DE102018116157B4

DE102018116157B4 - Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018116157B4
Application number: DE102018116157.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Warbeck
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: DE102018116157A1

Abstract

Luftfahrzeug (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- das Luftfahrzeug (10) umfasst einen Rumpf (11) mit elektrischelektronischen Bauteilen (12, 13), einen Mantelpropeller (14), einen den Mantelpropeller (14) tragenden Flügel (15) und die Bauteile (12, 13) mit dem Mantelpropeller (14) thermisch verbindende Heatpipes (16),- der Mantelpropeller (14) weist eine Innenoberfläche (17) aus wärmeleitendem CFK mit Fasern in Umfangsrichtung oder einem mit einer Graphitschicht versehenen anderen Strukturmaterial auf und- das Luftfahrzeug (10) ist derart konfiguriert, dass die Heatpipes (16) aktiv sind, wenn der Mantelpropeller (14) betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug.
Als VTOL wird in der Luft- und Raumfahrttechnik sprachübergreifend jedwede Art von Flugzeug, Drohne oder Rakete bezeichnet, welche die Fähigkeit besitzt, im Wesentlichen senkrecht und ohne Start- und Landebahn abzuheben und wieder aufzusetzen. Dieser Sammelbegriff wird nachfolgend in einem weiten Sinne verwendet, der nicht nur Starrflügelflugzeuge mit Tragflächen, sondern ebenso Drehflügler wie Hub-, Trag-, Flugschrauber und Hybride wie Verbundhub- oder Kombinationsschrauber sowie Wandelflugzeuge einschließt. Erfasst seien des Weiteren Luftfahrzeuge mit der Fähigkeit, auf besonders kurzen Strecken zu starten und zu landen (short take-off and landing, STOL), auf kurzen Strecken zu starten, aber senkrecht zu landen (short take-off and vertical landing, STOVL) oder senkrecht zu starten, aber horizontal zu landen (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).
EP 2 147 859 B1 offenbart einen unbemannten Flugkörper mit Mantelpropeller und einem Kühlmechanismus an der Mantelinnenwand, der so konfiguriert ist, dass der von den Propellerblättern durch den Mantel führende Luftstrom genutzt wird, um die wärmeerzeugenden Bauteile zu kühlen. Die Wärme wird vom Gehäuse der Bauteile hierzu durch Heatpipes an die Mantelinnenwand geleitet.
US 5 178 514 A beschreibt ein Gasturbinentriebwerk mit einer ringförmigen Anordnung von Rotorblättern, die von einem Mantelring umgeben sind. Der Mantelring enthält benachbarte Wärmerohre von variabler Leitfähigkeit. Die Wärmerohre haben jeweils einen Teil, der sich außerhalb des Mantelrings befindet und wiederum in zwei Teile unterteilt ist. Der erste Teil ist dem Kühlluftstrom ausgesetzt, während der zweite Teil einen Pufferspeicher enthält, der den Leitwert des Wärmerohrs in Abhängigkeit von der Temperatur der Luft, die vom Hochdruckverdichter des Motors abgezapft wird, im Betrieb verändert. Dies soll sicherstellen, dass der Mantelring im Wesentlichen isotherm bleibt und der Abstand zwischen den Spitzen der Rotorblätter und des Mantelringes durch die Temperatur des Mantelringes gesteuert werden kann.
Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der eröffneten Möglichkeit einer effizienten Kühlung ohne aerodynamische Einbußen und ohne Kühlflüssigkeit.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann das Luftfahrzeug etwa mit abgeknickten oder gar wahlweise abknickbaren Tragflächen ausgestattet sein. Eine entsprechende Variante vergrößert die im Horizontalflug wirksame Flügelfläche, ohne aber die Standfläche des Luftfahrzeuges auszudehnen.
Ferner mag das Luftfahrzeug über ein schnell ladbares Batteriesystem verfügen, welches die Antriebsenergie für Senkrechtstart und -landung sowie Horizontalflug bereitstellt und eine kurzfristige Aufladung des Luftfahrzeuges im Stand ermöglicht.
Zum Antrieb des Luftfahrzeuges können hierbei anstelle freifahrender Rotoren mehrere Mantelpropeller (ducted fans) auch unterschiedlicher Größe zum Einsatz kommen, wie sie abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt sind. Das den Propeller umgebende zylindrische Gehäuse vermag in einer derartigen Ausführungsform die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen beträchtlich zu reduzieren. Geeignete Mantelpropeller mögen horizontal oder vertikal ausgerichtet, zwischen beiden Stellungen schwenkbar ausgeführt oder aus aerodynamischen Gründen im Horizontalflug durch Lamellen (louvers) abgedeckt sein. Zudem ist eine reine Horizontalschuberzeugung mittels feststehender Mantelpropeller denkbar.
Schließlich kommt - neben einem vorzugsweise vollautonomen Betrieb des Luftfahrzeuges - bei hinreichender Qualifikation auch die Einräumung einer manuellen Kontrolle an den menschlichen Piloten in Betracht, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größtmögliche Flexibilität in der Handhabung verleiht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt das Prinzipbild eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges.
2 zeigt ein Detail des Luftfahrzeuges.

Die Figuren illustrieren in ihrer Zusammenschau die konstruktiven Merkmale einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges (10), das mit einem freistehenden oder in Rumpf (11) oder Tragfläche (15) integrierten Mantelpropeller (14) ausgestattet ist. Der höchste Leistungsbedarf und damit der größte Kühlbedarf besteht während des Senkrechtflugs; allerdings steht in dieser Phase die niedrigste Kühlleistung durch Konvektion an der Außenhaut des Luftfahrzeuges (10) zur Verfügung, da dessen Relativgeschwindigkeit zur Umgebungsluft gering ist.
Erfindungsgemäß werden daher die hohen Luftgeschwindigkeiten im Bereich des bei Start und Landung aktiven Mantelpropellers (14) genutzt, indem eine thermische Kontaktierung über schaltbare Heatpipes (16) zwischen HV-Batterie (13) und leistungselektronischem Inverter (12) einerseits und der Innenoberfläche (17 - 2) des Mantelpropellers (14) andererseits hergestellt wird. Letztere soll hierbei entweder aus wärmeleitendem CFK mit Fasern in Umfangsrichtung bestehen oder bei Verwendung eines anderen Strukturmaterials mit einer Graphitschicht versehen, insbesondere mit Folie beklebt werden, um eine optimale Verteilung der Wärme in Umfangsrichtung und damit eine Maximierung der wärmeübertragenden Fläche zu erreichen. Die Heatpipes (16) sollten seitens der Batterie (13) und des Inverters (12) nach Möglichkeit in der Nähe der Temperaturmaxima in der Batterie (13) angebunden werden. So ist es möglich, dass auf der Innenoberfläche (17) des Mantelpropellers (14) nahezu die gleiche Temperatur wie in der Batterie (13) und Leistungselektronik (12) und damit ein maximales Temperaturdelta zur vorbeiströmenden Luft erreicht wird.
Im Horizontalflug kann die Wärme auf gleiche Weise an die Flugzeugaußenhaut oder an in dieser Phase aktive weitere Mantelpropeller (14) abgegeben werden.

Claims

Luftfahrzeug (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug (10) umfasst einen Rumpf (11) mit elektrischelektronischen Bauteilen (12, 13), einen Mantelpropeller (14), einen den Mantelpropeller (14) tragenden Flügel (15) und die Bauteile (12, 13) mit dem Mantelpropeller (14) thermisch verbindende Heatpipes (16), - der Mantelpropeller (14) weist eine Innenoberfläche (17) aus wärmeleitendem CFK mit Fasern in Umfangsrichtung oder einem mit einer Graphitschicht versehenen anderen Strukturmaterial auf und - das Luftfahrzeug (10) ist derart konfiguriert, dass die Heatpipes (16) aktiv sind, wenn der Mantelpropeller (14) betrieben wird.
Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - die Bauteile (12, 13) umfassen einen leistungselektronischen Inverter (12) oder - die Bauteile (12, 13) umfassen eine Batterie (13).
Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Mantelpropeller (14) weist eine wärmeleitfähige Innenoberfläche (17) auf.
Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) weist einen vollelektrischen Antrieb auf.
Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst abgeknickte oder abknickbare Tragflächen.
Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst ein schnell ladbares Batteriesystem.
Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst waagerecht feststehende Mantelpropeller (14) für Start und Landung.
Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug (10) weist Lamellen auf und - die waagerechten Mantelpropeller (14) sind mittels der Lamellen wahlweise abdeckbar.
Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst senkrecht feststehende Mantelpropeller (14) zum Erzeugen eines Vortriebes.
Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) ist wahlweise vollautonom steuerbar.