DE102019101359A1

DE102019101359A1 - Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019101359A1
Application number: DE102019101359.3A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Bernard
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2039-01-22
Also published as: DE102019101359B4

Abstract

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug (10) mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Luftfahrzeug (10) weist Mantelpropeller (12) mit einklappbaren Lamellen und Helmholtz-Resonatoren (13) auf; und die Helmholtz-Resonatoren (13) sind zumindest teilweise an den Lamellen befestigt.

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).
US 4,192,401 A offenbart die Anwendung eines Helmholtz-Resonators in einem Fahrzeugschalldampfer, der die Form der Öffnung in der Hauptleitung verändert.
US 5,625,172 A bezieht sich auf eine Reihe von Resonatoren, die vor Lamellen angeordnet sind. Hierbei sind die Lamellen fixiert und können aus akustischem Absorptionsmaterial (z. B. Akustik-Glas) hergestellt werden.
Gemäß US 3,353,627 A dient eine Luftklappe als eine Art Perforation für einen Helmholtz-Resonator fungiert, der in einen Schalldämpfer integriert ist.
Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit.
Insbesondere wird vorgeschlagen, auf der einen Seite der Lamellen (louvers), die den durch den Mantelpropeller gebildeten Luftkanal aufteilen, eine Reihe von kleinen Helmholtz-Resonatoren zu integrieren, um den Schall, der vom Propeller selbst oder von den Wirbeln kommt, die durch die Luftströmung durch die Lamellen bzw. den Kanal erzeugt werden, zu absorbieren. Ein wesentlicher Grundgedanke hierbei ist, dass die Helmholtz-Resonatoren an den Lamellen selbst angebracht sind.
Ein Helmholtz-Resonator wird durch ein über den Resonatorhals verbundenes Volumen definiert. Die geometrische Abstimmung dieser Parameter führt zur Definition des Frequenzbereichs und der Amplitude der Geräuschdämpfung des Resonators. Nach dem Stand der Technik wurde lediglich der Hals in Lamellen integriert. Der erfindungsgemäße Vorschlag hingegen sieht vor, sowohl Hals als auch Hauptvolumen in die Lamellen zu integrieren, die das Flügelantriebssystem abdecken.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in zusätzlicher Oberfläche für die Helmholtz-Resonatoren ohne zusätzliche Anforderungen an den Bauraum (packaging). Ein weiterer Vorteil ist in der geringeren Geräuschemission des VTOLs während der Landungs- und Startphasen zu sehen, wenn die Lamellen tatsächlich geöffnet sind.
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 die Lamellen 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 Konzept der Helmholtz-Resonatoren, die in den Kanal im Flügel integriert sind.
2 zeigt den Längsschnitt eines Mantelpropellers mit geschlossenen Lamellen.
3 zeigt den Längsschnitt des Propellers mit geöffneten Lamellen.

1 illustriert die konstruktiven Merkmale einer herkömmlichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges (10). Um die geforderte aerodynamische Leistung zu erreichen, sind in den Flügeln integrierte Mantelpropeller (12) mit Lamellen vorgesehen, die andernfalls in den Tragflächen (11) klaffende „Löcher“ im horizontalen Flugbetrieb schließen. Bei vertikalen Manövern sind diese Lamellen geöffnet und leiten den Luftstrom zum jeweiligen Mantelpropeller (12). Ein solches vertikales Manöver ist die kritischste Phase hinsichtlich der Schallabstrahlung. Um dieses abgestrahlte Geräusch zu minimieren, werden die Kanäle der Mantelpropeller (12) mit Helmholtz-Resonatoren (13) ausgekleidet. Leider ist die für eine derartige Auskleidung verfügbare Oberfläche aus Bauraum- und Aerodynamikgründen begrenzt.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass eine oder mehrere gemäß 2 in die Lamellen (14) integrierte Resonatoren (13) das während des vertikalen Betriebs wahrgenommene Fluggeräusch verringern. Jede der Lamellen (14) kann hierbei auf unterschiedliche Frequenzen eingestellt werden.
Bei geöffneten Lamellen (14 - 3) wird durch die Luftströmung durch den Kanal oder durch den Mantelpropeller (12) ein gewisser Lärm erzeugt. Daher verwirklichen die Lamellen (14) das geometrische Konzept von Helmholtz-Resonatoren (13), die durch einen Hals und ein Resonanzvolumen definiert werden und sich bis zu einem Viertel der Wellenlänge erstrecken mögen, sodass der Halsdurchmesser dem Volumen entspricht, was zu einer einfachen Rohrgeometrie für den ganzen Resonator (13) führt. Zwischen den Lamellen (14) kann so der Schall etwaiger Luftwirbel (15) des Mantelpropellers oder Kanals gedämpft werden, wodurch die Schallemission in Richtung des Bodens verringert wird.
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

US 4192401 A [0003]
US 5625172 A [0004]
US 3353627 A [0005]

Claims

Luftfahrzeug (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug (10) weist Mantelpropeller (12) mit einklappbaren Lamellen (14) und Helmholtz-Resonatoren (13) auf und - die Helmholtz-Resonatoren (13) sind zumindest teilweise an den Lamellen (14) befestigt.
Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug (10) weist Tragflächen (11) auf und - die Mantelpropeller (12) sind in die Tragflächen (11) eingebaut.
Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Mantelpropeller (12) weisen die Tragflächen (11) durchziehende Mäntel auf und - die Resonatoren (13) sind teilweise entlang der Mäntel angeordnet.
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: - die Tragflächen (11) sind abgeknickt oder abknickbar.
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 (12) für Start und Landung.
Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die waagerechten Mantelpropeller (12) sind mittels der Lamellen (14) wahlweise abdeckbar.
Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst senkrecht feststehende Mantelpropeller (12) zum Erzeugen eines Vortriebes.
Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) ist wahlweise vollautonom steuerbar.