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Luftfahrzeuge können fliegen auf Grund von Auftriebskräften, die entweder aerostatisch oder aerodynamisch erzeugt werden, wobei letztere wiederum unterteilt werden können in Impulsauftrieb wie bei Hubschraubern durch einen Luftstrahl der von oben angesaugt und nach unten ausgestoßen wird und dessen Rückstoß dann den Auftrieb erzeugt oder durch Druckdifferenzflächen, die in der Luft vorzugsweise in Flugrichtung so bewegt werden, dass bei der Umströmung auf der Oberseite dieser Flächen ein negativer Differenzdruck in Rotation zum Umgebungsdruck und auf der Unterseite ein positiver Differenzdruck erzeugt wird und diese Drücke multipliziert mit den zugehörigen Projektionsflächen dann die benötigte Auftriebskraft erzeugt.
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Der Vorteil der Impulsauftriebserzeugung liegt insbesondere darin, dass so ausgestattete Geräte aus dem Stand vertikal ohne Vorwärtsbewegung abheben und schweben können, wohingegen Fluggeräte mit Druckdifferenzauftrieb erst abheben können, wenn eine ausreichende Geschwindigkeit anliegt so dass deswegen eine Startbahn erforderlich wird.
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Andererseits hat der Impulsauftrieb allerdings den Nachteil, dass der Wirkungsgrad der Auftriebskrafterzeugung extrem schlecht ist. Ein Maß für die Relation der Effizienz der Auftriebserzeugung ist die sog. Gleitzahl, der Quotient aus Auftrieb zu Widerstand, der beim Impulsauftrieb im Schwebeflug naturgemäß eins ist und der bei Flugzeugen mit Druckdifferenzauftrieb Werte bis zu 60 oder mehr einnehmen kann.
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Ideal wäre eine Lösung bei der die Start- und Landephase per Impulsauftrieb und der Reiseflug per Druckdifferenzauftrieb erzeugt wird, ohne dass die Komponenten von jeweils einer der beiden Varianten im unbenutzten Zustand schädliche Auswirkungen haben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Fluggerät zunächst mit zwei Tragwerken vorzugsweise in Tandemanordnung als Druckdifferenzflächen ausgerüstet wird und die Tragwerke durch einen Antrieb in Rotation versetzt werden können mit dem Effekt, dass sie damit wie Rotoren zur Impulsauftriebserzeugung wirken. Der Anstellwinkel (Pitch) der Rotorblätter wird dazu durch Aktuatoren einzeln für jedes Rotorblatt =Tragwerksfläche geregelt.
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Die Rotoren werden phasengenau synchronisiert, vorzugsweise durch eine gemeinsame Antriebswelle und rotieren gegenläufig, so dass keine Reaktionsmomente entstehen und z.B. der bei Hubschraubern erforderliche Heckrotor entfallen kann.
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Zur Herstellung der Balance wird nur der Pitch durch die beschriebenen Aktuatoren geregelt.
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Nach dem Start und der vertikalen Bewegung bis zum Beginn des Vorwärtsfluges werden ausschließlich die Rotoren angetrieben und danach werden die Antriebe - Fans oder Propeller - zum Horizontalflug aktiviert. Mit zunehmender Vorwärtsgeschwindigkeit nehmen die Auftriebskräfte der Rotoren zu, so dass deren Drehzahl sukzessive reduziert werden kann.
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Die Tatsache, dass beim Aufbau der Vorwärtsgeschwindigkeit das jeweils rückeilende Rotorblatt weniger Auftrieb erzeugt wird durch den Auftriebsgewinn des voreilenden Rotorblattes überkompensiert, da der Auftrieb quadratisch mit der Anströmgeschwindigkeit zunimmt.
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Bei Überschreiten der kritischen Geschwindigkeit, die normalerweise als Überziehungsgrenze oder Stall bezeichnet wird, kann die Rotation der Rotoren in Querlage ganz gestoppt werden.
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Die Rotorflächen wirken nun als stehende Tragflächen. Die Regelung von Stabilität und Fluglage, die bei normalen Flugzeugen durch Klappen, Ruder und Trimmungen erfolgt kann vollständig durch die 4 Aktuatoren zur Pitch Regelung erfüllt werden.
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Das Kernproblem der Erfindung liegt nun darin, dass herkömmliche, auftriebserzeugende Tragwerksprofile nur in einer Anströmungsrichtung die angepeilten Wirkungen erzielen. Im Rotorbetrieb wird aber immer jeweils eine von zwei Rotorflächen anders - entgegengesetzt angeströmt wie im freien Flug mit stehenden Rotoren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer y-symmetrischen Profilgeometrie - d.h. die so gestaltete Auftriebsfläche muss im Vorwärtsflug die gleichen Eigenschaften aufweisen wie im Rückwärtsflug - was erreich werden kann mit der beschriebenen y-Symmetrie.
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Solche Profile können analytisch oder per Strömungssimulation optimiert werden und erreichen in einzelnen Betriebszuständen auch gute Ca und Cw Werte und Quotienten, jedoch sind diese Werte i.d.R. auf einen kleinen Betriebsbereich beschränkt. Da die erfindungsgemäßen Luftfahrzeuge jedoch für nur zwei Betriebszustände optimiert werden sollen, nämlich Maximalauftrieb im Rotorbetrieb und bestes Verhältnis Ca/Cw im Reiseflug, sind solche Lösungen zu finden.
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Weiterhin ist bei solchen Profilen der Cm Verlauf ungünstig, d.h. ein so ausgestattetes Fluggerät benötigt große Stabilisierungsflächen als Leitwerke oder Canards. Deswegen ist das erfindungsgemäße Luftfahrzeug als Tandem ausgeführt mit zwei Tragwerken in großem Abstand an den Rumpfenden und einer aktiven Fluglageregelung, die über Sensoren ermittelt und über die beschriebenen 4 Aktuatoren der Rotorblätter geregelt wird.
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Ein weiteres Problem dieser Auslegung liegt in der wechselseitigen Beeinflussung der Strömungen durch die beiden Rotoren im Vertikalbetrieb, die den Wirkungsgrad besonders des in Flugrichtung hinten angeordneten Rotors negativ beeinflussen und außerdem durch zyklische Störung der Strömungsparameter der Rotorblätter zu erhöhter Lärmbildung führen.
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Um beidem entgegen zu wirken sind die Rotoren vorzugsweise in einem Abstand so angeordnet, dass keine Überlappung der Rotorkreise entsteht und/oder der hintere Rotor erhöht angebracht ist.
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In den Betriebsphasen schneller Rotation wird keine zyklische Blattverstellung wie bei Hubschraubern benötigt, da wie beschrieben diese Effekte wegen der Gegenläufigkeit und Phasensynchronisation automatisch kompensiert werden. In kritischen Betriebsphasen, besonders in der Transition sind jedoch auch zyklische Regelungseingriffe möglich und verfügbar, da die Aktuatoren frei ansteuerbar ausgeführt sind.
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Der Antrieb der Vertikal- und Horizontalpropeller erfolgt vorzugsweise über eine Turbine, die ihre Leistung an ein Überlagerungsgetriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe abgibt, so dass automatisch mit einer Getriebestufe zwei verschiedene Abtriebsdrehzahlen geliefert werden, die somit an die unterschiedlichen Anforderungen frei angepasst werden können - die Vertikalrotoren drehen dabei langsamer als die Horizontalpropeller oder Fans.
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Die Leistungsverteilung am Getriebeausgang richtet sich nach der Drehmomentaufnahme der nachgeschalteten Verbraucher und kann sowohl über den Pitch (abhängig) als auch über Bremsen im Abtrieb (frei) geregelt werden. Um Restmomente um die Hochachse des Fahrzeuges zu kompensieren ohne dabei per Variation des Pitch gleichzeitig die Vertikalkraftbilanz und/ oder die Querachsenbalance zu beeinflussen werden in einer bevorzugten Ausführung Spoiler an den Rotoren vorzugsweise an den Rotorenden wo die höchsten Umfangsgeschwindigkeiten anliegen, so angebracht, das Lastmomente ohne Auftriebsveränderung eingeregelt werden können.
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Die Vertikalrotoren werden in der Querlage in präzisem Winkel zur Längsachse arretiert.
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Zusätzlich ist in einer besonderen Ausführung parallel oder seriell zum Hauptantrieb (Turbine oder Kolbenmotor) ein Elektromotor vorgesehen, der batteriegespeist kurzzeitig die Gesamtleistung erhöhen kann (Boostfunktion) um die für den Vertikalstart nur kurzzeitig gebrauchte Leistung bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführung arbeitet diese E-Maschine im Reiseflug als Generator und lädt die Batterie für die Landephase wieder auf.
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In einer weiteren Variante wird der E-Motor am Getriebeausgang zu den Vertikalrotoren angebracht, so dass er zum einen aus Gründen der Schwerpunktlage auch vorne im Bug untergebracht werden kann und zum anderen als Lastgenerator aktiv in die Drehmomentverteilung des Planetengetriebe eingreifen kann, ohne die Verluste von Reibungsbremsen.
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Mit den freien Parametern für die Leistung aus Hauptantrieb und E-Antrieb lassen sich die Lastverteilungen optimal auf Effizienz, Leistung und Geschwindigkeiten je nach Missionsprofil der Auslegung abstimmen.
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Alternativ werden die Vertikalrotoren rein elektrisch und die Horizontalpropeller mit einem Verbrennungsmotor angetrieben. Für reinen Kurzstreckenbetrieb sind voll batterieelektrische Antriebe vorzuziehen.
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Vorzugsweise werden die Gestaltungsparameter der Rotorblätter /Tragflächen bzgl. Streckung, Profilauswahl, aerodynamischer und geometrischer Schränkung für den Vertikalflug auf maximalen Auftrieb und für den Reiseflug auf beste Gleitzahl abgestimmt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt das erfindungsgemäße Luftfahrzeug 100 in einer Frontansicht mit dem Rumpf 101, den Vortriebsfans 102 und kombinierten Vertikalrotoren bzw. Tragflügeln 103 im Reiseflugzustand sowie das Leitwerk 104 zur Richtungsstabilisierung am Rumpfende.
- 2 zeigt das erfindungsgemäße Luftfahrzeug in einer Seitenansicht.
- 3 zeigt das erfindungsgemäße Luftfahrzeug in einer Draufsicht.
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2 zeigt das erfindungsgemäße Luftfahrzeug in einer Perspektive.
