DE102019004808A1

DE102019004808A1 - Flugzeug mit um eine Querachse und die Flugzeugkabine rotierbaren Antriebseinheiten

Info

Publication number: DE102019004808A1
Application number: DE102019004808.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Ein Flugzeug, mit einer Passagier- und/oder Frachtkabine mit 4 um den Schwerpunkt angeordneten Antriebseinheiten, wobei 2 Antriebseinheiten welche auf einer Längsachse positioniert sind, um eine Querachse rotierbar sind. Die rotierbaren Antriebseinheiten sind strukturell miteinander verbunden und bilden damit eine rotierbare Einheit. Diese ist rotierbar gelagert auf 2 Ringträgem befestigt, welche einen Teil der Struktur der Kabine ausmachen. Hierdurch werden die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte Flugzeugkonfiguration mit verbesserter Aerodynamik, hoher Ausfallsicherheit und geringem Gewicht wird zur Verfügung gestellt. Außerdem wird durch die Erfindung ein Ressourcen schonendes und umweltfreundliches Flugzeugkonzept bereitgestellt, welches die Akzeptanz derartiger Flugzeuge bei der Bevölkerung steigert.

Description

Die Erfindung betrifft ein senkrecht start- und landefähiges Flugzeug mit einer Passagier- und/oder Frachtkabine.
Für derartige Flugzeuge sind aus dem Stand der Technik verschiedenste Flugzeugkonfigurationen bekannt. Weit verbreitet ist die Multikopter-Konfiguration bei der eine variable Anzahl an Antriebseinheiten um den Schwerpunkt verteilt angeordnet sind. Dabei können viele, verhältnismäßig schubschwache Antriebseinheiten, oder wenige, dafür aber schubstarke Antriebseinheiten zum Einsatz kommen.
Als Antriebseinheit können sämtliche Geräte, und Kombinationen derer, zum Einsatz kommen, welche Schub erzeugen. Am weitesten verbreitet - da besonders vorteilhaft für die meisten Anwendungsfälle - ist die Nutzung von Elektromotoren mit daran befestigten Propellern. Die Propeller können auch ummantelt sein. Eine Antriebseinheit kann dabei aus mehreren Elektromotoren und mehreren Propellern bestehen. Weitere denkbare Antriebseinheiten sind Verbrennungsmotoren mit Propellern, Strahltriebwerke, oder Schubdüsen wie sie an Raketen benutzt werden. Da die Art der Antriebseinheiten das Flugzeugkonzept nicht einschränkt, sind auch Antriebseinheiten möglich, welche zum Zeitpunkt der Erfindung noch nicht existieren.
Weiterhin können derartige Flugzeuge ohne Tragflächen auskommen, oder aber um die Reichweite zu erhöhen, mit Tragflächen ausgestattet werden.
Durch die verteilten Antriebe um den Schwerpunkt, ist es möglich auf Steuerflächen zu verzichten und die gesamte Flugsteuerung mittels der Schubkraft und Drehmomente der einzelnen Antriebseinheiten umzusetzen.
Je nach der Art und Weise der Transformation des Flugzeuges zwischen Schwebe- und Reiseflug, und des Sicherheitskonzeptes des Flugzeuges, sind in vielen Fällen weiterhin klassische Steuerflächen vorhanden.
Eine Transformation des Flugzeuges zwischen Schwebe- und Reiseflug ist aus dem Grund sinnvoll, da für den horizontalen Reiseflug, bei dem eine oder mehrere Tragflächen Auftrieb erzeugen, wesentlich weniger Energie benötigt wird, als beim Schwebeflug, bei dem nur die Antriebseinheiten mit ihrem Schub den Auftrieb erzeugen müssen.
Liefern die Antriebseinheiten, wie in einer Multikopter-Konfiguration, nur in z-Richtung des Flugzeuges Schub, so müssen entweder eine oder mehrere zusätzliche Antriebseinheiten vorgesehen werden, welche Schub in x-Richtung erzeugen können, oder das Flugzeug kann nur durch eine permanente Anstellung der x-y-Ebene einen Streckenflug durchführen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Antriebseinheiten in eine oder mehrere Richtungen, dreh- bzw. schwenkbar auszuführen. Jeder Dreh- bzw. Schwenkmechanismus erhöht jedoch die Komplexität und den Wartungsaufwand des Flugzeuges, und verringert die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Flugzeugkonfiguration mit verbesserter Aerodynamik, hoher Ausfallsicherheit und geringem Gewicht zur Verfügung zu stellen. Außerdem soll durch die Erfindung ein Ressourcen schonendes und umweltfreundliches Flugzeugkonzept geschaffen werden, was die Akzeptanz derartiger Flugzeuge bei der Bevölkerung steigert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Flugzeug (1) besteht aus einer Passagier- und oder Frachtkabine (2) mit 4 um den Schwerpunkt angeordneten Antriebseinheiten (3a-3d), wobei die 2 Antriebseinheiten (3a, 3b) welche auf einer Längsachse (x) positioniert sind, um eine Querachse (yR) rotierbar sind. Die rotierbaren Antriebseinheiten (3a, 3b) sind strukturell miteinander verbunden und bilden damit eine rotierbare Einheit (4). Diese ist rotierbar gelagert auf 2 Ringträgern (5) befestigt, welche einen Teil der Struktur der Kabine ausmachen. Im Reiseflug ist die rotierbare Einheit um ca. 90 Grad gedreht (siehe 4), sodass die 2 dazugehörigen Antriebseinheiten Vortrieb erzeugen, während sie in der 0 Grad Stellung im Schwebeflug (siehe 3) Auftrieb erzeugen. In jeder Stellung dazwischen erzeugen sie sowohl Auftrieb als auch Vortrieb. Analog kann durch Drehung der rotierbaren Einheit in entgegengesetzte Richtung auch ein Rückwärtsflug durchgeführt werden. Die Rotationsbewegung der rotierbaren Einheit ist in beide Drehrichtungen spätestens von der Flügelstruktur begrenzt. Diese ist gegen einen unerwünscht harten Aufprall der rotierbaren Einheit sicher ausgelegt.
Der Schwerpunkt der rotierbaren Einheit liegt unterhalb des Drehpunktes derer, wodurch sie ohne fremde Krafteinwirkung nur durch die Gravitationskraft in die 0 Grad Stellung geführt wird. Sollte in einer Variation der Flugzeugkonfiguration der Schwerpunkt der rotierbaren Einheit im, oder oberhalb des Drehpunktes derer liegen, muss ein Regelungssystem für dafür sorgen, dass sich die rotierbare Einheit immer in einer gewünschten Position befindet.
Die 2 starr installierten Antriebseinheiten (3c, 3d) welche auf einer Querachse (y) positioniert sind, sind in einen Tragflügel (6) integriert und dienen primär zur Auftriebserzeugung im Schwebeflug. Die Luftein- und -austrittsöffnungen der beiden starren Antriebseinheiten können mittels Klappen vollständig geschlossen werden. Um den Vorteil der Kompaktheit der Erfindung bestmöglich auszunutzen, sind die Flügel klappbar ausgeführt, wobei der Drehpunkt in Richtung Flügelspitze hinter der jeweiligen starren Antriebseinheit positioniert ist. Dadurch befinden sich keine schweren, sowie keine sicherheits- bzw. funktionskritischen Komponenten am klappbaren Teil des Flügels, was zu einer minimalen Belastung des Klappmechanismus führt sowie diesen sicherheits- und funktionsunkritisch macht. Es ist jedoch auch ein starrer Tragflügel denkbar. Auch Varianten ganz ohne Tragflügel sind denkbar, wenn z.B. eine Nutzung des Flugzeugkonzeptes für hauptsächlich kurze Strecken gewünscht ist. In diesem Fall sind nur die Antriebseinheiten seitlich der Kabine vorzusehen, welche dann nicht, oder ebenfalls aerodynamisch verkleidet sind, und auch schwenkbar ausgeführt werden können.
Durch die Rotation der rotierbaren Einheit verändert sich auch die Schwerpunktlage des Flugzeuges in vorteilhafter Weise. So liegt der Schwerpunkt im Reiseflug bei einer 90 Grad Drehung der rotierbaren Einheit (siehe 4) weiter hinten, und damit näher am Neutralpunkt des Flugzeuges, wodurch das auszugleichende, abnickende Moment des Flugzeuges kleiner wird. In der 0 Grad Stellung (siehe 3) liegt der Schwerpunkt damit weiter vorn, was im Falle eines Gleitfluges, für ein stabileres Verhalten des Flugzeuges sorgt. Im Schwebeflug liegt der Schwerpunkt damit außerdem möglichst zentral zwischen allen Antriebseinheiten.
Für die Funktion und Steuerung des Flugzeugs entlang, und um alle Achsen sind grundsätzlich keine Steuerflächen erforderlich, da alle nötigen Steuerkräfte durch Schubkräfte oder Drehmomente der Antriebseinheiten aufgebracht werden können, vorausgesetzt als Antriebseinheiten kommen Elektromotoren mit Propellern, oder Systeme mit ähnlichen Eigenschaften, zum Einsatz. Trotzdem ist die Nutzung, insbesondere von Höhen- und Seitenleitwerken, aus Redundanz- und Sicherheitsgründen vorteilhaft. Die in den Zeichnungen dargestellte Variante von Höhen- (7) und Seitenleitwerk (8) erfordert eine genauere Betrachtung des Übergangs des Flugzeuges vom Schwebeflug in den Vorwärtsflug. Bei der Rotation der rotierbaren Einheit wird eine Stellung durchlaufen, bei der der Luftstrahl der Antriebseinheit 3b auf das Höhenleitwerk trifft. Dies würde ein ungewünschtes Reaktionsmoment des Flugzeuges entgegen der gewünschten Rotation der rotierbaren Einheit hervorrufen. Um dies zu vermeiden sollte das Höhenleitwerk, mit oder ohne Höhenruder, wobei das Höhenleitwerk ohne Höhenruder dann vollständig drehbar ausgeführt werden sollte, so ausgelegt werden, dass es dieses Moment ausgleichen kann. Mit einem speziell dafür entwickelten Regelungssystem, wird bei einer Rotation der rotierbaren Einheit das Höhenleitwerk automatisch entsprechend ausgeschlagen, so dass das unerwünschte Drehmoment des Flugzeuges vollständig ausgeglichen wird.
An der Tragkonstruktion der rotierbaren Einheit sind nicht motorisierte Stützräder (9) montiert, welche das Rollen des Flugzeugs am Boden in alle Richtungen zulassen. Das Hauptfahrwerk (10) ist einziehbar ausgeführt und besitzt motorisierte Räder. Durch die individuelle Ansteuerung der beiden Räder wird das Fahren nach vorn, nach hinten, und von Kurven, sowie das Drehen des Flugzeuges nahezu um einen Punkt ermöglicht. Es ist zu beachten, dass das Hauptfahrwerk nicht bei jeder Stellung der rotierbaren Einheit ein- bzw. ausgefahren werden kann, da es beim Verfahren die Drehebene der rotierbaren Einheit schneidet. Um Kollisionen zu vermeiden wird ein Regelungssystem entwickelt, welches das Ein- bzw. Ausfahren des Hauptfahrwerks nur dann zulässt, wenn sich die rotierbare Einheit in einer Stellung befindet, welche dies kollisionsfrei zulässt.
Durch die Erfindung ergibt sich eine verbesserte Flugzeugkonfiguration welche für den Schwebeflug, welcher einen sehr hohen Energiebedarf aufweist, alle verbauten Antriebseinheiten nutzt, wohingegen für den Reiseflug, welcher einen deutlich niedrigeren Energiebedarf aufweist, nur die Hälfte der Antriebseinheiten genutzt werden. Die nicht genutzten Antriebseinheiten erzeugen während des Reiseflügels im Tragflügel integriert keinen Widerstand und auch keinen aerodynamisch induzierten Lärm.
Durch die strikte ausschließliche Verwendung der starren, seitlichen Antriebseinheiten für den Schwebeflug, können diese dementsprechend optimiert werden, was weitere Vorteile in Energieverbrauch und Lärmerzeugung ermöglicht.
Da die rotierbaren Antriebseinheiten strukturell eine Einheit bilden, ergeben sich Vorteile bei der Ausfallsicherheit, da so nur ein einziger sicherheitskritischer Dreh- bzw. Schwenkmechanismus im Gesamten Flugzeug betrachtet werden muss, im Gegensatz zu individuellen Mechanismen für jede Antriebseinheit. Dieser kann je nach gewünschtem Sicherheitslevel mit beliebig vielen Steuermotoren/-aktuatoren angetrieben werden.
Daraus, dass nicht wie bei einer klassischen Multikopter-Konfiguration, das gesamte Flugzeug angestellt werden muss, um einen Streckenflug durchzuführen, sondern nur die rotierbare Einheit gedreht werden muss, während die Kabine horizontal ausgerichtet bleiben kann, resultiert ein größerer Flugkomfort bei den Passagieren. Weiterhin ergeben sich durch diese Entkopplung der Vor- und Auftriebsachse aerodynamische und regelungstechnische Vorteile bei der Transition des Flugzeuges vom Schwebe- in den Reiseflug.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die in der vorhergehenden Beschreibung angegebene bevorzugte Ausführung. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Die Erfindung ist anhand der Figuren in einer Ausführungsvariante genauer dargestellt.

1: Isometrische Ansicht des Flugzeuges am Boden
2: Isometrische Ansicht des Flugzeuges im Reiseflug
3: Seitenansicht des Flugzeuges am Boden bzw. im Schwebeflug
4: Seitenansicht des Flugzeuges im Reiseflug
5: Frontansicht des Flugzeuges am Boden
6: Frontansicht des Flugzeuges im Reiseflug

Bezugszeichenliste

1: Flugzeug
2: Kabine
3a-3d: Antriebseinheiten
4: Rotierbare Einheit
5: Ringträger
6: Tragflügel
7: Höhenleitwerk
8: Seitenleitwerk
9: Stützräder
10: Hauptfahrwerk
x: Längsachse
y: Querachse
yR: Rotationsachse der rotierbaren Einheit
z: Hochachse
F: Flugrichtung

Claims

Flugzeug (1), mit einer Passagier- und/oder Frachtkabine (2) mit mindestens 3 um den Schwerpunkt angeordneten Antriebseinheiten (3a-3d), wobei mindestens 2 Antriebseinheiten welche auf einer Längsachse (x) positioniert sind (3a, 3b), um eine Querachse (yR) rotierbar, sowie strukturell miteinander verbunden sind und damit eine rotierbare Einheit (4) bilden, welche rotierbar gelagert auf einem oder mehreren Ringträgern (5) befestigt ist, welche einen Teil der Struktur der Kabine (2) ausmachen.
Flugzeug (1) nach Anspruch 1, wobei als Antriebseinheit sämtliche Geräte, und Kombinationen derer, zum Einsatz kommen können, welche Schub erzeugen, wie zum Beispiel Elektro- oder Verbrennungsmotoren mit daran befestigten Propellern, welche auch ummantelt sein können, sowie Strahltriebwerke oder Schubdüsen, sowie weitere bereits bekannte oder zum Zeitpunkt der Erfindung noch nicht existierende Geräte welche Schub erzeugen können.
Flugzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens 2 Antriebseinheiten (3c, 3d) auf einer Querachse des Flugzeuges positioniert sind, welche starr oder dreh- bzw. schwenkbar ausgeführt sind.
Flugzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit oder ohne einen klapp-, dreh-, schwenkbaren oder starren Tragflügel (6) ausgeführt ist.
Flugzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit oder ohne Höhen-(7) und Seitenleitwerk (8) sowie mit oder ohne Querruder ausgeführt ist.
Flugzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheiten aus Anspruch 3 in den Tragflügel aus Anspruch 4 (sofern vorhanden) nicht, teilweise oder vollständig integriert sind.
Flugzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit oder ohne ein Regelungssystem ausgestattet ist, welches das Höhenleitwerk (7) bzw. Höhenruder (sofern vorhanden) so ausschlägt, dass das vom Luftstrahl der Antriebseinheit 3b - welcher beim Übergang vom Schwebe- in den Horizontalflug das Höhenleitwerk (7) trifft - erzeugte Moment, ausgleicht.
Flugzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit oder ohne Stützräder (9) oder Stützen an der rotierbaren Einheit (4) ausgeführt ist.
Flugzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit einem starren oder einziehbaren Hauptfahrwerk (10), oder mit starren oder einziehbaren Kufen ausgeführt ist, wobei beim Verfahren des Hauptfahrwerks (10) oder der Kufen eine etwaige Kollision mit der rotierbaren Einheit (4) durch ein Regelungssystem verhindert wird.
Flugzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches mit einem teil- oder vollautonomen Flugsteuerungssystem ausgestattet ist.