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Verschiedene Ausführungsformen betreffen allgemein einen Tragschrauber.
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Im Zusammenhang mit der immer weiter voranschreitenden Weiterentwicklung der individuellen Mobilität und Konzepten zur Entlastung des täglich stattfindenden Verkehrschaos in immer schneller wachsenden Städten werden auch „kleinere“ autonome oder teilautonome Flugtaxis oder Fluggeräte im Allgemeinen in Betracht gezogen, die analog zu einem Hubschrauber senkrecht starten und landen können. Bekannte Systeme nutzen beispielsweise ein Antriebssystem bestehend aus mehreren Hubrotoren beispielsweise sogenannte Quadrocopter, Octocopter oder andere. Für den Vorwärtsflug wird das Fluggerät entsprechend nach vorne verkippt, so dass eine Vorwärtsbewegung des Fluggeräts eingeleitet wird. Daneben gibt es sogenannte Tragschrauber oder auch Gyrokopter genannt, bei dem der tragende Rotor passiv durch den Fahrtwind in Drehung (Autorotation) versetzt wird. Der Vortrieb erfolgt hierbei durch ein Propellertriebwerk. Derartige Gyrokopter sind technisch einfach aufgebaut, erreichen jedoch in der Regel nur sehr geringe Fluggeschwindigkeiten.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Tragschrauber anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einem Tragschrauber mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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Es wird ein Tragschrauber angegeben, der einen ersten, durch Autorotation drehbaren, Hauptrotor aufweist. Weiter weist der Tragschrauber wenigstens vier angetriebene und verkippbare Antriebsrotoren auf. Der Tragschrauber ist mittels der verkippbaren Antriebsrotoren senkrecht start- und landefähig.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Vorteile eines VTOLs (Vertical Take-Off and Landing) beispielsweise eines Quadrocopters mit den Vorteilen eines Gyrocopters zu vereinen. Für den Steig- und Sinkflug können die Vorteile eines VTOLs genutzt werden, während für den Reiseflug die Vorteile eines Gyrocopters genutzt werden. In den Übergangsphasen zwischen dem Steig- bzw. Sinkflug und dem Reiseflug wird eine Kombination der Vorteile beider Systeme ausgenutzt.
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Unter dem Begriff Tragschrauber ist jedes Fluggerät zu verstehen, dass wenigstens einen Rotor aufweist, der nicht durch ein Triebwerk angetrieben wird, sondern passiv durch den Fahrtwind in Drehung, sogenannten Autorotation, versetzt wird. Vorzugsweise weist der Hauptrotor eine in Reiseflugrichtung nach hinten geneigte Rotorachse auf. Durch die Neigung nach hinten ergibt sich durch den Wiederstand des sich drehenden Hauptrotors der Auftrieb.
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Unter dem Begriff verkippbar ist wenigstens eine Verkippung des Antriebsrotors um eine Rotationsachse zu verstehen. Als Rotationsachse ist vorzugsweise die Verlängerung einer Aufhängung des Antriebsrotors am Tragschrauber zu verstehen. Weiter bevorzugt ist der Antriebsrotor zusätzlich wenigstens teilweise lateral um eine Rotationsachse senkrecht zur Verlängerung der Aufhängung des Antriebsrotors verkippbar bzw. verschwenkbar. Sowohl die Verkippung von beispielsweise einer vertikalen Ausrichtung in eine horizontale Ausrichtung als auch eine laterale Verschwenkung können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Antriebsrotoren im Steigflug -und/ oder Sinkflug in einer Hubrotorstellung ausgerichtet. Alternativ können die Antriebsrotoren auch jeweils in einer doppelten Ausführung vorliegen, d.h. beispielsweise ein Antriebsrotor oberhalb einer Rotationsachse und ein Antriebsrotor unterhalb einer Rotationsachse. Bezüglich der Rotationsachse, d.h. die Achse um die der Antriebsrotor verkippbar ist, werden beide Antriebrotoren für den Übergang in den Reiseflug um beispielsweise 90 Grad beispielsweise bezüglich der Rotationsachse im oder gegen den Uhrzeigersinn geschwenkt, bzw. verkippt. Vorzugsweise sind die Antriebsrotoren, ob in Einzelausführung oder in Doppelausführung, einzeln, gruppenweise oder gemeinsam in die gleiche Richtung oder unterschiedliche Richtungen um den gleichen oder unterschiedlichen Winkel verkippbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Antriebsrotoren lateral verschwenkbar. Die Antriebsrotoren sind vorzugsweise zusätzlich wenigstens teilweise lateral um eine Rotationsachse senkrecht zur Verlängerung der Aufhängung des Antriebsrotors verschwenkbar. Vorzugsweise sind die Antriebsrotoren einzeln, gruppenweise oder gemeinsam verschwenkbar. Vorzugsweise sind die Antriebsrotoren in die gleiche Richtung oder unterschiedliche Richtungen verschwenkbar. um den gleichen oder unterschiedlichen Winkel verschwenkbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Antriebsrotoren im Reiseflug in einer Schub- oder Zugrotorstellung ausgerichtet sind. Als Schubstellung ist hierbei eine in Flugrichtung heckseitige Anordnung des Antriebsrotors zu verstehen, d.h. der Antriebsrotor „schiebt“ das Fluggerät. Als Zugstellung ist hingegen eine in Flugrichtung frontseitige Anordnung des Antriebsrotors zu verstehen, d.h. der Antriebsrotor „zieht“ das Fluggerät. Im Reiseflug ist der Auftrieb durch den Hauptrotor ausreichend, so dass die Antriebsrotoren im Reiseflug im Wesentlichen für den Vortrieb genutzt werden können. Zur Änderung der Flughöhe im Reiseflug sind ein oder mehrere der Antriebsrotoren entsprechend der gewünschten Steigrate bzw. Sinkrate verkippbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Antriebsrotoren um wenigstens 90 Grad von einer Hubrotorstellung in eine Schubrotorstellung und/ oder in eine Zugrotorstellung verkippbar. Zur Änderung der Flughöhe im Reiseflug sind die Antriebsrotoren entsprechend der gewünschten Steigrate bzw. Sinkrate vorzugsweise um jeden Winkel- bzw. Teilwert eines Winkels vorzugsweise stufenlos oder wenigstens nahezu stufenlos verkippbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Antriebsrotoren um wenigstens 180° von einer Schubrotorstellung in eine Zugrotorstellung oder umgekehrt verkippbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Antriebsrotoren jeweils einzeln, paarweise und/oder gemeinsam lateral verschwenkbar. Zur Steuerung des Tragschraubers beispielsweise im Reiseflug sind die Antriebrotoren verschwenkbar angeordnet, d.h. für eine Änderung der Flugrichtung in der Ebene können die Antriebsrotoren einzeln oder mehrere gemeinsam verschwenkt werden um die Flugrichtung des Tragschraubers zu ändern. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Steuerung des Tragschraubers durch eine Änderung der Drehzahl eines oder mehrerer Antriebsrotoren erfolgen. Beispielsweise würde eine kurzzeitige Erhöhung der Drehzahl des hinteren rechten Antriebsrotors eine Richtungsänderung des Tragschraubers nach links bewirken. Falls beispielsweise eine schnellere Richtungsänderung erforderlich ist, kann ergänzend eine kurzzeitige Erniedrigung der Drehzahl des vorderen linken Antriebsrotors die Richtungsänderung durch die kurzzeitige Drehzahländerung des hinteren rechten Antriebsrotors verstärken.
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Weiter bevorzugt, ist auch eine Kombination aus Verkippung und Verschwenkung eines oder mehrerer Antriebsrotoren möglich um neben einer Richtungsänderung auch eine Höhenänderung zu ermöglichen. Alternativ kann auch eine Verkippung oder Verschwenkung kombiniert mit einer Änderung der Drehzahl eines oder mehrerer Antriebsrotoren zur Änderung der Flugrichtung und Höhenänderung erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers weisen die Antriebsrotoren einen elektrischen Motor auf. Vorzugsweise ist der elektrische Motor zusammen mit dem Rotor verkippbar ist. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können die Antriebsrotoren doppelt ausgeführt sein, wobei der der einzelnen Antriebsrotoren vorzugsweise einen eigenen elektrischen Motor aufweist. Alternativ kann auch ein gemeinsamer elektrischer Motor vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers weist der Tragschraube einen zentralen Antriebsmotor und einen elektrischen Generator und/ oder eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie für die elektrischen Motoren der Antriebsrotoren auf. Zur Bereitstellung der elektrischen Energie für die elektrischen Motoren der Antriebsrotoren weist der Tragschrauber vorzugsweise einen zentralen Antrieb auf. Der zentrale Antrieb kann beispielsweise als herkömmlicher Motor mit einem elektrischen Generator ausgeführt sein. Alternativ kann die elektrische Energie auch durch eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers weist der Tragschrauber einen elektrischen Energiespeicher zur Bereitstellung der elektrischen Energie für die elektrischen Motoren der Antriebsrotoren auf. Zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, die beispielsweise über einen Antriebsmotor oder eine Brennstoffzelle erzeugt wird, weist der Tragschrauber beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher auf. Der elektrische Energiespeicher kann auch als eine Notfallstromversorgung bei Ausfall des primären Antriebsmotors bzw. der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Alternativ kann der elektrische Energiespeicher auch als Ergänzung zu dem primären Antriebsmotor bzw. der Brennstoffzelle für einen Überbrückungszeitraum bei dem ein erhöhter Energiebedarf vorliegt eingesetzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers ist die von dem zentralen Antriebsmotor und/ oder der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wenigstens teilweise in dem elektrischen Energiespeicher zwischenspeicherbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Propeller der Antriebsrotoren wenigstens lateral von einem Gehäuse umgeben. Zur Sicherung der Umgebung sind die Propeller der Antriebsrotoren vorzugsweise lateral mit einem Gehäuse versehen. Das Gehäuse kann als einem undurchlässigen oder wenigstens teilweise durchlässigem Material bestehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers ist das Gehäuse zusammen mit den Antriebsrotoren verkippbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Antriebsrotoren asymmetrisch angeordnet. Hierbei können beispielsweise ein oder mehrere der Antriebsrotoren in einem unterschiedlichen Abstand zueinander angeordnet sein. Beispielsweise können die in Reiseflugrichtung „hinteren“ Antriebrotoren weniger oder mehr voneinander beabstandet sein als die „vorderen“ Antriebrotoren. Die Anordnung der Antriebsrotoren kann beispielsweise abhängig von der Form einer Kabine des Tragschraubers sein. Vorzugsweise sind wenigstens zwei der Antriebsrotoren zueinander symmetrisch angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers ist der Abstand der Antriebsrotoren zu einer Kabine des Tragschraubers wenigstens teilweise unterschiedlich. Vorzugsweise weist der Tragschrauber wenigstens eine Kabine zur Beförderung von Passagieren und/ oder Lasten auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Tragschraubers sind die Rotorblätter des Hauptrotors wenigstens teilweise faltbar. Dies hat den Vorteil, dass die äußeren Abmessungen des Tragschraubers bei Nichtbenutzung des Hauptrotors reduziert werden können.
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In den Zeichnungen beziehen sich im Allgemeinen gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Teile über die verschiedenen Ansichten hinweg. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; Wert wird stattdessen im Allgemeinen auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, in denen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Tragschraubers zeigt;
- 2 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Tragschraubers zeigt;
- 3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Tragschraubers zeigt;
- 4 eine Frontansicht einer weiteren Ausführungsform eines Tragschraubers im Steig- bzw. Sinkflug zeigt; und
- 5 eine Frontansicht einer weiteren Ausführungsform eines Tragschraubers im Reiseflug zeigt.
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Die folgende detaillierte Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, welche zur Erläuterung spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, in welchem die Erfindung praktiziert werden kann.
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Das Wort „beispielhaft“ wird hierin verwendet mit der Bedeutung „als ein Beispiel, Fall oder Veranschaulichung dienend“. Jede Ausführungsform oder Ausgestaltung, die hierin als „beispielhaft“ beschrieben ist, ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausgestaltungen auszulegen.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
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In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Tragschraubers 100. Der Tragschrauber 100 weist in der dargestellten Ausführungsform einen ersten, durch Autorotation drehbaren, Hauptrotor 101 auf. Der Tragschrauber 100 weist in der dargestellten Ausführungsform weiter wenigstens vier angetriebene und verkippbare Antriebsrotoren 102, 103, 104 auf. Der vierte Antriebrotor ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform des Tragschraubers 100 durch die Kabine 108 des Tragschraubers 100 verdeckt. Der Tragschrauber 100 ist mittels der verkippbaren Antriebsrotoren 102, 103, 104 senkrecht start- und landefähig. Die Antriebsrotoren 102, 103, 104 sind im Steigflug und/ oder Sinkflug vorzugsweise in einer Hubrotorstellung ausgerichtet um für einen ausreichenden Auftrieb des Tragschraubers 100 zu sorgen. Für den Reiseflug werden die Antriebsrotoren 102, 103, 104 in eine Schub- oder Zugrotorstellung ausgerichtet. Hierzu sind die Antriebsrotoren 102, 103, 104 um wenigstens 90 ° von einer Hubrotorstellung in eine Schubrotorstellung und/ oder in eine Zugrotorstellung verkippbar. Darüber hinaus sind die Antriebsrotoren 102, 103, 104 beispielsweise wenigstens um 180 ° von einer Schubrotorstellung in eine Zugrotorstellung oder umgekehrt verkippbar.
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2 zeigt eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Tragschraubers 100. Wie bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform weist der in 2 dargestellte Tragschrauber 100 einen Hauptrotor 101 und vier Antriebsrotoren 102, 103, 104, 105 auf. Die Antriebsrotoren 102, 103, 104, 105 sind um eine Kabine 108 des Tragschraubers 100 angeordnet. Der Abstand der Antriebsrotoren 102, 103, 104, 105 zu der Kabine 108 des Tragschraubers 100 sind in der dargestellten Ausführungsform des Tragschraubers 100 wenigstens paarweise unterschiedlich. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform des Tragschraubers 100 weisen beispielsweise die beiden mit den Bezugszeichen 102 und 103 bezeichneten Antriebsrotoren einen geringeren Abstand zu der Kabine 108 auf als die beiden mit den Bezugszeichen 104 und 105 bezeichneten Antriebrotoren. Bei der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsform des Tragschraubers 100 weisen beispielsweise alle Antriebsrotoren den gleichen Abstand zur Kabine des Tragschraubers 100 auf. Die Antriebsrotoren 102, 103, 104, 105 können alternativ auch asymmetrisch angeordnet sein. Der Tragschrauber 100 weist einen zentralen Antriebsmotor (nicht dargestellt) und einen elektrischen Generator (nicht dargestellt) und/ oder eine Brennstoffzelle (nicht dargestellt) zur Erzeugung von elektrischer Energie für die Antriebsrotoren 102, 103, 104, 105. Zur Bereitstellung der elektrischen Energie für die die Antriebsrotoren 102, 103, 104, 105 weist der Tragschrauber 200 beispielsweise einen elektrischen Energiespeicher (nicht dargestellt) auf, in dem die von dem zentralen Antriebsmotor und/ oder der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wenigstens teilweise zwischenspeicherbar ist.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Tragschraubers 100. Der Tragschrauber 100 weist in der dargestellten Ausführungsform einen Hauptrotor 101 mit einem beispielsweise wenigstens teilweise faltbaren Propeller 109 und vier Antriebsrotoren 102, 103 auf, wobei durch die Darstellung in der Seitenansicht nur zwei Antriebrotoren 102, 103 sichtbar sind. Die Antriebsrotoren 102, 103 weisen jeweils einen elektrischen Motor 106 auf, der zusammen mit dem Rotor 102, 103 verkippbar ist. Zur Erzeugung des Auftriebs bzw. Vortriebs weisen die Antriebsrotoren 102, 103 jeweils einen Propeller 107 auf. In einer nicht dargestellten Ausführungsform können die Propeller der Antriebsrotoren wenigstens lateral von einem Gehäuse umgeben sein. Das Gehäuse ist vorzugweise zusammen mit dem dazugehörigen Antriebsrotor verkippbar.
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4 zeigt eine Frontansicht einer weiteren Ausführungsform eines Tragschraubers 100 im Steig- bzw. Sinkflug. Die Antriebrotoren 102, 103, 104, 105 sind in der in 4 dargestellten Ausführungsform des Tragschraubers 100 so ausgerichtet, dass die Antriebrotoren 102, 103, 104, 105 einen Schub in vertikaler Richtung erzeugen, d.h. den Tragschrauber 100 im Steigflug entsprechend Auftrieb verleihen, bzw. im Sinkflug den Tragschrauber 100 entsprechend mit der gewünschten Sinkrate beispielsweise zur Landung bringen. Beim Steigflug weist der Hauptrotor 101 entsprechend dem Prinzip der Eigenrotation, soweit noch keine Bewegungskomponente in horizontaler Richtung vorliegt, keine Rotation auf. Erst bei Einleitung der Übergangsphase vom Steigflug in den Reiseflug wird der Hauptrotor 101 durch die Bewegung des Tragschraubers 100 in horizontaler Richtung in Eigenrotation versetzt, die bei ausreichender Geschwindigkeit für den Auftrieb des Tragschraubers 100 ausreichend ist. Im Reiseflug sind die Antriebrotoren 102, 103, 104, 105 in Zug- bzw. Schubstellung ausgerichtet wie bei der in 5 gezeigten Ausführungsform des Tragschraubers dargestellt ist. Der Tragschrauber 100 weist in der in 4 dargestellten Ausführungsform eine Kabine 108 und ein Fahrwerk 110 für eine Fortbewegung des Tragschraubers 100 auf dem Boden auf.
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5 zeigt eine Frontansicht einer weiteren Ausführungsform eines Tragschraubers 100 im Reiseflug. Durch die horizontale Bewegungskomponente des Tragschraubers 100 befindet sich der Hauptrotor 101 in Eigenrotation und sorgt im Wesentlichen für den Auftrieb des Tragschraubers 100 im Reiseflug. Die Antriebsrotoren 102, 103, 104, 105 sind in der in 5 dargestellten Ausführungsform des Tragschraubers 100 in Zugstellung ausgerichtet. Alternativ können die Antriebrotoren 102, 103, 104, 105 auch in einer Schubstellung ausgerichtet sein. Für eine Änderung der Flughöhe können die Antriebrotoren 102, 103, 104, 105 beispielsweise nahezu stufenlos verkippt werden.
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Obwohl die Erfindung vor allem unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, sollte von denjenigen, die mit dem Fachgebiet vertraut sind, verstanden werden, dass zahlreiche Änderungen bezüglich Ausgestaltung und Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Bereich der Erfindung, wie durch die angefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Bereich der Erfindung wird somit durch die angefügten Ansprüche bestimmt, und es ist daher beabsichtigt, dass sämtliche Änderungen, welche unter den Wortsinn oder den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, umfasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Tragschrauber
- 101
- Hauptrotor
- 102, 103, 104, 105
- Antriebsrotoren
- 106
- elektrischer Motor
- 107
- Propeller
- 108
- Kabine
- 109
- Propeller
- 110
- Fahrwerk
