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Die Erfindung betrifft ein Fluggerät zum Transport von Personen und Gütern, insbesondere ein teilautonom fliegendes ein- oder mehrsitziges senkrecht startendes und landendes (VTOL/vertical take-off and landing) Fluggerät für hohe Fluggeschwindigkeiten und Beschleunigungen in Längs- und Hochachse mit einer Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit und mit einem elektrischem Antrieb mit vier koaxialen Doppelrotoren.
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Fluggeräte mit elektrischen Antrieben sind bereits bekannt, zum Beispiel das Fluggerät „blackfly“ der Firma Opener. Allerdings sind die Herstellung sowie der Betrieb derartiger Fluggeräte in der Regel mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Fluggerät bereitzustellen, das möglichst kostengünstig herstellbar ist und möglichst leicht ist. Zudem soll das Fluggerät einen möglichst geringen Energieverbrauch im Betrieb haben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fluggerät, insbesondere ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät, mit einer Pilotenkanzel und mindestens einer, insbesondere vier elektrisch angetriebenen Antriebsgondeln, wobei die wenigstens eine Antriebsgondel einen Doppelpropeller aufweist und wobei der elektrische Antrieb der wenigstens einen Antriebsgondel zwei Rotoren aufweist, die in entgegengesetzte Richtungen rotieren und die durch die einzelnen Propeller eines Doppelpropellers gebildet sind, wobei der elektrische Antrieb derart ausgebildet ist, dass die magnetische Momentenabstützung der Rotoren jeweils an dem sich gegensinnig drehenden, insbesondere baugleich ausgeführten anderen Rotor desselben Doppelpropellers erfolgt.
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Durch diese Anordnung und die Tatsache, dass die Propeller des Doppelpropellersystems in die entgegengesetzte Richtung rotieren ist die Drehzahl zwischen den beiden Rotoren doppelt so groß wie bei einem einfachen Propellersystem mit einer E-Maschine mit Rotor und Stator Anordnung. Damit wird das erforderliche Drehmoment, um die notwendige Leistung darzustellen, halbiert. Die Halbierung des Drehmomentes hat zur Folge das die E-Maschine deutlich weniger Material und Bauraum benötigt und somit leichter und kostengünstiger produziert werden kann. In anderen Worten bilden je zwei Rotoren die aus üblichen Elektroantrieben bekannte Rotor-Stator-Kombination. Einer der Rotoren im erfindungsgemäßen Fluggerät kann also als rotierender Stator bezeichnet werden.
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Das erfindungsgemäße Fluggerät kann somit als statorfrei bzw. als Fluggerät ohne Stator angesehen werden.
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Die Pilotenkanzel ist vorzugsweise in Monocoque-Bauweise ausgeführt.
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Ein Doppelpropeller im Sinne der Erfindung ist ein Propeller mit zwei Rotoren, die koaxial auf einer Rotationsachse gelagert sind.
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Die Antriebsgondeln bestehen beispielsweise jeweils aus ebenfalls neuartigen elektrischen Antriebsmotoren, bei denen die übliche Unterscheidung von Rotor und Stator dahingehend aufgehoben wird, als sowohl Rotor als auch Stator drehend betrieben werden und somit diese klassische Zuordnung entfällt. Vielmehr findet die magnetische Momentenabstützung des Rotors nicht gegenüber einem statisch fixierten Stator statt, sondern gegenüber einem baugleich ausgeführten gegensinnig drehenden Rotor. Auf diese Weise wird erreicht, dass die beiden Rotoren gegenüber einander - also relativ gesehen - bei doppelter Drehzahl betrieben werden, wobei der stehende Beobachter zwei Rotoren sieht, die mit der einfachen Drehzahl, jedoch gegensinnig arbeiten.
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Das Prinzip der elektrisch angetriebenen koaxialen Doppelpropeller wird insbesondere so umgesetzt, dass der elektrische Motor mit zwei Rotoren ausgeführt wird, wobei jeder Rotor mit einem anzutreibenden Propeller als Einheit fest verbunden ist. Da die beiden Propeller in entgegengesetzte Richtungen drehen stützen sich die beiden E-Maschinen Rotoren gegenseitig ab.
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Diese Bauweise ermöglicht eine sehr hohe Leistungsdichte mit sehr gutem Ansprechverhalten, wodurch ein hohe Manövrierbarkeit des Fluggeräts gegeben ist, welches primär aber nicht notwendigerweise ausschließlich durch - Drehzahländerung von einem oder mehreren der vier Antriebseinheiten gesteuert werden soll (Schubmodulation).
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Damit kann auf einen Verstellmechanismus zur Änderung der Anstellwinkel und damit des Schubes der Doppelpropeller zur Geschwindigkeits- und Richtungsänderung komplett verzichten werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Antriebsgondeln jeweils eine Ummantelung, wobei der Doppelpropeller insbesondere konzentrisch in der Ummantelung angeordnet ist. Insbesondere umschließt die Ummantelung Teile des Umfangs oder den gesamten Umfang. Mit „Umfang“ ist in diesem Fall eine von einer Propellerspitze beschriebene Kreisbahn gemeint.
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Die Doppelpropeller sind insbesondere jeweils über einen Kragarm an der Pilotenkanzel gelagert, wobei in dem Kragarm zumindest ein Teil der Leistungselektronik des elektrischen Antriebs befindet.
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Genauer gesagt befindet sich die Anordnung der Leistungselektronik beispielsweise in einem aerodynamisch ausgeführten Kragarm, der den Rumpf des Fluggerätes mit dem Doppelpropeller verbindet, dessen Achse koaxial mit einer Ummantelung der jeweiligen Antriebeinheit verbunden ist. Diese Ummantelung kann vorzugsweise so ausgeführt werden, dass die untere Hälfte als Auftrieb generierende Halbschale profiliert ist.
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Entfällt die obere Hälfte der Ummantelung wird im Folgenden von einem „Kanalflügel“ gesprochen, da dieser die gegenläufigen Rotoren der jeweiligen Antriebseinheit wie ein Kanal umschließt.
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Um besonders stabile Flugeigenschaften zu erreichen, können vier Antriebsgondeln vorgesehen sein, die paarweise jeweils links und rechts an einem Bug und einem Heck der Pilotenkanzel angeordnet sind.
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Die Anordnung des Systems besteht vorzugsweise aus vier koaxialen Doppelpropellern die in jeweils einem Kanalflügel integriert sind, wobei der Einstellwinkel des Kanalflügels zur Längsachse des Rumpfes so gewählt ist, dass die Resultierende des Auftriebsvektors des Kanalflügels und der Schubvektor des Doppelpropellers durch Schubmodulation des Doppelpropellers von vertikal zum senkrechten Starten und Landen und in Flugrichtung zum schnellen Fliegen ausgerichtet werden kann.
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Durch die Anordnung der vier koaxialen Doppelpropeller über je einem Kanalflügel am vorderen und hinteren Ende des Rumpfes und zu beiden Seiten kann durch eine selektive Schubmodulation und entsprechender Leistung durch Drehzahländerung der Propeller um die Längs-, Quer- und Hochachse gerollt, gekippt und gegiert werden ohne bewegliche Ruder oder Klappen zu benötigen.
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Da die Kanalflügel sich beispielsweise um die unteren 180 Grad des Propellerkreises schmiegen und der Auftriebsvektor immer senkrecht zur Flügelseitenoberfläche wirkt, bedeutet dies bei Schubunterschied der vier Doppelpropeller, dass die Auftriebsresultierenden einer Doppelpropeller - Kanalflügeleinheit unterschiedliche Richtungen und Längen aufweisen und somit auch die wirkenden Kräfte in alle Richtungen variiert werden können.
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Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf die hinten liegende Propellerebene. Diese kann im Durchmesser so angepasst sein, vorzugsweise verkleinert, beziehungsweise die davor liegende Propellerebene ist gegenüber der hinten liegenden Propellerebene entsprechend vergrößert, sodass Verwirbelungen und Strömungsungleichförmigkeiten, die von den rotierenden Blattspitzen der vorderen Propeller erzeugt werden und aufgrund der Vortriebserzeugung nach hinten in Richtung der hinten liegenden Propellerebene abfließen, nicht mit den Propellern der hinteren Ebene aerodynamisch interagieren, sondern auf einer so im Radius vergrößerten Kreisbahn den hinteren Propeller passieren kann.
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Insbesondere hat ein in einer koaxialen Draufsicht auf eine Antriebsgondel betrachtet hinten liegender Propeller des Doppelpropellers einen kleineren Durchmesser als der vordere Propeller.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beiliegenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 ein erfindungsgemäßes Fluggerät in einer Schnittansicht,
- - 2 das Fluggerät aus 1 in einer Draufsicht und
- - 3 das Fluggerät aus den 1 und 2 in einer Frontansicht.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fluggerät 10 in einer Schnittansicht. Bei dem Fluggerät 10 handelt es sich um ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät.
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Das Fluggerät 10 hat eine Pilotenkanzel 12, die insbesondere in Monocoque-Bauweise hergestellt ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das Fluggerät einsitzig. Bei Bedarf können jedoch auch mehrere Sitze in der Pilotenkanzel 12 vorhanden sein.
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Zudem hat das Fluggerät 10 vier Antriebsgondeln 14, die jeweils paarweise an Bug und Heck des Fluggeräts 10 links und rechts der Pilotenkanzel 12 angeordnet sind. Die Anordnung der Antriebsgondeln 14 ist in den 2 und 3 besonders deutlich zu sehen.
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Jede der Antriebsgondeln 14 umfasst einen Doppelpropeller 16. Die beiden Propeller 18 des Doppelpropellers 16 sind jeweils um eine gemeinsame Rotationsachse R rotierbar gelagert.
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Die Antriebsgondeln 14 sind jeweils elektrisch angetrieben. Der elektrische Antrieb der Antriebsgondeln 14 umfasst dabei neben einem Energiespeicher 20 auch die beiden Propeller 18 des Doppelpropellers 16 der jeweiligen Antriebsgondel 14. Insbesondere weist der elektrische Antrieb zwei Rotoren auf, die in entgegengesetzte Richtungen rotieren und die durch die einzelnen Propeller 18 des Doppelpropellers 16 gebildet sind. Die magnetische Momentenabstützung eines Rotors erfolgt dabei jeweils an dem gegensinnig drehenden, insbesondere baugleich ausgeführten Rotor desselben Doppelpropellers 16.
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In dem in 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel haben die Propeller 18 zumindest annähernd die den gleichen Durchmesser.
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In einer alternativen, vorteilhaften Ausführungsform kann jedoch ein in einer koaxialen Draufsicht auf eine Antriebsgondel 16 betrachtet hinten liegender Propeller 18 des Doppelpropellers 16 einen kleineren Durchmesser hat als der vordere Propeller 18. Dies ist strömungstechnisch betrachtet vorteilhaft, weil Verwirbelungen und Strömungsungleichförmigkeiten, die von den rotierenden Blattspitzen der jeweils vorderen Propeller 18 einer Antriebsgondel 14 erzeugt werden und aufgrund der Vortriebserzeugung nach hinten in Richtung der hinten liegenden Propeller 18 abfließen, nicht mit den hinteren Propellern 18 aerodynamisch interagieren, sondern auf einer so im Radius vergrößerten Kreisbahn den hinteren Propeller 18 passieren kann.
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2 zeigt das Fluggerät 10 aus 1 in einer Draufsicht. Wie in 2 zu sehen ist, umfasst jede Antriebseinheit bzw. Antriebsgondel 14 eine Ummantelung 22, insbesondere eine halbschalenförmige Ummantelung. Man spricht hierbei auch von einem sogenannten Kanalflügel. Das heißt, die Ummantelung 22 umschließt Teile des Umfangs.
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Anstelle einer halbschalenförmigen Ausbildung kann der Kanal auch umlaufend geschlossen sein. In diesem Fall umschließt die Ummantelung 22 den gesamten Umfang.
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Die Propeller 18 sind dabei konzentrisch in der Ummantelung 22 beziehungsweise im Kanal angeordnet.
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Im Profil sind die Ummantelungen 22 vorzugsweise stromlinienförmig ausgebildet, wie in 1 zu sehen ist.
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Wie besonders deutlich in 3 zu sehen ist, sind die Doppelpropeller 16 jeweils über einen Kragarm 24 an dem Fluggerät 10, insbesondere an der Pilotenkanzel 12 gelagert.
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In den Kragarmen 24 befindet sich jeweils zumindest ein Teil der Leistungselektronik des elektrischen Antriebs.
