DE102018133096A1

DE102018133096A1 - Fluggerät

Info

Publication number: DE102018133096A1
Application number: DE102018133096.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Zosel
Original assignee: Volocopter GmbH
Current assignee: Volocopter GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft Fluggerät in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, vorzugsweise manntragenden Multikopters, bei dem eine Mehrzahl an Rotoren (2, 2.1 bis 2.9) in einer gemeinsamen Rotorebene (R) angeordnet sind. Wesentlich ist, dass das Fluggerät zumindest eine Tragfläche (6.1, 6.2) aufweist, welche drehbar an dem Fluggerät angeordnet ist, so dass bei einem Vorwärtsflug des Fluggeräts durch Einwirkung der Luftströmung die Tragfläche (6.1, 6.2) aus einer Neutralstellung in eine Flugstellung drehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluggerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, vorzugsweise manntragenden Multikopters, bei dem eine Mehrzahl an Rotoren in einer gemeinsamen Rotorebene angeordnet ist.
Ein solches Fluggerät ist insbesondere aus der DE 10 2012 202 698 A1 bekannt. Die Verwendung einer Mehrzahl von Rotoren ermöglicht das senkrechte Starten und Landen und ebenso wird der Auftrieb im Vorwärtsflug im Wesentlichen mittels der Rotoren erzielt. Im Vergleich mit Flugzeugen, welche über gro-ße, starre Tragflächen verfügen, ergibt sich ein höherer Energieverbrauch im Vorwärtsflug und somit eine geringere Reichweite.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Energieverbrauch des gattungsgemäßen Fluggeräts im Vorwärtsflug zu verringern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fluggerät gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Fluggerät in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, vorzugsweise manntragenden Multikopters, sind eine Mehrzahl an Rotoren in einer gemeinsamen Rotorebene angeordnet.
Wesentlich ist, dass das Fluggerät zumindest eine Tragfläche aufweist, welche drehbar an dem Fluggerät angeordnet ist, sodass bei einem Vorwärtsflug des Fluggeräts durch Einwirkung der Luftströmung die Tragfläche aus einer Neutralstellung in eine Flugstellung drehbar ist.
Die vorliegende Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass zwar grundsätzlich starre Tragflächen die benötigte Energie für den Vorwärtsflug verringern können, jedoch im Senkrechtflug, insbesondere beim Starten und beim Landen, Nachteile aufweisen, da in diesem Fall die Bewegungsrichtung des Fluggeräts und auch die resultierende Luftströmung in etwa senkrecht zu den Tragflächen steht.
Durch die zumindest eine drehbar an dem Fluggerät angeordnete Tragfläche kann somit eine Neutralstellung vorgesehen werden, in welcher die Tragfläche bevorzugt einen geringeren Luftwiderstand gegenüber einer Senkrechtbewegung, insbesondere beim Starten und Landen des Fluggeräts, aufweist, gegenüber der Flugstellung der Tragfläche.
Eine drehbare Tragfläche bietet somit die Vorteile einer höheren Reichweite im Vorwärtsflug mit der sich in Flugstellung befindenden Tragfläche und führt dennoch zu einer Vermeidung oder zumindest Verringerung der Nachteile einer Tragfläche im Senkrechtflug durch Drehen der Tragfläche in die Neutralstellung.
Darüber hinaus ist die Tragfläche bei Vorwärtsflug des Fluggeräts durch Einwirkung der Luftströmung aus der Neutralstellung in die Flugstellung drehbar. Es werden somit keine motorischen Mittel benötigt, um die Tragfläche aus der Neutralstellung in die Flugstellung zu drehen. Hierdurch werden Sicherheitsrisiken durch Ausfall solcher motorischer Mittel vermieden und darüber hinaus wird in konstruktiv einfacher Weise keine zusätzliche Energie für das motorische Mittel benötigt.
Die Tragfläche ist bevorzugt derart drehbar an dem Fluggerät angeordnet, dass in Neutralstellung die Tragfläche einen Winkel im Bereich 70° bis 110°, insbesondere 80° bis 100°, bevorzugt 90° mit der Rotorebene einschließt. Hierdurch wird im Senkrechtflug, insbesondere beim Start- und Landevorgang, der Luftwiderstand der Tragfläche zu der von den Rotoren erzeugten Luftströmung verringert und somit eine „Sperrwirkung“ gegenüber der mittels der Rotoren erzeugten Auftriebskraft vermieden oder zumindest verringert.
Vorteilhafterweise ist die Tragfläche in Flugstellung bei Vorwärtsflug durch Einwirken der Luftströmung einen Auftrieb erzeugend ausgebildet. In typischen Flugsituationen besteht an der Tragfläche bei Vorwärtsflug eine Luftströmung in etwa parallel zur Flugrichtung. Die Tragfläche ist bevorzugt derart ausgebildet, dass in Flugstellung bei einer solchen Luftströmung ein Auftrieb erzeugt wird.
Dies kann bevorzugt in an sich bekannter Weise erfolgen, indem die Tragfläche für die Erzeugung eines dynamischen Auftriebs bei bevorzugt geringem Strömungswiderstand ausgebildet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Tragfläche ein aus dem Flugzeugbau bekanntes Tragflächenprofil aufweist, bevorzugt ein konventionelles Tragflächen-Profil. Diese werden vor allem im Geschwindigkeitsbereich von Kleinflugzeugen eingesetzt. Sie haben an der Profilunterseite eine gerade oder leicht konvexe Form und die größte Profildicke befindet sich im vorderen Drittel der Flügeltiefe.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Tragfläche relativ zu der typischen Luftströmungsrichtung bei Vorwärtsflug einen Anstellwinkel zu der Luftströmung auf, um den Auftrieb zu erhöhen.
Multikopter sind typischerweise bei Vorwärtsflug etwas nach vorne geneigt, d.h. die Flugrichtung ist im Allgemeinen im Vorwärtsflug nicht parallel zu der Rotorebene. Bei typischen Multikoptern weist die Flugrichtung bei Vorwärtsflug einen Winkel („Nickwinkel“) im Bereich 5° bis 40°, inbesondere 10° bis 30°, typischerweise etwa 25° auf. Abhängig von äußeren Bedingungen oder z.B. einer gewünschten Beschleunigung kann auch ein anderer Winkel zwischen Flugrichtung und Rotorebene vorliegen. Im Rahmen dieser Anmeldung bezieht sich der Winkel zwischen Flugrichtung im Vorwärtsflug und der Rotorebene auf typische Vorwärtsflugbedingungen ohne außergewöhnliche äußere Einwirkungen wie beispielsweise Turbulenzen oder Windböen.
Vorteilhafterweise weist die Tragfläche in Flugstellung einen Winkel < 20°, insbesondere < 10° zu der Flugrichtung bei Vorwärtsflug auf. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Tragfläche in Flugstellung parallel zu der Flugrichtung bei Vorwärtsflug ist. Hierdurch wird für typische Flugsituationen im Vorwärtsflug eine geeignete Stellung der Tragfläche zum Ausbilden eines Auftriebs bei geringem Strömungswiderstand erzielt.
Die Tragfläche ist bevorzugt zu der Rotorebene beabstandet angeordnet. Hierdurch werden Sicherheitsrisiken, etwa durch einen Kontakt einer sich biegenden Tragfläche mit einem Rotor, vermieden. Der Abstand der Tragfläche zu der Rotorebene beträgt bevorzugt zumindest 0,5 m, insbesondere bevorzugt zumindest 1 m.
Die Tragfläche ist bevorzugt unterhalb der Rotorebene angeordnet. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff „unten“ oder „unterhalb“, dass die Tragfläche bei auf dem Boden stehenden Fluggerät zwischen Boden und Rotorebene angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Fluggerät eine Flugstellungs-Drehbegrenzung auf, sodass ausgehend von der Neutralstellung ein Weiterdrehen der Tragfläche über die Flugstellung hinaus verhindert wird. Hierdurch kann eine definierte Position der Tragfläche in Flugstellung gesichert werden, auch wenn in Flugstellung bei Vorwärtsflug weiterhin ein Drehmoment an der Tragfläche über die Flugstellung anliegt.
Die Drehbegrenzung ist in konstruktiv einfacher Weise bevorzugt als Flugstellungs-Anschlag ausgebildet. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Flugstellungs-Drehbegrenzung als einen mit einer Dämpfung versehenen Flugstellungs-Anschlag auszubilden, sodass ein abruptes Stoppen der Drehbewegung bei Erreichen der Flugstellung vermieden wird.
Alternativ oder insbesondere bevorzugt zusätzlich ist es vorteilhaft, dass das Fluggerät eine Neutralstellung-Drehbegrenzung aufweist, sodass ausgehend von der Flugstellung ein Weiterdrehen der Tragfläche über die Neutralstellung hinaus verhindert wird. Hierdurch ergibt sich analog der Vorteil, dass auch bei einem weiterhin anliegenden Drehmoment ein Drehen der Tragfläche über die Neutralstellung hinaus vermieden wird.
Die Neutralstellung-Drehbegrenzung ist ebenso bevorzugt in konstruktiv einfacher Weise als Anschlag ausgebildet, besonders bevorzugt als mit einer Dämpfung versehener Neutralstellungs-Anschlag, sodass auch hier ein abruptes Stoppen der Drehbewegung in Neutralstellung verhindert wird.
In typischen Flugsituationen liegt beim Start- und Landevorgang eine Luftströmung in etwa senkrecht zur Rotorebene vor und im Vorwärtsflug eine Luftströmung in etwa parallel zur Flugrichtung bei Vorwärtsflug, wobei wie zuvor ausgeführt bei Vorwärtsflug die Rotorebene typischerweise gegenüber der Flugrichtung geneigt ist. Der Schwenkwinkel, um welchen die Tragfläche zwischen Neutralstellung und Flugstellung schwenkt, liegt daher bevorzugt im Bereich 40° bis 100°, bevorzugt im Bereich 50° bis 90°. Bevorzugt entspricht der Schwenkwinkel 90° abzüglich des Nickwinkels, d.h. des Winkels zwischen der Rotorebene und der Flugrichtung im Vorwärtsflug. Wie zuvor ausgeführt, beträgt der Winkel zwischen Flugrichtung im Vorwärtsflug und Rotorebene bei typischen Multikoptern etwa 25°. Der Schwenkwinkel liegt daher insbesondere bevorzugt bei 65°.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, indem in einer vorteilhaften Weiterbildung das Fluggerät eine Feststelleinheit aufweist, sodass die Tragfläche in Flugstellung feststellbar ist. Erreicht somit die Tragfläche bei Vorwärtsflug die Flugstellung, so wird in dieser vorteilhaften Ausführungsform die Tragfläche mittels der Feststelleinheit festgestellt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei temporärem Ausbleiben eines Drehmoments in Richtung der Flugstellung, beispielsweise bei temporären Turbulenzen, keine Drehbewegung der Tragfläche erfolgt und somit eine höhere Flugstabilität insbesondere bei Turbulenzen erzielt wird.
Die Feststelleinheit ist in konstruktiv einfacher Weise bevorzugt als mechanische Arretierung ausgebildet. Ebenso liegen andere Ausgestaltungen der Feststelleinheit im Rahmen der Erfindung, insbesondere die Verwendung eines Elektromagnets als Feststelleinheit.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Feststelleinheit manuell lösbar ausgebildet ist, sodass ein Benutzer beispielsweise bei Übergang aus dem Vorwärtsflug in einen Senkrechtflug die Feststelleinheit manuell löst, sodass sich die Tragfläche aus der Flugstellung in die Neutralstellung drehen kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Fluggerät eine Steuereinheit für die Feststelleinheit auf, welche mit der Feststelleinheit derart zusammenwirkend ausgebildet ist, dass ein Feststellen der Tragfläche mittels der Feststelleinheit abhängig von Steuersignalen der Steuereinheit lösbar ist. Hierdurch kann ein automatisiertes Lösen der Feststelleinheit erfolgen und somit der Benutzungskomfort und die Sicherheit erhöht werden.
Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, ein Feststellen der Tragfläche abhängig von Flugparametern zu lösen. Hierdurch kann ein automatisches Lösen der Feststelleinheit abhängig von der Flugsituation realisiert werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, bei Unterschreiten einer Grenzgeschwindigkeit die Feststelleinheit zu lösen. In dieser vorteilhaften Ausführungsform erfolgt somit automatisch bei Beenden eines Vorwärtsflugs und Unterschreiten der Grenzgeschwindigkeit ein Lösen der Feststelleinheit, sodass sich die Tragfläche für einen nachfolgenden Senkrechtflug, insbesondere eine Landevorgang, in die Neutralstellung drehen kann.
Es ist vorteilhaft, als Grenzgeschwindigkeit eine Geschwindigkeit im Bereich 1 km/h bis 5 km/h anzugeben, sodass bei Unterschreiten der vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit die Feststelleinheit mittels der Steuereinheit gelöst wird.
Die Steuereinheit ist daher bevorzugt mit einer Bordeinheit des Fluggeräts verbunden, welche Bordeinheit zum Erfassen von Flugdaten, insbesondere der Fluggeschwindigkeit, ausgebildet ist.
Die Tragfläche ist bevorzugt um eine Drehachse schwenkbar an dem Fluggerät angeordnet. Die Drehachse weist bevorzugt einen Winkel < 20°, insbesondere < 10° zu der Rotorebene auf. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Drehachse parallel zu der Rotorebene ist. Hierdurch ergeben sich aerodynamisch günstige Bedingungen.
Vorteilhafterweise ist die Drehachse derart angeordnet, dass bei einem typischen Vorwärtsflug des Fluggerätes die Drehachse senkrecht zur Flugrichtung steht.
Die Tragfläche ist bevorzugt derart ausgebildet, dass ohne Einwirkung einer Luftströmung ein selbsttätiges Rückstellen der Tragfläche in die Neutralstellung erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Rückstelleinheit vorgesehen, welche die Tragfläche mit einem Drehmoment beaufschlagt, um eine Drehung aus der Flugstellung in die Neutralstellung zu bewirken. In einer besonders konstruktiv einfachen Ausgestaltung weist die Rückstelleinheit eine Feder auf, sodass mittels Federkraft ein Drehmoment zum Rückstellen der Tragfläche in die Neutralstellung bewirkt wird.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, dass die Tragfläche derart ausgebildet ist, dass ein selbsttätiges Rückstellen aufgrund der Gewichtskraft der Tragfläche in die Neutralstellung erfolgt. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung sind somit keine weiteren Komponenten notwendig, um ein selbsttätiges Rückstellen in die Neutralstellung zu erzielen, sodass Sicherheitsrisiken aufgrund fehlerhafter Rückstellungskomponenten vermieden werden.
Vorteilhafterweise ist die Tragfläche um eine Drehachse drehbar gelagert, welche zu dem Schwerpunkt der Tragfläche beabstandet ist. Hierdurch ergibt sich in konstruktiv einfacher Weise ein selbsttätiges Rückstellen der Tragfläche mittels Gewichtskraft.
In einer besonders einfachen konstruktiven Ausgestaltung ist die Drehachse in einem vorderen, das heißt im Vorwärtsflug in Flugrichtung vorne liegendem Bereich der Tragfläche angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine konstruktiv einfache Ausgestaltung, indem zum Drehen der Tragfläche aus der Flugstellung in die Neutralstellung der hintere Bereich der Tragfläche nach unten gedreht wird.
Grundsätzlich können die eingangs genannten Vorteile bei Vorsehen genau einer Tragfläche erzielt werden.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, mehrere Tragflächen gemäß Anspruch 1, insbesondere mehrere Tragflächen gemäß einer oder mehrerer der vorgenannten vorteilhaften Ausführungsformen an dem Fluggerät anzuordnen. Hierdurch kann die Energieeinsparung erhöht werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, zwei drehbare Tragflächen an dem Fluggerät anzuordnen. Hierdurch kann in einfacher Weise eine symmetrische Anordnung der Tragflächen relativ zu einer senkrecht zur Rotorebene stehenden Mittelebene, welche bei Vorwärtsrichtung parallel zur Flugrichtung ist, erzielt werden. Vorteilhafterweise sind die Tragflächen daher symmetrisch zu dieser Mittelebene angeordnet.
Vorteilhafterweise weist das Fluggerät daher zumindest zwei drehbare Tragflächen auf, welche um eine gemeinsame Drehachse drehbar an dem Fluggerät angeordnet sind.
Ein besonders kompakter Aufbau wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung erzielt, indem die Tragfläche derart ausgebildet ist, dass die Tragfläche bei Draufsicht senkrecht auf die Rotorebene nicht über eine von den Rotoren aufgespannte Fläche hinausragt.
Untersuchungen der Anmelderin zeigen, dass die Tragfläche bevorzugt mit einer Länge L parallel zur Drehachse der Tragfläche und einer mittleren Breite B senkrecht zur Drehachse ausgebildet ist, mit einem Verhältnis L/B < 10, insbesondere < 7, insbesondere < 5. Hierdurch wird ebenfalls ein guter Auftrieb bei gleichzeitigem kompakten Aufbau erzielt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind an der Tragfläche keine Rotoren angeordnet, insbesondere keine motorische Mittel für Rotoren angeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Drehen der Tragfläche nicht zusätzlich auch ein Drehen von Rotoren und/oder von motorischen Mitteln für Rotoren erfolgt und insbesondere das Gewicht der Tragfläche nicht durch Rotoren oder zugeordnete motorische Mittel erhöht wird. Weiterhin wird eine Wechselwirkung eines durch Luftströmung erzielten Drehmomentes und den sich mit der Tragfläche verschwenkenden Rotoren vermieden.
Das erfindungsgemäße Fluggerät ist bevorzugt zur Personenbeförderung ausgebildet. Das Fluggerät weist bevorzugt zumindest fünf, insbesondere zumindest zehn, weiter bevorzugt zumindest 15 Rotoren auf. Insbesondere ist eine Ausgestaltung mit 18 Rotoren vorteilhaft. Besonders geeignet zum Ausbilden der vorliegenden Erfindung ist ein Volocopter der Volocopter GmbH, welcher zusätzlich mit zumindest einer, bevorzugt mit zwei drehbaren Tragflächen gemäß der vorliegenden Erfindung versehen wird.
Es ist jedoch auch denkbar, dass das erfindungsgemäße Fluggerät ohne Pilotenkanzel ausgeführt ist. Stattdessen kann eine Tragfläche zum Beispiel an einer transportierten Fracht oder einer angehängten Vorrichtung angebracht sein.
Die Vorrichtung kann z.B. eine Vorrichtung zum Sprühen von Dünger oder Pestiziden, oder Mittel zur Brandbekämpfung sein.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, eine Vielzahl von drehbaren Tragflächen, insbesondere zumindest vier, bevorzugt zumindest acht drehbare Tragflächen vorzusehen, um den Auftrieb zu erhöhen und/oder einen vorgegebenen Auftrieb bei verringerter Größe der Tragflächen zu erzielen.
Um einen symmetrischen Aufbau zu ermöglichen, ist bevorzugt eine gerade Anzahl von drehbaren Tragflächen vorgesehen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.

1 zeigt einen elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, manntragenden Multikopter nach dem Stand der Technik;
2 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit zwei drehbaren Tragflächen beim Startvorgang in Seitenansicht;
3 das Fluggerät gemäß 2 in Vorderansicht;
4 das Fluggerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Vorwärtsflug in Seitenansicht; und
5 das Fluggerät gemäß 4 in Vorderansicht.

Sämtliche Darstellungen zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Abbildungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
In 1 ist ein Fluggerät in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, manntragenden Multikopters nach dem Stand der Technik dargestellt, welches Fluggerät insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Das Fluggerät bzw. der Multikopter 1 verfügt über eine Mehrzahl an Rotoren, die in einer gemeinsamen Rotorebene angeordnet sind. Diese Rotorebene ist in 1 mit dem Bezugszeichen R bezeichnet. Die Rotorebene R erstreckt sich parallel versetzt zu einer (nicht bezeichneten) Ebene, die durch die Tragarme des Multikopters 1 aufgespannt ist. Von diesen Tragarmen ist in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein einziger mit dem Bezugszeichen 3 explizit bezeichnet. Die Tragarme 3 gehen von einer zentral unterhalb der Rotorebene R angeordneten Pilotenkanzel 4 mit Kufen 5 aus und tragen insbesondere die Rotoren 2.1 bis 2.9, die zugeordneten Elektromotoren (in 1 nicht bezeichnet) sowie Kabel, Leitungen und gegebenenfalls den Elektromotoren zugeordnete Batterien bzw. Akkumulatoren, was in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellt ist.
Gemäß der Ausgestaltung in 1 weist der an sich bekannte Multikopter 1 insgesamt 18 Rotoren auf, von denen jedoch nur neun mit den bereits genannten Bezugszeichen 2.1 bis 2.9 explizit bezeichnet sind. Da der Multikopter 1 grundsätzlich rechts-links-symmetrisch aufgebaut ist, finden sich auf der anderen Seite des Multikopters 1 neun entsprechende Rotoren, die in 1 - wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit - nicht explizit bezeichnet sind.
Die 2 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluggeräts. Dieses stellt eine Weiterbildung des in 1 gezeigten Multikopters dar. Zur besseren Übersichtlichkeit zeigen die 2 bis 4 stark vereinfachte schematische Darstellungen. In 2 ist noch schematisch anhand eines einzelnen eingezeichneten Rotors 2 angedeutet, dass die Rotoren gegenüber der Rotorebene R eine geringe Schrägstellung α ≈ 5° aufweisen.
Der Multikopter 1 gemäß des in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels ist dadurch weitergebildet, dass zwei Tragflächen 6.1, 6.2 vorgesehen sind, welche um eine Drehachse D drehbar an den Multikopter 1 angeordnet sind, sodass bei einem Vorwärtsflug (in Richtung F gemäß 4) des Multikopters 1 durch Einwirkung der Luftströmung die Tragflächen 6.1, 6.2 aus einer in den 2 und 3 dargestellten Neutralstellung in eine in den 4 und 5 dargestellte Flugstellung drehbar sind.
Wie in 4 ersichtlich, ist die Tragfläche 6.1 um eine Drehachse D drehbar gelagert, welche in einem vorderen Bereich der Tragfläche 6.1 angeordnet ist, das heißt in einem in Flugrichtung F in Flugstellung vorne liegenden Bereich der Tragfläche 6.1.
Der Schwerpunkt der Tragfläche 6.1 ist somit zu der Drehachse D beabstandet, sodass in konstruktiv einfacher Weise aufgrund der Gewichtskraft ein Rückstellmoment besteht, um die Tragfläche 6.1 aus der in 4 gezeigten Flugstellung, bei welcher die Rotorebene R um etwa 25° gegenüber der Flugrichtung F geneigt ist, in die in 2 gezeigte in etwa senkrechte Neutralstellung zu drehen. Gleiches gilt für die Tragfläche 6.2, welche mit der Tragfläche 6.1 eine gemeinsame Drehachse D aufweist, welche in den 3 und 5 gestrichelt dargestellt ist. Die Drehachse D steht in 4 senkrecht zur Zeichenebene und ist somit senkrecht zur Flugrichtung F bei Vorwärtsflug.
Es ist in diesem Ausführungsbeispiel kein aktiver Antrieb vorgesehen, insbesondere kein motorisches Mittel, um die Tragfläche aus der Neutralstellung gemäß der 2 und 3 in die Flugstellung gemäß der 4 und 5 zu drehen. Ebenso ist kein aktiver Antrieb und insbesondere kein motorisches Mittel zum Drehen der Tragflächen aus der Flugstellung in die Neutralstellung vorgesehen.
Die Tragflächen 6.1 und 6.2 sind derart angeordnet, dass die Tragflächen in Neutralstellung einen Winkel von etwa 90° mit der Rotorebene R einschließen, wie in den 2 und 3 ersichtlich.
In den 2 und 3 ist der Startvorgang des Multikopters 1 dargestellt. Die Rotoren erzeugen Auftrieb, um ein senkrechtes Ansteigen in Richtung S zu erzielen. Die Tragflächen 6.1 und 6.2 befinden sich hierbei in Neutralstellung, einerseits aufgrund der Gewichtskraft der Tragflächen, insbesondere jedoch aufgrund der in den 2 und 3 senkrecht von oben nach unten erfolgenden Luftströmung der Rotoren.
Befindet sich der Multikopter hingegen im Vorwärtsflug in Richtung F, wie in den 4 und 5 dargestellt, so erfolgt aufgrund der in etwa entgegen der Flugrichtung F vorliegenden Luftströmung eine Krafteinwirkung auf die Tragflächen 6.1 und 6.2, die zu einem Drehen der Tragflächen nach oben in die in den 4 und 5 dargestellte Flugstellung führt.
Wie in 4 ersichtlich, ist die Rotorebene R in Flugstellung leicht (vorliegend etwa 25°) gegenüber der Fahrtrichtung F geneigt. Die Tragflächen 6.1 und 6.2 sind daher in Flugstellung nicht exakt parallel zu der Rotorebene R, sind gegenüber der Rotorebene R vorliegend ebenfalls um etwa 25° geneigt.
Die Tragflächen 6.1 und 6.2 sind aus Gründen der einfacheren Darstellbarkeit in den 2 und 4 mit einem in etwa elliptischen Querschnitt dargestellt. Vorteilhaft ist jedoch ein an sich aus dem Flugzeugbau bekanntes, konventionelles Tragflächenprofil, welches bei Kleinflugzeugen bekannt ist, zum Erzeugen eines Auftriebs in Flugstellung im Vorwärtsflug bei geringem Luftwiderstand.
Ein Vergleich der 2 und 4 zeigt, dass der Schwenkwinkel der Tragflächen 6.1 und 6.2 zwischen Neutralstellung und Flugstellung etwa 65° beträgt. Dies entspricht somit einem Schwenkwinkel von 90° abzüglich des Winkels von 25° zwischen Flugrichtung im Vorwärtsflug und Rotorebene.
Die Tragflächen 6.1 und 6.2 sind - wie insbesondere in den 3 und 5 ersichtlich - unterhalb der Rotorebene und beabstandet zu dieser angeordnet.
Der Multikopter 1 weist weiterhin für die Tragfläche 6.1 eine als Flugstellungs-Anschlag 7.1 ausgebildete Flugstellungs-Drehbegrenzung auf und ebenso eine als Flugstellungs-Anschlag 7.2 ausgebildete Flugstellungs-Drehbegrenzung für die Tragfläche 6.2.
Wie in den 4 und 5 ersichtlich, liegen die Tragflächen 6.1 und 6.2 in Flugstellung im oberen Bereich des hinteren Endes an dem jeweiligen Flugstellungs-Anschlag 7.1, 7.2 an. Ein weiteres Nach-oben-Drehen der Tragflächen 6.1 und 6.2 wird hierdurch verhindert und somit die Flugstellung definiert.
Wie insbesondere in 3 ersichtlich, weisen die Tragflächen 6.1 und 6.2 eine Länge L parallel zur Drehachse D und eine Breite B senkrecht zur Drehachse D auf, wobei das Verhältnis L/B < 10 ist, vorliegend etwa 4. Hierdurch wird auch bei kompakter Ausgestaltung der Tragflächen 6.1 und 6.2 ein deutlicher Auftrieb in Flugstellung erzielt, welcher zu einer deutlichen Energieeinsparung und somit Reichweitenverlängerung im Vorwärtsflug führt. Insbesondere ist die Länge L derart gewählt, dass die Tragflächen 6.1 und 6.2 seitlich nicht über die Rotorebene R hinausreichen, wie in den 3 und 5 ersichtlich. Bei Draufsicht senkrecht auf die Rotorebene ragen die Tragflächen somit nicht über die von den Rotoren aufgespannte Fläche hinaus.
Um die Flugsicherheit zu erhöhen, weisen die Flugstellungs-Anschläge 7.1 und 7.2 jeweils eine als Elektromagnet ausgebildete Feststelleinheit auf. Jede Feststelleinheit umfasst weiterhin eine auf der zugeordneten Tragfläche korrespondierende Metallfläche, sodass in Flugstellung die jeweilige Metallfläche an dem Elektromagneten anliegt. Diese Komponenten sind aufgrund der geringen Größe nicht dargestellt.
In der Pilotenkanzel 4 ist weiterhin eine Steuereinheit angeordnet, welche über elektrische Leitungen mit den beiden Elektromagneten der Feststelleinheiten verbunden ist. Mittels der Steuereinheit kann somit durch Beaufschlagen der Elektromagneten mit Strom ein Feststellen der Tragflächen 6.1 und 6.2 in Flugstellung erzielt werden, indem die Magnete die jeweils zugeordnete Metallfläche auf der Tragfläche anziehen.
Ein Lösen der Feststelleinheiten ist in einfacher Weise durch Abschalten der Stromversorgung für die Elektromagnete möglich.
In der Pilotenkanzel 4 ist weiterhin eine Messeinheit zum Messen der Fluggeschwindigkeit des Multikopters 1 angeordnet, welche mit der Steuereinheit verbunden ist. Die Steuereinheit ist derart ausgebildet, dass bei Fluggeschwindigkeiten < 3 km/h ein Lösen der Feststelleinheiten durch Abschalten der Elektromagnete erfolgt und bei Fluggeschwindigkeiten > 10 km/h werden die Feststelleinheiten durch Beaufschlagen der Elektromagnete mit Strom aktiviert.
Bezugszeichenliste

1: Multikopter
2, 2.1 bis 2.9: Rotoren
3: Tragarm
4: Pilotenkanzel
5: Kufen
6.1, 6.2: Tragfläche
7.1, 7.2: Flugstellungs-Anschlag
R: Rotorebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012202698 A1 [0002]

Claims

Fluggerät in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, vorzugsweise manntragenden Multikopters, bei dem eine Mehrzahl an Rotoren (2, 2.1 bis 2.9) in einer gemeinsamen Rotorebene (R) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät zumindest eine Tragfläche (6.1, 6.2) aufweist, welche drehbar an dem Fluggerät angeordnet ist, so dass bei einem Vorwärtsflug des Fluggeräts durch Einwirkung der Luftströmung die Tragfläche (6.1, 6.2) aus einer Neutralstellung in eine Flugstellung drehbar ist.
Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät keinen aktiven Antrieb, insbesondere kein motorisches Mittel, zum Drehen der Tragfläche (6.1, 6.2) aus der Neutralstellung in die Flugstellung aufweist.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) derart drehbar an dem Fluggerät angeordnet ist, dass in Neutralstellung die Tragfläche (6.1, 6.2) einen Winkel im Bereich 70° bis 110°, insbesondere 80° bis 100°, bevorzugt 90° mit der Rotorebene (R) einschließt.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) in Flugstellung bei Vorwärtsflug durch Einwirkend der Luftströmung einen Auftrieb erzeugend ausgebildet ist.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) in Flugstellung einen Winkel kleiner bis 20°, insbesondere kleiner 10° zu der Flugrichtung (F) im Vorwärtsflug aufweist, insbesondere, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) in Flugstellung parallel zu der Flugrichtung (F) im Vorwärtsflug ist.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) zu der Rotorebene (R) beabstandet angeordnet ist, insbesondere, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) unterhalb der Rotorebene (R) angeordnet ist.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät eine Flugstellungs-Drehbegrenzung, insbesondere einen bevorzugt mit einer Dämpfung versehenen Flugstellungs-Anschlag (7.1, 7.2) für die Tragfläche (6.1, 6.2) aufweist, so dass ausgehend von der Neutralstellung ein Weiterdrehen der Tragfläche (6.1, 6.2) über die Flugstellung hinaus verhindert wird und/oder dass das Fluggerät eine Neutralstellungs-Drehbegrenzung, insbesondere einen bevorzugt mit einer Dämpfung versehenen Neutralstellungs-Anschlag für die Tragfläche (6.1, 6.2) aufweist, so dass ausgehend von der Flugstellung ein Weiterdrehen der Tragfläche (6.1, 6.2) über die Neutralstellung hinaus verhindert wird.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel der Tragfläche (6.1, 6.2) zwischen Neutralstellung und Flugstellung im Bereich 40° bis 100°, bevorzugt im Bereich 50° bis 90°, insbesondere bei 65° liegt und/oder der Schwenkwinkel 90° abzüglich des Winkels zwischen der Rotorebene und der Flugrichtung im Vorwärtsflug entspricht.
Fluggerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät eine Feststelleinheit, insbesondere eine mechanische Arretierung, für die Tragfläche (6.1, 6.2) aufweist, so dass die Tragfläche (6.1, 6.2) in Flugstellung feststellbar ist.
Fluggerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät eine Steuereinheit aufweist, welche mit der Feststelleinheit zusammenwirkend ausgebildet ist, so dass ein Feststellen der Tragfläche (6.1, 6.2) mittels der Feststelleinheit abhängig von Steuersignalen der Steuereinheit lösbar ist.
Fluggerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, ein Feststellen der Tragfläche (6.1, 6.2) abhängig von Flugparametern, insbesondere bei Unterschreiten einer Grenzgeschwindigkeit zu lösen.
Fluggerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fluggerät zumindest zwei drehbare Tragflächen aufweist, welche um eine gemeinsame Drehachse drehbar an dem Fluggerät angeordnet sind.
Fluggerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) derart ausgebildet ist, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) bei Draufsicht senkrecht auf die Rotorebene (R) nicht über eine von den Rotoren (2, 2.1 bis 2.9) aufgespannte Fläche hinausragt.
Fluggerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfläche (6.1, 6.2) mit einer Länge L parallel zur Drehachse und einer mittleren Breite B senkrecht zur Drehachse ausgebildet ist, mit einem Verhältnis L/B kleiner 10, insbesondere kleiner 7, insbesondere kleiner 5.
Fluggerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Tragfläche (6.1, 6.2) keine Rotoren (2, 2.1 bis 2.9) angeordnet sind.