DE102019105908B4 - Aircraft structure and aircraft - Google Patents

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Abstract

Luftfahrzeugstruktur (10), mit folgenden Merkmalen:- die Luftfahrzeugstruktur (10) umfasst starr miteinander verbundene Antriebsgehäuse (11), eine Nutzlastkabine (13) und einen Auftrieb (15) erzeugenden Rahmen (14),- die Antriebsgehäuse (11) sind an der Nutzlastkabine (13) gemeinsam um eine Schwenkachse (12) schwenkbar gelagert,- der Rahmen (14) verbindet die Antriebsgehäuse (11) und ist an der Nutzlastkabine (13) gelagert und- der Rahmen (14) weicht von einer Kreisform ab, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- die Antriebsgehäuse (11) enthalten jeweils einen Mantelpropeller und sind äquidistant zur Schwenkachse (12) sowie zur Nutzlastkabine (13) angeordnet,- die Nutzlastkabine (13) ist länglich,- die Luftfahrzeugstruktur (10) umfasst eine quer zur Nutzlastkabine (13) verlaufende, starr mit der Nutzlastkabine (13) verbundene Welle und- der Rahmen (14) ist auf der Welle gelagert.Aircraft structure (10), with the following features:- the aircraft structure (10) comprises drive housings (11) rigidly connected to one another, a payload cabin (13) and a frame (14) generating lift (15),- the drive housings (11) are mounted on the payload cabin (13) so as to be pivotable together about a pivot axis (12),- the frame (14) connects the drive housings (11) and is mounted on the payload cabin (13), and- the frame (14) deviates from a circular shape, characterized by the following features:- the drive housings (11) each contain a ducted propeller and are arranged equidistant from the pivot axis (12) and the payload cabin (13),- the payload cabin (13) is elongated,- the aircraft structure (10) comprises a shaft which runs transversely to the payload cabin (13) and is rigidly connected to the payload cabin (13), and- the frame (14) is mounted on the shaft stored.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfahrzeugstrukur sowie ein senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug mit einer solchen Luftfahrzeugstruktur.The present invention relates to an aircraft structure and a vertical take-off and landing (VTOL) aircraft with such an aircraft structure.

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) .In aerospace engineering, VTOL is the term used across all languages to describe any type of aircraft, drone or rocket that has the ability to take off and land essentially vertically and without a runway. This collective term is used in the following in a broad sense, which includes not only fixed-wing aircraft with wings, but also rotary-wing aircraft such as helicopters, gyroplanes, flight helicopters and hybrids such as compound helicopters or combination helicopters as well as convertible aircraft. It also includes aircraft with the ability to take off and land over particularly short distances (short take-off and landing, STOL), take off over short distances but land vertically (short take-off and vertical landing, STOVL) or take off vertically but land horizontally (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).

DE 20 2018 104 722 U1 offenbart ein Fluggerät mit einer Rahmenstruktur, mehreren an dieser angeordneten Hubrotoren, mittels derer der vertikal nach oben gerichtete Primärauftrieb sowie Vortriebskräfte erzeugt werden, und einer Strahlturbine, deren Schubstrahl so ausgerichtet wird, dass dem Primärauftrieb ein parallel zum Primärauftrieb gerichteter Sekundärauftrieb überlagert wird. DE 20 2018 104 722 U1 discloses an aircraft with a frame structure, a plurality of lifting rotors arranged on the frame structure, by means of which the vertically upwardly directed primary lift and propulsive forces are generated, and a jet turbine, the thrust jet of which is aligned in such a way that a secondary lift directed parallel to the primary lift is superimposed on the primary lift.

DE 20 2013 011 452 U1 beschreibt ein Luftfahrzeug, das keine Tragfläche im herkömmlichen Sinne, dafür aber ein Gebläse, eine Schubvektorsteuerung mit schwenkbarer Schubdüse, einen Rahmen und einen Hohlkörper besitzt, der die Schubdüse mit dem Rahmen verbindet und durch den diese Luft von dem Gebläse zugeführt bekommt. EN 20 2013 011 452 U1 describes an aircraft that does not have a wing in the traditional sense, but instead has a fan, a thrust vector control with a pivoting thrust nozzle, a frame and a hollow body that connects the thrust nozzle to the frame and through which it receives air from the fan.

WO 2008/ 147 484 A2 beschreibt ein Luftfahrzeug, welches mit Containern, Landfahrzeugen, Wasserfahrzeugen, Modulen für medizinischen Transport usw. koppelbar ist. Das darin beschriebene Luftfahrzeug weist eine Mehrzahl von Propellern auf, welche um einen Rahmen herum angeordnet sind und Schub in vertikaler oder horizontaler Richtung erzeugen. WO 2008/ 147 484 A2 describes an aircraft that can be coupled with containers, land vehicles, watercraft, modules for medical transport, etc. The aircraft described therein has a plurality of propellers that are arranged around a frame and generate thrust in a vertical or horizontal direction.

US 3 350 035 A zeigt und beschreibt eine Luftfahrzeugstruktur mit starr miteinander verbundenen, um eine gemeinsame Achse schwenkbar gelagerten Antriebsgehäusen. US 3 350 035 A shows and describes an aircraft structure with rigidly connected drive housings that are pivoted about a common axis.

US 8 733 690 B2 offenbart ein Luftfahrzeug, das für senkrechten Start und senkrechte Landung geeignet ist, wobei für Start und Landung sowie für den Vorwärtsflug derselbe Satz von Triebwerken verwendet wird, das für den Start mit den Flügeln in einer vertikalen im Gegensatz zu einer horizontalen Fluglage geeignet ist, das in dieser vertikalen Lage startet und dann in eine horizontale Flugbahn übergeht, das die Fluglage des Fahrzeugs während des Starts und der Landung durch abwechselnden Schub von Triebwerken steuert, die während des Starts in mindestens zwei Dimensionen relativ zur Horizontalen getrennt sind, und das auch den regulären Flug durch die Verwendung von Differenzialschub der Triebwerke steuern kann. US 8 733 690 B2 discloses an aircraft capable of vertical take-off and landing, using the same set of engines for take-off and landing as well as for forward flight, capable of taking off with the wings in a vertical as opposed to a horizontal attitude, taking off in that vertical attitude and then transitioning to a horizontal flight path, controlling the attitude of the vehicle during take-off and landing by alternating thrust from engines separated in at least two dimensions relative to the horizontal during take-off, and capable of also controlling regular flight by using differential thrust of the engines.

Ein senkrecht startendes und landendes Flugzeug gemäß US 2014 / 0 124 613 A1 mit kippbarem Antrieb zur Verwendung am Boden und in der Luft umfasst einen Körper, der mit einer Antriebsvorrichtung versehen ist, Räder, die gesteuert werden, um den Körper auf dem Boden zu bewegen, und ein vorderes Triebwerk und ein hinteres Triebwerk, die den Körper steuern, um zu fliegen oder zu starten/zu landen, wobei Übertragungsverstrebungsstangen auf beiden Seiten des Körpers angeordnet sind und ein erster Drehpunkt quer durch den Körper verläuft und mit den Übertragungsverstrebungsstangen auf beiden Seiten des Körpers verbunden ist, wobei das vordere Triebwerk an den vorderen Enden der Getriebestreben befestigt ist und das hintere Triebwerk an den hinteren Enden der Getriebestreben befestigt ist, wobei die Mittelachsen des vorderen und des hinteren Triebwerks senkrecht zu der durch die beiden Getriebestreben gebildeten Ebene verlaufen. Durch die Steuerung des Neigungswinkels der vorderen und hinteren Triebwerke verfügt das Flugzeug über zwei Grundfunktionen: vertikales Starten und Landen und horizontales Fliegen, um den Wechsel zwischen Land- und Luftfahrt zu erleichtern. Während des Fluges in der Luft bleibt der Flugzeugkörper immer in horizontaler Lage, was den Insassen ein angenehmes Gefühl vermittelt und ihnen ein weites Sichtfeld bietet, um das Flugzeug sicher zu steuern.A vertical take-off and landing aircraft in accordance with US 2014 / 0 124 613 A1 with tiltable propulsion for use on the ground and in the air, comprising a body provided with a propulsion device, wheels controlled to move the body on the ground, and a front engine and a rear engine controlling the body to fly or take off/land, transmission strut rods being arranged on both sides of the body and a first pivot point passing across the body and connected to the transmission strut rods on both sides of the body, the front engine being attached to the front ends of the transmission struts and the rear engine being attached to the rear ends of the transmission struts, the central axes of the front and rear engines being perpendicular to the plane formed by the two transmission struts. By controlling the angle of inclination of the front and rear engines, the aircraft has two basic functions: vertical takeoff and landing and horizontal flight to facilitate the transition between land and air travel. During flight in the air, the aircraft body always remains in a horizontal position, which gives the occupants a comfortable feeling and offers them a wide field of vision to control the aircraft safely.

US 2018 / 0 281 943 A1 , US 9 610 817 B1 und US 4 537 372 A offenbaren jeweils eine dem Oberbegriff von Anspruch 1 entsprechende Struktur für ein Luftfahrzeug. Aufgabe der Erfindung ist es, dessen Höchstgeschwindigkeit zu steigern. Diese Aufgabe wird gemäß dem Hauptanspruch gelöst. US 2018 / 0 281 943 A1 , US 9 610 817 B1 and US 4 537 372 A each disclose a structure for an aircraft corresponding to the preamble of claim 1. The object of the invention is to increase its maximum speed. This object is achieved according to the main claim.

Der Grundgedanke einer bevorzugten Ausführungsform ist hierbei die Verwendung eines relativ zur Nutzlastkabine schwenkbaren Rahmens zur Auftriebserzeugung im Vorwärtsflug.The basic idea of a preferred embodiment is the use of a frame that can be pivoted relative to the payload cabin to generate lift in forward flight.

Ein Vorzug dieser Lösung liegt primär in ihrer Eignung, die mögliche Maximalgeschwindigkeit deutlich zu erhöhen durch Verlagerung der Auftriebserzeugung von den Hubantrieben maßgeblich zu Strukturbauteilen des Fluggeräts. Dabei ist die zur Verfügung stehende Schubleistung der Antriebe hauptanteilig in Flugrichtung aufzubringen, nicht entgegen der nach unten gerichteten Gewichtskraft. Der Auftrieb wird im Vorwärtsflug hauptsächlich durch die relativ zur Anströmung optimiert angestellten Anteile der vorzugsweise aus Rahmen, Antriebsgehäuse und Nutzlastkabine bestehenden Luftfahrzeugstruktur erzeugt. Gleichzeitig wird der Luftwiderstand des Gesamtsystems durch eine günstige Bauteilausrichtung reduziert und damit eine höhere Maximalgeschwindigkeit möglich.One advantage of this solution lies primarily in its ability to significantly increase the maximum possible speed by shifting the lift generation from the lifting drives to the structural components of the aircraft. The available thrust of the drives to be applied mainly in the direction of flight, not against the downward force of gravity. In forward flight, the lift is generated mainly by the parts of the aircraft structure, which preferably consist of the frame, drive housing and payload cabin, which are positioned in an optimized manner relative to the airflow. At the same time, the air resistance of the entire system is reduced by a favorable component alignment, thus making a higher maximum speed possible.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent patent claims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

  • 1 zeigt die Komponenten einer erfindungsgemäßen Luftfahrzeugstruktur.
  • 2 zeigt die Startposition eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeugs.
  • 3 zeigt das Luftfahrzeug in einer Phase des Übergangs in den Reiseflug.
  • 4 zeigt das Luftfahrzeug gemäß der 2 und 3 in Vorwärtsfluglage.
  • 5 zeigt anhand der Vorderansicht eines entsprechenden Luftfahrzeuges im Schnellflug ein weiteres Beispiel für eine Rahmenform.
Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described in more detail below.
  • 1 shows the components of an aircraft structure according to the invention.
  • 2 shows the starting position of an aircraft according to the invention.
  • 3 shows the aircraft in a phase of transition to cruise flight.
  • 4 The aircraft displays the 2 and 3 in forward flight position.
  • 5 shows another example of a frame shape based on the front view of a corresponding aircraft in high-speed flight.

Die 1 bis 4 illustrieren in ihrer Zusammenschau die konstruktiven Merkmale einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges.The 1 to 4 illustrate in their summary the design features of a preferred embodiment of the aircraft according to the invention.

Erkennbar wird hier insbesondere die Einführung eines Auftrieb erzeugenden Rahmens (14), welcher auch die Antriebseinheiten aufnehmen kann. Dieser ist drehbar um die Querachse des Luftfahrzeugs, relativ zur Nutzlastkabine (13), angebracht.What is particularly noticeable here is the introduction of a lift-generating frame (14), which can also accommodate the drive units. This is mounted so that it can rotate around the transverse axis of the aircraft, relative to the payload cabin (13).

Der Rahmen (14) kann auch von der in den 1 bis 4 dargestellten Kreisform abweichen, speziell um die im Schnellflug „horizontalen“ Anteile des Rahmens (14) zu vergrößern und die nicht zum Auftrieb (15) beitragenden „vertikalen“ Anteile zu reduzieren (5).The frame (14) can also be removed from the 1 to 4 shown circular shape, especially to increase the “horizontal” parts of the frame (14) during high-speed flight and to reduce the “vertical” parts that do not contribute to lift (15) ( 5 ).

Claims (4)

Luftfahrzeugstruktur (10), mit folgenden Merkmalen: - die Luftfahrzeugstruktur (10) umfasst starr miteinander verbundene Antriebsgehäuse (11), eine Nutzlastkabine (13) und einen Auftrieb (15) erzeugenden Rahmen (14), - die Antriebsgehäuse (11) sind an der Nutzlastkabine (13) gemeinsam um eine Schwenkachse (12) schwenkbar gelagert, - der Rahmen (14) verbindet die Antriebsgehäuse (11) und ist an der Nutzlastkabine (13) gelagert und - der Rahmen (14) weicht von einer Kreisform ab, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Antriebsgehäuse (11) enthalten jeweils einen Mantelpropeller und sind äquidistant zur Schwenkachse (12) sowie zur Nutzlastkabine (13) angeordnet, - die Nutzlastkabine (13) ist länglich, - die Luftfahrzeugstruktur (10) umfasst eine quer zur Nutzlastkabine (13) verlaufende, starr mit der Nutzlastkabine (13) verbundene Welle und - der Rahmen (14) ist auf der Welle gelagert.Aircraft structure (10), with the following features: - the aircraft structure (10) comprises drive housings (11) rigidly connected to one another, a payload cabin (13) and a frame (14) generating lift (15), - the drive housings (11) are mounted on the payload cabin (13) so as to be pivotable together about a pivot axis (12), - the frame (14) connects the drive housings (11) and is mounted on the payload cabin (13), and - the frame (14) deviates from a circular shape, characterized by the following features: - the drive housings (11) each contain a ducted propeller and are arranged equidistant from the pivot axis (12) and from the payload cabin (13), - the payload cabin (13) is elongated, - the aircraft structure (10) comprises a shaft which runs transversely to the payload cabin (13) and is rigidly connected to the payload cabin (13), and - the frame (14) is mounted on the shaft stored. Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug weist eine Luftfahrzeugstruktur (10) nach Anspruch 1 auf.Aircraft, characterized by the following feature: - the aircraft has an aircraft structure (10) according to Claim 1 on. Luftfahrzeug nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Schwenkachse (12) verläuft parallel zu einer Nickachse der Luftfahrzeugstruktur (10).Aircraft to Claim 2 , characterized by the following feature: - the pivot axis (12) runs parallel to a pitch axis of the aircraft structure (10). Luftfahrzeug nach Anspruch 2 oder 3, derart konfiguriert, dass: - in einer Startlage des Luftfahrzeuges der Rahmen (14) derart ausgerichtet ist, dass die Mantelpropeller eine Drehachse aufweisen, welche parallel zu einer Gierachse des Luftfahrzeuges verläuft und - in einer Reisefluglage des Luftfahrzeuges der Rahmen (14) derart ausgerichtet ist, dass die Mantelpropeller eine Drehachse aufweisen, welche im Wesentlichen parallel zu einer Rollachse des Luftfahrzeuges verläuft.Aircraft to Claim 2 or 3 , configured such that: - in a take-off position of the aircraft, the frame (14) is aligned such that the ducted propellers have an axis of rotation which runs parallel to a yaw axis of the aircraft, and - in a cruising position of the aircraft, the frame (14) is aligned such that the ducted propellers have an axis of rotation which runs substantially parallel to a roll axis of the aircraft.
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