinheit 7 sind dann optional.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fluggeräts 2. Das Fluggerät 2 wurde aus einem Fluggerätesystem 1, mit den in 1 dargestellten Systemkomponenten Rumpfeinheit 3, Vortriebseinheit 4, Leitwerksheck 5, Tragflächeneinheit 6 und Multikoptereinheit 7 zusammengebaut. Das Fluggerät 2 ist ein VTOL-fähiger Starrflügler.
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Das in 2 dargestellte Fluggerät 2 zeigt den umfangreichsten Montagezustand, welcher mit den in 1 dargestellten Systemkomponenten des Fluggerätesystems 1 erreicht werden kann. Zentrales Verbindungselement des Fluggeräts 2 ist die Rumpfeinheit 3. Die Rumpfeinheit 3 ist direkt mit der Vortriebseinheit 4, der Tragflächeneinheit 6 und dem Leitwerksheck 5 verbunden. Die in 2 dargestellte Längsachse 9 des Fluggeräts 2 ist zugleich auch die Längsachse der Rumpfeinheit 3.
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Die Vortriebseinheit 4 weist eine Propeller-Motor-Einheit, insbesondere einen einmotorigen Zugpropeller 10, auf. Dabei wird der einmotorige Zugpropeller 10 durch den gestrichelten Kreis symbolisiert. Alternativ kann die Vortriebseinheit 4 auch zwei, drei, vier, fünf oder sechs Propeller-Motor-Einheiten, insbesondere einmotorige Zugpropeller 10, aufweisen. Es ist auch möglich diese Propeller-Motor-Einheiten an der Tragflächeneinheit 6 zu befestigen.
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Zudem ist es möglich, dass die Vortriebseinheit 4 mehrteilig ausgebildet ist, d.h. dass sie aus mehreren Elementen besteht. Insbesondere kann die Vortriebseinheit 4 einen einmotorigen Zugpropeller 10 und eine Einheit, welche den einmotorigen Zugpropeller 10 mit der Rumpfeinheit 3 verbindet, aufweisen.
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Das in der 2 gezeigte Leitwerksheck 5 ist als T-Leitwerk ausgebildet. Alternativ könnte auch eine andere Leitwerksbauform eingesetzt werden.
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Die Tragflächeneinheit 6 ist dreiteilig aufgebaut. Sie besitzt einen Mittelteil 11 und zwei Randteile 12. Der Mittelteil 11 ist auf die Rumpfeinheit 3 aufgesetzt und mit der Rumpfeinheit 3 verbunden. An zwei Verbindungsstellen 13 ist der Mittelteil 11 der Tragflächeneinheit 6 mit zwei Multikopterelementen 14 der Multikoptereinheit 7 verbunden. Der Mittelteil 11 der Tragflächeneinheit 6 dient zugleich als Abstandshalterung 15 der Multikopterelemente 14 zu der Rumpfeinheit 3.
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Alternativ kann die Tragflächeneinheit 6 auch aus einem, zwei, vier, fünf oder sechs Teilen aufgebaut sein. Zudem ist es möglich, dass die Tragflächeneinheit 6 Querruder zur Steuerung der Flugbewegung aufweist.
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Die Multikoptereinheit 7 weist zwei Multikopterelemente 14 in Form je eines Quadrokopter-Halbsystems auf. Jedes der beiden Quadrokopter-Halbsysteme umfasst an den Enden einer Armkonstruktion 16 zwei Propeller-Motor-Einheiten 17. Bei den Propeller-Motor-Einheiten 17 handelt es sich insbesondere um Schwebepropeller-Motor-Einheiten. Die Propellerkreise 18 der Propeller-Motor-Einheiten 17 sind gestrichelt dargestellt.
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Die Multikoptereinheit 7 ist demnach als Quadrokopter ausgebildet. Dabei spannen die vier Propeller-Motor-Einheiten 17 ein zu der Längsachse 9 des Fluggeräts 2 symmetrisches Rechteck auf.
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Es ist auch möglich, dass die Propeller-Motor-Einheiten 17 der Multikoptereinheit 7 lediglich bezüglich einer Symmetrieachse 19 der Multikoptereinheit 7 symmetrisch angeordnet sind. In 2 fällt eine Symmetrieachse 19 der Multikoptereinheit 7 mit der Längsachse 9 des Fluggeräts 2 zusammen.
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Alternativ kann die Multikoptereinheit 7 auch als Trikopter (3 Propeller-Motor-Einheiten 17), Hexakopter (6 Propeller-Motor-Einheiten 17) oder Oktokopter (8 Propeller-Motor-Einheiten 17) ausgebildet sein. Prinzipiell ist jede beliebige Anzahl von mehr oder gleich drei Propeller-Motor-Einheiten 17 denkbar.
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2 zeigt, dass die Multikoptereinheit 7 aus zwei Multikopterelementen 14 aufgebaut ist. Alternativ kann die Multikoptereinheit 7 auch ein, drei, vier, fünf, sechs, sieben oder acht Multikopterelemente 14 aufweisen, von denen jedes zumindest eine Propeller-Motor-Einheit 17 aufweist.
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Wie in der 2 zu sehen ist, sind die Propeller-Motor-Einheiten 17 starr ausgebildet, d.h. sie sind relativ zu den Armkonstruktionen 16 nicht schwenkbar. Dadurch kann die Komplexität des Aufbaus des Fluggeräts 2 einfach gehalten werden.
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Alternativ können die Propeller-Motor-Einheiten 17 schwenkbar ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, die Propeller-Motor-Einheiten 17 so zu gestalten, dass sie zwischen einer Achse parallel zu der Längsachse 9 des Fluggeräts 2 und einer Achse parallel zu einer Hochachse des Fluggeräts 2 umschwenkbar sind. Dadurch können die Propeller-Motor-Einheiten 17 sowohl für den Vortrieb als auch zum Schweben und senkrechten Starten und Landen eingesetzt werden. Die Hochachse des Fluggeräts 2 verläuft in Richtung der Schwerkraft.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Fluggeräts 2. Bei dem Fluggerät 2 kommen die Rumpfeinheit 3, die Vortriebseinheit 4, das Leitwerksheck 5 und die Tragflächeneinheit 6 zum Einsatz. Bei diesem Fluggerät 2 wurde im Vergleich zu dem in der 2 gezeigten Fluggerät 2 die Multikoptereinheit 7 weggelassen. Dementsprechend ist das Fluggerät ein reiner konventioneller Starrflügler.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Fluggeräts 2. Das Fluggerät 2 ist als reiner Multikopter, genauer als Quadrokopter, ausgebildet. Für den Zusammenbau des Fluggeräts 2 wurden die Rumpfeinheit 3 und die Multikoptereinheit 7, wie bei 2 beschrieben, verwendet. Die Vortriebseinheit 3, das Leitwerksheck 5 und die Tragflächeneinheit 6 wurden weggelassen. Die Multikoptereinheit 7 ist mittels Abstandshalterungen 15 an der Rumpfeinheit 3 befestigt.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Fluggeräts 2. Das Fluggerät 2 entspricht weitgehend dem in 4 gezeigten Fluggerät 2, jedoch mit der Verwendung des Mittelteils 11 der Tragflächeneinheit 6 (vgl. 2) als zugleich Abstandshalterung 15 zum Halten der Multikoptereinheit 7 und als aerodynamisches Auftriebselement beim Vorwärtsflug.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluggerätesystem
- 2
- Fluggerät
- 3
- Rumpfeinheit
- 4
- Vortriebseinheit
- 5
- Leitwerksheck
- 6
- Tragflächeneinheit
- 7
- Multikoptereinheit
- 8
- Knotenpunkt
- 9
- Längsachse
- 10
- einmotoriger Zugpropeller
- 11
- Mittelteil
- 12
- Randteil
- 13
- Verbindungsstelle
- 14
- Multikopterelement
- 15
- Abstandshalterung
- 16
- Armkonstruktion
- 17
- Propeller-Motor-Einheit
- 18
- Propellerkreis
- 19
- Symmetrieachse
