DE102019118024B4

DE102019118024B4 - aircraft

Info

Publication number: DE102019118024B4
Application number: DE102019118024.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Riesbeck; Thomas Schaal
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2022-11-10
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: DE102019118024A1

Abstract

Luftfahrzeug, mit folgenden Merkmalen:- das Luftfahrzeug weist einen Mantelpropeller (10) auf und- der Mantelpropeller (10) umfasst einen beweglichen Aufnahmering (12) mit Lamellen (11), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- die Lamellen (11) sind innerhalb des Aufnahmeringes drehbar gelagert und- die Lamellen (11) sind federnd in eine Schließstellung vorgespannt.Aircraft, with the following features: - the aircraft has a ducted propeller (10) and - the ducted propeller (10) comprises a movable receiving ring (12) with lamellae (11), characterized by the following features: - the lamellae (11) are inside the Receiving ring rotatably mounted and the slats (11) are resiliently biased into a closed position.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug.The present invention relates to an aircraft, in particular an all-electric, vertical take-off and landing (VTOL) aircraft.

Stand der TechnikState of the art

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, a VTOL is a cross-linguistic term for any type of aircraft, drone or rocket that has the ability to take off and touch down 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 rotorcraft such as helicopters, autogyros, helicopters and hybrids such as compound helicopters or combination helicopters and convertible aircraft. Also included are aircraft with the ability to take off and land over particularly short distances (short take-off and landing, STOL), to take off over short distances but to land vertically (short take-off and vertical landing, STOVL) or vertical take-off and horizontal landing (VTHL).

DE 20 2015 007 089 U1 betrifft ein VTOL-Flugzeug mit sogenanntem „Blended Wing Body“, wobei der Übergangsteil zwischen Rumpf und Flügeln Längsreihen elektrischer, drehzahlgeregelter Mantelpropeller für vertikalen Schub und Flug enthält, die durch Klappen verschließbar sind. Das Öffnen und Schließen der Klappen erfolgt durch einen horizontalen Schwenkarm, wie bei einer Bustür. DE 20 2015 007 089 U1 relates to a VTOL aircraft with a so-called "blended wing body", in which the transition part between fuselage and wings contains longitudinal rows of electric, speed-controlled ducted propellers for vertical thrust and flight, which can be closed by flaps. The flaps are opened and closed by a horizontal swivel arm, like a bus door.

JP S62-168 793 A offenbart einen Flugschrauber für höhere Fluggeschwindigkeiten mit als profilierten Hochauftriebsklappen ausgebildeten Strahlrudern, die mit einem Strömungsspalt versehen sind. Der Strömungsspalt ist durch eine Klappe an der Unterseite des Profils verschließbar. Die Klappe verschließt hierbei unter Federwirkung von innen her den Spalt und wird bei hohen Ausschlagwinkeln der Ruder zur Freigabe des Spaltes nach innen für die Durchströmung mittels des Strömungsdruckes selbsttätig bewegt. Das Dokument nimmt unabhängig von den Klappen Bezug auf die Möglichkeit, am Fluggeräteheck von Drehflüglern einen Mantelpropeller zur Vortriebserzeugung mit in der Propellernachlaufströmung liegendem Seitenleitwerk anzuordnen. JP S62-168 793 A discloses a flight screw for higher flight speeds with jet vanes designed as profiled high-lift flaps, which are provided with a flow gap. The flow gap can be closed with a flap on the underside of the profile. The flap closes the gap from the inside under spring action and is automatically moved inwards by means of the flow pressure at high deflection angles of the rudder to release the gap for the flow through. Independent of the flaps, the document refers to the possibility of arranging a ducted propeller on the rear of rotorcraft aircraft to generate propulsion with a rudder unit located in the propeller wake flow.

CN 105121188 B beschreibt ein VTOL-Luftfahrzeug mit klappbaren Festflügeln und einem Mantelpropeller für den Reiseflug. An den Seiten des Fahrzeuges sind Gondeln mit Elektromotoren und Klappen vorgesehen, die die Gondeln umschließen, wenn die Flügel eingeklappt sind. CN 105121188B describes a VTOL aircraft with folding fixed wings and a ducted propeller for cruise flight. Nacelles are provided on the sides of the vehicle with electric motors and flaps that enclose the nacelles when the wings are folded.

DE 36 36 456 A1 ist ein englischsprachiges Familienmitglied zu JP S62- 168 793 A und DE 36 36 456 A1 ist ein deutschsprachiges Familienmitglied zu CN 105 121 188 B . DE 36 36 456 A1 is an English speaking family member too JP S62- 168 793 A and DE 36 36 456 A1 is a German speaking family member too CN 105 121 188 B .

Auch aus US 9 856 018 B2 ist ein Luftfahrzeug bekannt. Das Luftfahrzeug weist einen Mantelpropeller auf. Der Mantelpropeller umfasst einen beweglichen Aufnahmering mit Lamellen.Also from U.S. 9,856,018 B2 an aircraft is known. The aircraft has a ducted propeller. The ducted propeller includes a moveable support ring with fins.

US 8 020 804 B2 , EP 3 290 334 A1 und GB 2 555 440 A zeigen ebenfalls Mantelpropeller mit Lamellen. U.S. 8,020,804 B2 , EP 3 290 334 A1 and GB 2 555 440A also show ducted propellers with fins.

DE 10 2011 105 880 A1 und DE 20 2010 016 892 U1 zeigen abgeknickte bzw. abknickbare Trageflächen, erstere Druckschrift zudem ein Flugzeug mit vollelektrischem Antrieb. DE 10 2011 105 880 A1 and DE 20 2010 016 892 U1 show bent or bendable wings, the former publication also an airplane with fully electric drive.

DE 11 2012 003 115 T5 zeigt ein schnell ladbares Batteriesystem für ein Luftfahrzeug. DE 11 2012 003 115 T5 shows a rapidly charging battery system for an aircraft.

DE 20 2015 003 815 U1 zeigen horizontal und vertikal angeordnete mit Lamellen abdeckbare Mantelpropeller. DE 20 2015 003 815 U1 show horizontally and vertically arranged ducted propellers that can be covered with fins.

DE 20 2018 000 856 U1 zeigt ein autonom steuerbares Luftfahrzeug. DE 20 2018 000 856 U1 shows an autonomously controllable aircraft.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz eines Mantelpropellers (ducted fan) durch eine optimale Gestaltung der Einströmverhältnisse in den Kanal zu steigern.The approach according to the invention is based on the object of increasing the efficiency of a ducted fan by optimally designing the inflow conditions into the duct.

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit.The invention provides an aircraft, in particular an all-electric aircraft capable of vertical take-off and landing in the above sense, according to independent claim 1.

Der Vorzug eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges liegt dementsprechend darin, dass die Einströmverhältnisse in den Luftkanal seines Mantelpropellers im Vergleich besonders günstig sind.The advantage of an aircraft according to the invention is accordingly that the inflow conditions in the air duct of its ducted propeller are particularly favorable in comparison.

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.Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent patent claims. For example, the aircraft can be equipped with angled or even optionally foldable wings. A corresponding variant increases the effective wing area in level flight, but without expanding the footprint of the aircraft.

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.Furthermore, the aircraft may have a fast-charging battery system, which provides the drive energy for vertical take-off and landing as well as level flight and allows the aircraft to be charged for a short time while stationary.

Zum Antrieb des Luftfahrzeuges können hierbei anstelle freifahrender Rotoren mehrere der erwähnten Mantelpropeller 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.Instead of free-moving rotors, several of the above-mentioned jacketed propellers of different sizes can also be used to drive the aircraft, as they are known outside of aviation technology, for example from hovercraft or sump boats. In such an embodiment, the cylindrical housing surrounding the propeller is capable of considerably reducing the thrust losses as a result of turbulence at the blade tips. Suitable ducted propellers may be aligned horizontally or vertically, designed to be pivotable between the two positions, or covered by the fins for aerodynamic reasons in level flight. In addition, a purely horizontal thrust generation by means of fixed ducted propellers is conceivable.

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.Finally, in addition to a preferably fully autonomous operation of the aircraft, the granting of manual control to the human pilot with sufficient qualification also comes into consideration, which gives the device according to the invention the greatest possible flexibility in handling.

Figurenlistecharacter list

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt einen Mantelpropeller während des Horizontalflugs.
2 zeigt denselben Mantelpropeller während Start oder Landung.

An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below.

1 shows a ducted propeller during level flight.
2 shows the same ducted propeller during takeoff or landing.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 illustriert die konstruktiven Merkmale einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges. Das Luftfahrzeug weist einen abbildungsgemäßen Mantelpropeller (10) auf, der einen beweglichen, gegen den Luftkanal abgedichteten Aufnahmering (12) umfasst. Dieser wiederum beinhaltet drehbare Lamellen (11), die ihrerseits gegen den Aufnahmering (12) abgedichtet sind. 1 illustrates the structural features of a preferred embodiment of the aircraft according to the invention. The aircraft has a ducted propeller (10) as shown, comprising a moveable support ring (12) sealed against the air duct. This in turn contains rotatable slats (11), which in turn are sealed against the receiving ring (12).

Der Mantelpropeller (10) weist einen einstufigen Mechanismus auf, um das Öffnen und Verschließen seines Luftkanals bei minimaler Beeinflussung der Strömungsverhältnisse zu gewährleisten. Beim in 2 gezeigten Öffnungsvorgang wird durch diesen Hubmechanismus der Aufnahmering (12), der die Lamellen (11) einschließlich ihrer Lager beinhaltet, in einer vertikalen Bewegungsrichtung (13) angehoben.The ducted propeller (10) has a single-stage mechanism to ensure the opening and closing of its air passage with minimal impact on flow conditions. at in 2 The opening process shown is raised in a vertical movement direction (13) by this lifting mechanism of the receiving ring (12), which includes the slats (11) including their bearings.

Die im Übrigen freie Drehbewegung der Lamellen (11) wird durch eine - zeichnerisch nicht dargestellte - Drehfeder gedämpft, um eine Geräuschentwicklung in der Endlage zu vermeiden (Startvorgang Vertikalflug).The otherwise free rotational movement of the slats (11) is dampened by a torsion spring (not shown in the drawing) in order to avoid noise in the end position (starting process in vertical flight).

Durch die Bewegungsfreiheit der Lamellen (11) richten diese sich immer strömungsoptimal aus.Due to the freedom of movement of the slats (11), they always align themselves to optimize the flow.

In geschlossener Position ist die Betätigung selbsthemmend ausgeführt. Ein Aufziehen durch aerodynamische Kräfte im Horizontalflug ist ausgeschlossen, die Dichtflächen sind verpresst. Dies erweist sich deswegen als vorteilhaft, weil sich der mit den Lamellen (11) ausgestattete Mantelpropeller (10) in einer Tragfläche befindet, deren aerodynamisches Profil auf diese Weise nicht beeinträchtigt wird.In the closed position, the actuation is self-locking. Lifting by aerodynamic forces in level flight is impossible, the sealing surfaces are pressed. This proves to be advantageous because the ducted propeller (10) equipped with the lamellae (11) is located in an airfoil whose aerodynamic profile is not impaired in this way.

Claims

Aircraft, with the following features: - the aircraft has a ducted propeller (10) and - the ducted propeller (10) comprises a movable receiving ring (12) with lamellae (11), characterized by the following features: - the lamellae (11) are inside the Receiving ring rotatably mounted and - the slats (11) are resiliently biased into a closed position.

aircraft after claim 1 , characterized by the following features: - the ducted propeller (10) also has a lifting mechanism and - the lifting mechanism is set up to lift the receiving ring (12) in an intended direction of movement (13).

aircraft after claim 1 or 2 , characterized by the following feature: - the aircraft has a fully electric drive.

Aircraft according to any of Claims 1 until 3 , characterized by the following feature: - the aircraft comprises bent or articulated wings.

Aircraft according to any of Claims 1 until 4 , characterized by the following feature: - the aircraft includes a quickly chargeable battery system.

Aircraft according to any of Claims 1 until 5 , characterized by the following feature: - the ducted propeller (10) is horizontally fixed or slightly inclined.

aircraft after claim 6 , characterized by the following feature: - the aircraft is set up so that the Slats (11) cover the ducted propeller (10) in a horizontal cruising flight.

Aircraft according to any of Claims 1 until 7 , characterized by the following feature: - the aircraft comprises vertically fixed ducted propellers (10) for generating propulsion.

Aircraft according to any of Claims 1 until 8th , characterized by the following feature: - the aircraft can optionally be controlled fully autonomously.