DE102019123725B4 - Lift and flight control unit for an aircraft and aircraft - Google Patents
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Abstract
Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit (12) für ein Fluggerät (10), insbesondere ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät (10), mit einem Mast (20), einer Verstellvorrichtung (22) für den Mast (20) und wenigstens einer Propellereinheit (18) mit wenigstens einem am Mast (20) rotierbar gelagerten Propeller (27, 28),wobei die Verstellvorrichtung (22) am Mast (20) gelagert und derart ausgebildet ist, dass sie den Mast (20) in Bezug zu einem Drehlagerpunkt (24) kippen und/oder schwenken kann,wobei die Verstellvorrichtung (22) mittels eines Gleitlagers am Mast (20) gelagert ist, sodass die Verstellvorrichtung (22) beim Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes (20) an diesem entlang gleitet.Lift and flight control unit (12) for an aircraft (10), in particular an aircraft (10) that takes off and lands vertically, with a mast (20), an adjusting device (22) for the mast (20) and at least one propeller unit (18) with at least one propeller (27, 28) rotatably mounted on the mast (20), wherein the adjusting device (22) is mounted on the mast (20) and is designed in such a way that it tilts the mast (20) in relation to a pivot point (24). and/or pivoting, the adjustment device (22) being mounted on the mast (20) by means of a plain bearing, so that the adjustment device (22) slides along the mast (20) when it is tilted and/or pivoted.
Description
Die Erfindung betrifft eine Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit für ein Fluggerät, insbesondere ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät, und ein Fluggerät mit einer Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit.The invention relates to a lift and flight control unit for an aircraft, in particular a vertical take-off and landing aircraft, and an aircraft with a lift and flight control unit.
Senkrecht startende und landende Fluggeräte werden üblicherweise als Hubschrauber bezeichnet. In Zusammenhang mit senkrecht startenden und landenden Fluggeräten spricht man auch von „Vertical Take-off and Landing“.Aircraft that take off and land vertically are commonly referred to as helicopters. In connection with aircraft that take off and land vertically, the term "vertical take-off and landing" is also used.
Derartige Fluggeräte umfassen normalerweise mindestens einen Propeller, der an einer Oberseite des Fluggeräts angebracht ist und einen Auftrieb erzeugt. Der Auftrieb wird insbesondere dadurch erzeugt, dass große Mengen Luft mit relativ moderater Geschwindigkeit nach unten beschleunigt werden. Zusätzlich erzeugen die insbesondere profilierten Propellerblätter des mindestens einen Propellers Auftrieb durch einen Unterdruck an der Oberseite des umströmten Propellerblatts.Such aircraft typically include at least one propeller that is attached to an upper surface of the aircraft and generates lift. The lift is generated in particular by the fact that large amounts of air are accelerated downwards at a relatively moderate speed. In addition, the in particular profiled propeller blades of the at least one propeller generate lift through a negative pressure on the upper side of the propeller blade around which the flow occurs.
Um ein bei der Rotation der Auftriebspropeller entstehendes Drehmoment auszugleichen, ist üblicherweise ein zusätzlicher Propeller vorhanden, der an einem Heckausleger angebracht und gegenüber dem Auftrieb erzeugenden Propeller um 90° um eine Längsachse gekippt ist. Dieser zusätzliche Propeller erzeugt einen Schub, derart, dass über die Hebelwirkung des Heckauslegers ein entsprechendes Gegenmoment erzeugt werden kann.In order to compensate for a torque arising during the rotation of the lift propeller, an additional propeller is usually present, which is attached to a tail boom and is tilted by 90° about a longitudinal axis relative to the lift-generating propeller. This additional propeller generates thrust in such a way that a corresponding counter-torque can be generated via the leverage effect of the tail boom.
Derartige Fluggeräte sind jedoch relativ groß und erfordern aufwendige Getriebe.However, such aircraft are relatively large and require complex gears.
Es sind auch senkrecht startende und landende Fluggeräte bekannt, die mittels schwenkbarer Schubdüsen einen Auftrieb erzeugen, sowie koaxiale Konzepte, die zur Erzeugung des erforderlichen Schubs mehrere kleinere koaxial angeordnete Antriebseinheiten umfassen, zum Beispiel an symmetrisch angeordneten Auslegern, wie es beispielsweise bei Drohnen der Fall ist. Solche Konzepte sind jedoch mit Effizienzverlusten und einer hohen Lärmentwicklung verbunden.Vertically taking off and landing aircraft are also known, which generate lift by means of swiveling thrust nozzles, as well as coaxial concepts which, in order to generate the required thrust, comprise several smaller, coaxially arranged drive units, for example on symmetrically arranged booms, as is the case with drones, for example . However, such concepts are associated with efficiency losses and a high level of noise.
Einachsige, relativ große koaxiale Propellersysteme stellen für senkrecht startende und landende Fluggeräte in der Regel die effizienteste und leiseste Lösung dar.Single-axis, relatively large coaxial propeller systems are usually the most efficient and quietest solution for vertical take-off and landing aircraft.
Aufgrund der Komplexität der Propellerkopfkinematik sind konventionell betriebene Koaxialsysteme aber sehr aufwendig im Hinblick auf Konstruktion, Aufbau und Wartung und damit deutlich kostenintensiver als Systeme mit einem Heckausleger und einem zusätzlichen Propeller.Due to the complexity of the propeller head kinematics, conventionally operated coaxial systems are very complex in terms of design, construction and maintenance and are therefore significantly more expensive than systems with a tail boom and an additional propeller.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit für ein Fluggerät bereitzustellen, insbesondere für ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät, die koaxial angetrieben ist, die eine besonders kompakte Bauweise hat und die möglichst kostengünstig ist.It is therefore an object of the invention to provide a lift and flight control unit for an aircraft, in particular for a vertical take-off and landing aircraft, which is coaxially driven, has a particularly compact design and is as cost-effective as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit für ein Fluggerät, insbesondere ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät, mit einem Mast, einer Verstellvorrichtung für den Mast und wenigstens einer Propellereinheit mit wenigstens einem am Mast rotierbar gelagerten Propeller, wobei die Verstellvorrichtung am Mast gelagert und derart ausgebildet ist, dass sie den Mast in Bezug zu einem Drehlagerpunkt kippen und/oder schwenken kann, wobei die Verstellvorrichtung mittels eines Gleitlagers am Mast gelagert, sodass die Verstellvorrichtung beim Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes an diesem entlang gleitet.This object is achieved according to the invention by a lift and flight control unit for an aircraft, in particular an aircraft that takes off and lands vertically, with a mast, an adjustment device for the mast and at least one propeller unit with at least one propeller rotatably mounted on the mast, the adjustment device on the mast is mounted and designed in such a way that it can tilt and/or pivot the mast in relation to a pivot point, the adjustment device being mounted on the mast by means of a slide bearing, so that the adjustment device slides along the mast when the mast is tilted and/or pivoted.
Mittels einer derart ausgebildeten Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit lässt sich auf einfache Weise eine sogenannte Kippkopfsteuerung für ein Fluggerät realisieren.By means of a lift and flight control unit designed in this way, it is easy to Way to realize a so-called tilting head control for an aircraft.
Die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit ist insbesondere eine Einheit, die gleichzeitig den Auftrieb erzeugt und zur Steuerung des Fluggeräts dient. Dies trägt dazu bei, dass die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit besonders kompakt ausgebildet sein kann. Anders ausgedrückt müssen zur Steuerung keine separaten Elemente bereitgestellt werden, da die Auftrieb erzeugenden Elemente auch zur Steuerung genutzt werden können.The lift and flight control unit is in particular a unit that simultaneously generates the lift and is used to control the aircraft. This contributes to the lift and flight control unit being able to be of particularly compact design. In other words, no separate elements need to be provided for control, since the lift-generating elements can also be used for control.
Durch die kompakte Bauweise und den einfachen Aufbau ist die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit im Vergleich zu anderen bekannten Systemen besonders kostengünstig und wartungsarm.Due to the compact design and the simple structure, the lift and flight control unit is particularly inexpensive and low-maintenance compared to other known systems.
Darüber hinaus zeichnet sich die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit durch eine hohe Effizienz und eine geringe Geräuschentwicklung aus.In addition, the lift and flight control unit is characterized by high efficiency and low noise.
Die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit ist somit besonders für Fluggeräte geeignet, die in hoher Stückzahl gefertigt werden und die für eine ländliche ebenso wie für eine urbane Umgebung geeignet sind. Dadurch ist es möglich, Fluggeräte, insbesondere Flugtaxis, zu produzieren, die für ein breite Masse zugänglich sind.The lift and flight control unit is thus particularly suitable for aircraft that are manufactured in large numbers and that are suitable for a rural as well as for an urban environment. This makes it possible to produce aircraft, in particular air taxis, that are accessible to a wide range of people.
Durch die kipp- und/oder schwenkbare Lagerung des Mastes kann eine besonders gute Manövrierfähigkeit ohne aufwendiges Getriebe oder Mechanik erreicht werden. Insbesondere kann auf Verstellmechanismen zur Änderung des Anstellwinkels der Propeller verzichtet werden, da das Fluggerät allein durch eine Drehzahländerung und Neigen des Mastes gesteuert werden kann.Due to the tilting and/or pivoting mounting of the mast, particularly good maneuverability can be achieved without complex gears or mechanics. In particular, adjustment mechanisms for changing the angle of attack of the propellers can be dispensed with, since the aircraft can be controlled solely by changing the speed and tilting the mast.
Durch das Kippen und/oder Schwenken des Mastes kann die Propellereinheit derart eingestellt werden, dass eine gewünschte Flugrichtung erreicht werden kann.By tilting and/or swiveling the mast, the propeller unit can be adjusted in such a way that a desired flight direction can be achieved.
Bei den Propellern handelt es sich vorzugsweise um sogenannte Fixed-Pitch Propeller, das heißt, die Propeller haben einen festgelegten kollektiven Anstellwinkel. Eine Auf- und Abtriebssteuerung kann somit über eine Drehzahländerung erfolgen.The propellers are preferably so-called fixed-pitch propellers, ie the propellers have a defined collective angle of attack. Uplift and downforce can thus be controlled by changing the speed.
Die Propeller zur Erzeugung des Auftriebs werden in Zusammenhang mit Hubschraubern üblicherweise als Rotoren bezeichnet. Im Rahmen dieser Erfindung wird jedoch die Bezeichnung „Propeller“ auch für auftriebserzeugende Rotoren verwendet, um eine klare Unterscheidung gegenüber den als „Rotoren“ bezeichneten Bauteilen von Elektromotoren zu erreichen.The propellers used to generate lift are commonly referred to as rotors in the context of helicopters. In the context of this invention, however, the term "propeller" is also used for lift-generating rotors in order to achieve a clear distinction from the components of electric motors called "rotors".
Gemäß einer Ausführungsform kann die Propellereinheit wenigstens zwei Propeller aufweisen, die insbesondere koaxial zueinander gelagert sind. Die koaxial gelagerten Propeller bilden insbesondere einen Doppelpropeller. Die Verwendung von mindesten zwei Propellern hat den Vorteil, dass die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit einen ausreichend großen Auftrieb erzeugen kann, um ein Fluggerät zügig vom Boden abzuheben. Zudem kann durch die Verwendung von mindestens zwei Propellern ein Fluggerät während eines Fluges besonders stabil in der Luft gehalten sein.According to one embodiment, the propeller unit can have at least two propellers, which are in particular mounted coaxially to one another. In particular, the coaxially mounted propellers form a double propeller. The use of at least two propellers has the advantage that the lift and flight control unit can generate sufficient lift to lift an aircraft quickly off the ground. In addition, by using at least two propellers, an aircraft can be kept particularly stable in the air during a flight.
Der Mast kann zur einfachen Lagerung von zwei übereinander liegenden Propellern abgestuft sein, insbesondere zweifach abgestuft. Die Propeller können dadurch mit einem Nabenkörper, der integraler Bestandteil des Propellers sein kann, auf den Stufen des Mastes aufliegen. Auf diese Weise kann zum einen eine exakte Positionierung der einzelnen Propeller und zum anderen eine einfache Befestigung der Propellereinheit erreicht werden.For easy storage of two propellers lying one above the other, the mast can be stepped, in particular double-stepped. As a result, the propellers can rest on the steps of the mast with a hub body, which can be an integral part of the propeller. In this way, on the one hand, an exact positioning of the individual propellers and, on the other hand, a simple fastening of the propeller unit can be achieved.
Der Mast ist vorzugsweise hohl ausgeführt, insbesondere ist der Mast eine Hohlstange. Dadurch ist eine Leitungszuführung zur Propellereinheit durch den Mast möglich, insbesondere zum Zweck des Antriebs des Propellers. Somit trägt die hohle Ausführung des Mastes ebenfalls zur kompakten Bauweise der Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit bei. Zudem dient der hohle Mast als Gehäuse für die Leitungen, sodass diese geschützt untergebracht sind.The mast is preferably hollow, in particular the mast is a hollow rod. As a result, a cable feed to the propeller unit through the mast is possible, in particular for the purpose of driving the propeller. The hollow design of the mast also contributes to the compact design of the lift and flight control unit. In addition, the hollow mast serves as a housing for the cables, so that they are housed in a protected manner.
Die Verstellvorrichtung kann mehrere, insbesondere drei Beine aufweisen, die sich vom Mast aus radial nach außen erstrecken. Auf diese Weise kann die Verstellvorrichtung eine stabile Abstützung des Mastes gewährleisten. Zudem kann ein Kippmoment bei der Auslenkung des Mastes aus der Vertikalen aufgenommen werden.The adjusting device can have a plurality of legs, in particular three, which extend radially outwards from the mast. In this way, the adjusting device can ensure stable support of the mast. In addition, a tilting moment when the mast is deflected from the vertical can be absorbed.
Zur besonders guten Aufnahme des Kippmoments kann die Verstellvorrichtung den Mast umschließen, insbesondere wobei die Verstellvorrichtung am Mast gelenkig gelagert ist.For particularly good absorption of the tilting moment, the adjusting device can enclose the mast, in particular with the adjusting device being articulated on the mast.
Die Verstellvorrichtung weist beispielsweise ein erstes Bein, ein zweites Bein und ein drittes Bein auf, wobei das erste Bein eine Längsachse definiert, wobei in Draufsicht auf die Verstellvorrichtung das zweite und das dritte Bein auf verschiedenen Seiten der Längsachse im gleichen Winkel zum ersten Bein angeordnet sind, insbesondere wobei der Winkel 120° beträgt. Die Verstellvorrichtung ist somit in einer Draufsicht betrachtet symmetrisch ausgebildet. Durch die Anordnung des zweiten und dritten Beins seitlich der Längsachse kann ein Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes beziehungsweise der Propellereinheit nach vorne, nach hinten und/oder nach links beziehungsweise rechts erfolgen. Auf diese Weise kann das Fluggerät ausgehend von einer aktuellen Position in nahezu jede Richtung gelenkt werden.The adjustment device has, for example, a first leg, a second leg and a third leg, with the first leg defining a longitudinal axis, with the second and third legs being arranged on different sides of the longitudinal axis at the same angle to the first leg in a plan view of the adjustment device , in particular the angle being 120°. The adjustment device is thus embodied symmetrically when viewed from above. By arranging the second and third leg to the side of the longitudinal axis, the mast or the propeller unit can be tilted and/or pivoted forwards, backwards and/or to the left or right take place. In this way, the aircraft can be steered in almost any direction, starting from a current position.
Die Längsachse verläuft vorzugsweise durch den Mast, insbesondere wobei die Längsachse geneigt zum Mast oder senkrecht zum Mast verläuft.The longitudinal axis preferably runs through the mast, in particular with the longitudinal axis running at an angle to the mast or perpendicular to the mast.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Verstellvorrichtung wenigstens einen Aktuator auf, insbesondere wobei der wenigstens eine Aktuator an einem der Beine an einem vom Mast beabstandeten Punkt befestigt ist. Der Aktuator dient insbesondere dazu, die Verstellvorrichtung zu verkippen und/oder zu verschwenken und damit gleichzeitig den Mast zu verkippen beziehungsweise zu verschwenken, und zwar indem mindestens eines der Beine mittels des Aktuators angehoben oder abgesenkt wird. Zu diesem Zweck ist der Aktuator vorzugsweise längenverstellbar. Beispielsweise ist der Aktuator ein Stellmotor.According to one embodiment, the adjusting device has at least one actuator, in particular the at least one actuator being fastened to one of the legs at a point spaced apart from the mast. The actuator is used in particular to tilt and/or pivot the adjusting device and thus at the same time to tilt or pivot the mast, specifically by raising or lowering at least one of the legs by means of the actuator. For this purpose, the actuator is preferably adjustable in length. For example, the actuator is a servomotor.
Ein vom Mast beabstandeter Punkt ist zum Beispiel am vom Mast abgewandten Ende des Beins angeordnet.A point spaced from the mast is located, for example, at the end of the leg remote from the mast.
Vorzugsweise weist die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit zwei Aktuatoren auf, wobei einer der Aktuatoren am zweiten Bein und einer der Aktuatoren am dritten Bein befestigt ist, insbesondere wobei die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit ein drehsteifes Verbindungselement, insbesondere ein Scherengelenk aufweist, das an einem vom Mast beabstandeten Punkt am ersten Bein befestigt ist.Preferably, the lift and flight control unit has two actuators, one of the actuators being attached to the second leg and one of the actuators being attached to the third leg, in particular the lift and flight control unit having a torsionally rigid connecting element, in particular a scissors joint, which is attached to a spaced apart from the mast point attached to the first leg.
Das drehsteife Verbindungselement kann eine Rotation des gelenkig gelagerten Mastes verhindern und gleichzeitig das Anheben beziehungsweise Absenken der Verstellvorrichtung durch die Aktuatoren ausgleichen.The torsionally rigid connecting element can prevent rotation of the articulated mast and at the same time compensate for the raising or lowering of the adjusting device by the actuators.
Die beiden Aktuatoren können dabei unabhängig voneinander ansteuerbar sein. Auf diese Weise kann eine Neigung der Propellereinheit besonders flexibel eingestellt werden, sodass ein Fluggerät mit einer entsprechenden Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit besonders flexibel manövriert werden kann. Insbesondere kann auf diese Weise eine gute Manövrierfähigkeit auf engem Raum erreicht werden, sodass sich die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit besonders gut für Fluggeräte eignet, die in urbanem Umfeld eingesetzt werden, wo häufig beengte Platzverhältnisse herrschen.The two actuators can be controlled independently of one another. In this way, an inclination of the propeller unit can be adjusted particularly flexibly, so that an aircraft with a corresponding lift and flight control unit can be maneuvered particularly flexibly. In particular, good maneuverability can be achieved in this way in a confined space, so that the lift and flight control unit is particularly well suited for aircraft that are used in an urban environment where space is often restricted.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit eine elektrische Antriebseinheit auf. Dadurch lässt sich die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit besonders leise betreiben. Zudem verursacht ein elektrischer Antrieb im Betrieb keine Emissionen, was ebenfalls vorteilhaft im Hinblick auf den Einsatz in urbanen Ballungszentren ist.According to one embodiment, the lift and flight control unit has an electric drive unit. As a result, the lift and flight control unit can be operated particularly quietly. In addition, an electric drive does not cause any emissions during operation, which is also advantageous with regard to use in urban areas.
Die elektrische Antriebseinheit kann mindestens einen Elektromotor umfassen, der als Außenläufer ausgeführt ist, insbesondere wobei ein Stator des Elektromotors fest mit dem Mast verbunden ist und/oder ein rotierender Außenläufer des Elektromotors integraler Bestandteil des Propellers ist. Vorzugsweise ist der Außenläufer mit dem anzutreibenden Propellerblatt als Einheit fest verbunden.The electric drive unit can include at least one electric motor which is designed as an external rotor, in particular with a stator of the electric motor being firmly connected to the mast and/or a rotating external rotor of the electric motor being an integral part of the propeller. The external rotor is preferably firmly connected as a unit to the propeller blade to be driven.
Ein Elektromotor eignet sich besonders gut zum Antrieb eines Propellers, da die Rotation des Rotors unmittelbar auf den Propeller übertragen werden kann. Ein Getriebe oder eine sonstige Übersetzungsmechanik ist somit nicht notwendig. Zudem kann durch die integrale Bauweise eine separate Antriebswelle entfallen. Darüber hinaus kann durch die integrale Bauweise die Propellereinheit besonders kompakt ausgebildet sein.An electric motor is particularly suitable for driving a propeller, since the rotation of the rotor can be transmitted directly to the propeller. A gear or other transmission mechanism is therefore not necessary. In addition, the integral design eliminates the need for a separate drive shaft. In addition, due to the integral design, the propeller unit can be designed to be particularly compact.
Bei einer Propellereinheit mit mehreren Propellern, insbesondere bei einem Doppelpropeller, kann ein Elektromotor pro Propeller vorgesehen sein.In a propeller unit with several propellers, in particular in the case of a double propeller, one electric motor can be provided for each propeller.
Die elektrischen Leitungen, die zur Stromversorgung der elektrischen Antriebseinheit, genauer gesagt des Stators dienen, können durch den hohl ausgeführten Mast verlaufen.The electrical lines, which are used to supply power to the electrical drive unit, more precisely to the stator, can run through the hollow mast.
Die Aufgabe wird des weiteren erfindungsgemäß gelöst durch ein Fluggerät, insbesondere ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät, mit einer Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit, die wie vorhergehend beschrieben ausgebildet ist, und einem Träger für die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit, wobei die Verstellvorrichtung am Träger fixiert ist und derart ausgebildet ist, dass sie den Mast in Bezug zum Träger kippen und/oder schwenken kann.The object is also achieved according to the invention by an aircraft, in particular an aircraft that takes off and lands vertically, with a lift and flight control unit that is designed as described above, and a carrier for the lift and flight control unit, with the adjusting device being fixed to the carrier and is designed in such a way that it can tilt and/or pivot the mast in relation to the carrier.
Ein derartiges Fluggerät lässt sich auch bei beengten Platzverhältnissen gut manövrieren.Such an aircraft can be easily maneuvered even in tight spaces.
Die zur Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit genannten Vorteile und Merkmale gelten gleichermaßen für das Fluggerät und umgekehrt.The advantages and features mentioned for the lift and flight control unit apply equally to the aircraft and vice versa.
Bei dem Fluggerät kann es sich um ein teilautonom fliegendes Fluggerät, insbesondere um ein einsitziges oder mehrsitziges Fluggerät handeln. Beispielsweise kann das Fluggerät zum Transport von Personen und/oder Gütern dienen.The aircraft can be a semi-autonomously flying aircraft, in particular a single-seat or multi-seat aircraft. For example, the aircraft can be used to transport people and/or goods.
Der Mast ist beispielsweise am Träger im Drehlagerpunkt abgestützt, insbesondere mittels eines Kugelgelenks. Auf diese Weise ist die Lagerung des Mastes und somit auch die Lagerung der Propellereinheit an dem Fluggerät auf einfache Weise realisiert. Ein Kugelgelenk ermöglicht dabei ein Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes und kann gleichzeitig zur Halterung des Mastes beitragen.The mast is supported, for example, on the carrier at the pivot point, in particular by means of a ball joint. In this way, the storage of the mast and thus the storage of the Propeller unit realized on the aircraft in a simple manner. A ball joint allows the mast to be tilted and/or pivoted and can at the same time contribute to the mounting of the mast.
Der Mast, der mindestens eine Stator und die Leistungselektronikeinheit können zusammen eine drehfest am Träger montierte Einheit bilden.The mast, the at least one stator and the power electronics unit can together form a unit that is mounted on the carrier in a torque-proof manner.
Die Verstellvorrichtung ist beispielsweise zwischen dem Drehlagerpunkt und der Propellereinheit am Mast angeordnet. Durch einen gewissen Mindestabstand der Verstellvorrichtung zum Drehlagerpunkt können die erforderlichen Kräfte zum Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes gering gehalten werden, da durch den Abstand eine Hebelwirkung vorhanden ist, die das Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes erleichtert.The adjusting device is arranged, for example, between the pivot point and the propeller unit on the mast. The forces required for tilting and/or pivoting the mast can be kept low by a certain minimum distance between the adjustment device and the pivot bearing point, since the distance creates a leverage effect that facilitates the tilting and/or pivoting of the mast.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Fluggerät eine Kabine auf, wobei die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit oberhalb der Kabine angeordnet ist, insbesondere wobei die Kabine den Träger bildet. Auf einen separaten Träger kann somit verzichtet werden.According to one embodiment, the aircraft has a cabin, with the lift and flight control unit being arranged above the cabin, in particular with the cabin forming the carrier. A separate carrier can thus be dispensed with.
Der Mast kann folglich komplett außerhalb der Kabine gelagert sein.The mast can therefore be stored completely outside the cabin.
Am Träger können mehrere, insbesondere drei Montagepunkte vorgesehen sein, wobei jedem Montagepunkt ein Bein der Verstellvorrichtung zugeordnet ist, insbesondere wobei das erste Bein mittels des drehsteifen Verbindungselements am ersten Montagepunkt befestigt ist und/oder das zweite und dritte Bein mittels des entsprechenden Aktuators am zweiten bzw. dritten Montagepunkt befestigt sind. Durch die Befestigung des ersten Beins mittels eines drehsteifen Verbindungselements ist die Verstellvorrichtung selbst ebenfalls drehfest an dem Träger, insbesondere an der Kabine gelagert. Die Befestigung des zweiten und/oder dritten Beins mittels entsprechender Aktuatoren ermöglicht ein Verkippen der Verstellvorrichtung, und zwar indem die einzelnen Beine der Verstellvorrichtung angehoben oder abgesenkt werden.Several, in particular three, mounting points can be provided on the carrier, with each mounting point being assigned a leg of the adjustment device, in particular with the first leg being fastened to the first mounting point by means of the torsionally rigid connecting element and/or the second and third legs being connected to the second or third mounting point by means of the corresponding actuator 3rd mounting point. By attaching the first leg by means of a torsionally rigid connection element, the adjusting device itself is also mounted in a rotationally fixed manner on the carrier, in particular on the cabin. The attachment of the second and/or third leg by means of appropriate actuators allows the adjustment device to be tilted, specifically by raising or lowering the individual legs of the adjustment device.
Zwei der Montagepunkte, insbesondere der zweite und der dritte Montagepunkt, befinden sich beispielsweise in einer Frontansicht betrachtet links und rechts vor dem Mast und der erste Montagepunkt ist insbesondere direkt hinter dem Mast angeordnet. Der dritte Montagepunkt befindet sich beispielsweise in der Symmetrieebene des Fluggeräts.Two of the mounting points, in particular the second and the third mounting point, are located, for example, on the left and right in front of the mast when viewed from the front, and the first mounting point is in particular arranged directly behind the mast. The third assemblage point is, for example, in the plane of symmetry of the aircraft.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Fluggerät ein Fluglagekontrollsystem auf, welches zur Ansteuerung der Verstellvorrichtung der Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit eingerichtet ist, insbesondere zu Ansteuerung des wenigstens einen Aktuators. Das Fluglagekontrollsystem kann somit dazu dienen, eine Neigung des Mastes beziehungsweise der Propellereinheit einzustellen, um das Fluggerät zu steuern. Anders ausgedrückt wird eine Kippbewegung der gesamten Mastkonstruktion beziehungsweise der Propellereinheit erreichtAccording to one embodiment, the aircraft has a flight attitude control system, which is set up to control the adjustment device of the lift and flight control unit, in particular to control the at least one actuator. The flight attitude control system can thus be used to adjust an inclination of the mast or the propeller unit in order to control the aircraft. In other words, a tilting movement of the entire mast construction or the propeller unit is achieved
Insbesondere dient das Fluglagekontrollsystem zum Anheben oder Absenken der Beine der Verstellvorrichtung.In particular, the attitude control system serves to raise or lower the legs of the adjusting device.
Ein erster, insbesondere oben angeordneter Propeller kann gegenüber einem zweiten, insbesondere unten angeordneten Propeller einen größeren Durchmesser aufweisen. Dadurch können Verwirbelungen und Strömungsungleichförmigkeiten, die von den rotierenden Blattspitzen des oberen Propellers erzeugt werden und aufgrund der Auftriebserzeugung nach unten in Richtung der unten liegenden Propellerebene abfließen, nicht mit den Propellern der unteren Ebene aerodynamisch interagieren, sondern auf einer im Radius gegenüber dem unteren Propeller vergrößerten Kreisbahn den unteren Propeller passieren.A first propeller, which is in particular arranged at the top, can have a larger diameter than a second propeller, which is in particular arranged at the bottom. As a result, turbulence and flow irregularities, which are generated by the rotating blade tips of the upper propeller and flow down towards the lower propeller level due to the generation of lift, cannot interact aerodynamically with the propellers on the lower level, but rather on a larger radius than the lower propeller circular path pass the lower propeller.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- -
1 ein erfindungsgemäßes Fluggerät mit einer erfindungsgemäßen Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit, - -
2 einen Schnitt durch ein Fluggerät gemäß1 im Bereich einer Verstellvorrichtung, - -
3 einen Schnitt durch das Fluggerät entlang der Linie A-A in2 , - -
4 schematisch einen Querschnitt durch das Fluggerät auf Höhe eines Propellers, und - -
5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit.
- -
1 an aircraft according to the invention with a lift and flight control unit according to the invention, - -
2 according to a section through an aircraft1 in the area of an adjusting device, - -
3 a section through the aircraft along line AA in2 , - -
4 a schematic cross-section through the aircraft at the level of a propeller, and - -
5 a schematic representation of a second embodiment of a lift and flight control unit according to the invention.
Bei dem Fluggerät 10 handelt es sich zum Beispiel um ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät 10, wobei das Fluggerät 10 in der gezeigten Ausführungsform ein einsitziges Fluggerät 10 ist. Alternativ kann das Fluggerät 10 auch mehrsitzig sein oder ausschließlich zum Transport von Gütern vorgesehen sein und folglich keinen Sitz umfassen.The
Die Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit 12 umfasst eine Propellereinheit 18, einen Mast 20, eine Verstellvorrichtung 22 für den Mast 20 sowie eine Antriebseinheit 32.The lift and
Vorzugsweise ist die komplette Antriebs- und Flugsteuerungseinheit 12 oberhalb der Kabine 16 angeordnet, wie es in der veranschaulichten Ausführungsform dargestellt ist.Preferably, the complete power and
Der Mast 20 ist hohl ausgeführt, insbesondere ist der Mast 20 eine Hohlstange. Dies ist besonders deutlich in
Der Mast 20 ist am Träger 14 in einem Drehlagerpunkt 24 abgestützt, insbesondere mittels eines Kugelgelenks 26. Insbesondere ist der Mast 20 gegenüber dem Träger 14 beziehungsweise gegenüber der Kabine 16 kipp- und/oder schwenkbar gelagert.The
Die Propellereinheit 18 umfasst wenigstens einen am Mast 20 rotierbar gelagerten Propeller 27, 28. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Propellereinheit 18 zwei Propeller 27, 28, die insbesondere koaxial zueinander gelagert sind. Die beiden Propeller 27, 28 bilden zusammen einen koaxialen Doppelpropeller 30.The
Ein erster, insbesondere oberer Propeller 27 kann dabei gegenüber dem zweiten, unteren Propeller 28 einen vergrößerten Durchmesser aufweisen.A first, in particular upper,
Ein Propeller 27, 28 umfasst jeweils einen Nabenkörper 29 und mehrere Propellerblätter 31, wobei die Propeller 27, 28 mittels des Nabenkörpers 29 am Mast 20 gelagert sind.A
Die elektrische Antriebseinheit 32 zum Antrieb des mindestens einen Propellers 27, 28 hat mindestens einen Elektromotor 34.The
Jeder der Elektromotoren 34 ist jeweils einem der Propeller 27, 28 zugeordnet.Each of the
Falls die Propellereinheit 18 mehr als zwei Propeller 27, 28 aufweist, umfasst die elektrische Antriebseinheit 32 entsprechend mehr Elektromotoren 34.If the
Das Fluggerät 10 weist zudem ein Fluglagekontrollsystem 40 auf, welches zur Ansteuerung der Verstellvorrichtung 22 der Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit 12 eingerichtet ist.The
Wie aus den
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Verstellvorrichtung 22 einen Mastabschnitt 48, wenigstens einen - im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei - in seiner Länge veränderbaren Aktuator 50, 52 sowie ein drehsteifes Verbindungselement 56 auf.In the embodiment shown, the
Der Mastabschnitt 48 hat drei Beine 42, 44, 46, die sich von einem Knotenpunkt 47 des Mastabschnitts 48 aus erstrecken, wobei der Mastabschnitt 48 am Knotenpunkt 47 am Mast 20 gelagert ist. Die Beine 42, 44, 46 erstrecken sich somit radial nach außen. Der Mastabschnitt 48 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel somit ein Dreibein.The
Die drei Beine 42, 44, 46 und der Knotenpunkt 47 sind beispielsweise einteilig miteinander verbunden.The three
Genauer gesagt weist die Verstellvorrichtung 22 ein erstes Bein 42, ein zweites Bein 44 und ein drittes Bein 46 auf.More specifically, the
Das erste Bein 42 definiert eine Längsachse L, die mit der Längsachse des Fluggeräts 10 übereinstimmt.The
In Draufsicht auf die Verstellvorrichtung 22 sind das zweite und das dritte Bein 44, 46 auf verschiedenen Seiten der Längsachse L im gleichen Winkel zum ersten Bein 42 angeordnet. Dabei sind die Beine 42, 44, 46 beispielsweise in einem Winkel von 120° zueinander versetzt.In a plan view of the adjusting
Dabei erstrecken sich die Beine 42, 44, 46 nicht zwangsweise in einer Ebene, sondern die Beine 42, 44, 46 können ausgehend vom Knotenpunkt 47 jeweils zum Träger 14 hin verlaufen, wie in
Der Mastabschnitt 48 ist gelenkig am Mast 20 gelagert, insbesondere verschiebbar. Das heißt, der Mastabschnitt 48 kann am Mast 20 ein Stück weit auf und ab gleiten.The
Darüber hinaus ist der Mastabschnitt 48 in radiale Richtung betrachtet spielfrei am Mast 20 gelagert, das heißt, dass die Verstellvorrichtung 22 umfangsmäßig mit dem Mast 20 in Kontakt ist.In addition, the
Anders ausgedrückt hat der Mastabschnitt 48 eine Aussparung 49, durch die sich der Mast 20 erstreckt, wobei ein Außendurchmesser des Mastes 20 im Bereich der Verstellvorrichtung 22 einem Innendurchmesser der Aussparung 49 entspricht.In other words, the
Die Aktuatoren 50, 52 sind jeweils einem der Beine 44, 46 zugeordnet, hier dem zweiten Bein 44 bzw. dem dritten Bein 46.The
Die Aktuatoren 50, 52 sind am jeweiligen Bein 44, 46 an einem vom Mast 20 beabstandeten Punkt befestigt, beispielsweise an dem vom Mast 20 abgewandten Ende des jeweiligen Beins 44, 46.The
Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Aktuatoren 50, 52 als Stellmotoren ausgebildet.In the illustrated embodiment, the
Um die Aktuatoren 50, 52 in ihrer Länge zu verändern, sind die Aktuatoren 50, 52 von dem Fluglagekontrollsystem 40 ansteuerbar.In order to change the length of the
Das drehsteife Verbindungselement 56 ist zum Beispiel ein Scherengelenk, das an einem vom Mast 20 beabstandeten Punkt am ersten Bein 42 befestigt ist, zum Beispiel an einem vom Mast 20 abgewandten Ende des ersten Beins 42.The torsionally rigid connecting
Zur Lagerung der Verstellvorrichtung 22 sind am Träger 14, insbesondere an der Kabine 16, drei Montagepunkte 58, 60, 62 vorgesehen.Three mounting
Dabei ist jedem Montagepunkt 58, 60, 62 ein Bein 42, 44, 46 der Verstellvorrichtung 22 zugeordnet. Genauer gesagt ist das erste Bein 42 mittels des drehsteifen Verbindungselements 56 am ersten Montagepunkt 58 befestigt. Das zweite und dritte Bein 44, 46 sind mittels des entsprechenden Aktuators 50, 52 am zweiten bzw. dritten Montagepunkt 60, 62 befestigt, wie es in
Betrachtet man das Fluggerät 10 in einer Frontansicht, befinden sich zwei der Montagepunkte 58, 60, 62, insbesondere der zweite und der dritte Montagepunkt 60, 62, links und rechts vor dem Mast 20 und der erste Montagepunkt 58 ist insbesondere direkt hinter dem Mast 20 angeordnet.If you look at the
In
Die Antriebseinheit 32 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei als Außenläufer ausgebildete Elektromotoren 34 mit jeweils einem Stator 36 und einem Rotor 38. Die Elektromotoren 34 sind beispielsweise als Außenläufer ausgeführt.In the exemplary embodiment shown, the
Der Aufbau der Elektromotoren 34 wird im Folgenden anhand des Propellers 28 mit dem zugehörigen Elektromotor 34 beispielhaft beschrieben, die in
Die Lagerung des Propellers 28 an dem Mast 20 erfolgt mittels eines zweireihigen Lagers 64. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Lager 64 ein zweireihiges Kugellager. Alternativ kann auch ein Wälzlager vorgesehen sein.The
Zur einfachen Positionierung des Propellers 28 am Mast 20 ist der Mast 20 beispielsweise abgestuft.For easy positioning of the
Der Stator 36 des Elektromotors 34 ist fest mit dem Mast 20 verbunden.The
Dabei ist der Stator 36 indirekt über einen Teil einer Leistungselektronikeinheit 66 der elektrischen Antriebseinheit 32 an dem Mast 20 drehfest gelagert.The
Beispielsweise ist der Stator 36 an einem Bipolartransistor 67 befestigt, der wiederum am Mast 20 befestigt ist. Bei dem Bipolartransistor 67, welcher Bestandteil der Leistungselektronikeinheit 66 ist, kann es sich um einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode handeln.For example, the
Alternativ kann der Stator 36 auch direkt am Mast 20 befestigt sein.Alternatively, the
Zur Befestigung der Leistungselektronikeinheit 66 beziehungsweise zur Befestigung des Stators 36 kann ein radialer Fortsatz 68 am Mast 20 vorgesehen sein.A
Ein Versorgungskabel 69 für die Antriebseinheit 32 verläuft beispielsweise im Mast 20.A
Im Falle eines Doppelpropellers 30 kann jeweils ein Versorgungskabel 69 ausgehend von der Leistungselektronikeinheit 66 nach oben und unten zum Propeller 27, 28 verlaufen, wie in
In der in
Zum Beispiel ist der Rotor 38 in dem Nabenkörper 29 des Propellers 28 integriert. Statt im Nabenkörper 29 kann der Rotor 38 auch in einem Propellerblatt 31 des Propellers 28 integriert sein.For example, the
Der Propeller 28 ist beispielsweise ein faserverstärktes Kunststoffbauteil. In diesem Fall kann der Rotor 38 in dem Kunststoffbauteil beziehungsweise im Propeller 28 einlaminiert sein.The
Der Propeller 28 hat eine axiale Vertiefung 70, und zwar insbesondere im Nabenkörper 29. Alternativ oder zusätzlich kann die Vertiefung 70 auch in einem Propellerblatt 31 vorgesehen sein. Die Vertiefung 70 ist beispielsweise ringförmig.The
Die Vertiefung 70 befindet sich insbesondere zwischen dem Rotor 38 und dem Lager 64.The
In der Vertiefung 70 ist der Stator 36 des Elektromotors 34 angeordnet. Der Propeller 27, 28 bildet dadurch einen Deckel für den Elektromotor 34, derart, dass der Stator 36 geschützt untergebracht ist.The
Der Rotor 38 ist beispielsweise an einer von einer Drehachse D des Propellers 28 radial abgewandten Seite der Vertiefung 70 vorgesehen. Anders ausgedrückt grenzt der Rotor 38 an die Vertiefung 70 an, und zwar an einer vom Mast 20 abgewandten Wandung der Vertiefung 70.The
Noch deutlicher wird die Anordnung der Antriebseinheit 32 in
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Fluggeräts 10 mit Bezug auf
Beim Starten des Fluggeräts 10, genauer gesagt beim Abheben des Fluggeräts 10 vom Boden, steht der Mast 20 in der Regel senkrecht zum Träger 14 beziehungsweise zur Kabine 16. Anders ausgedrückt steht der Mast 20 senkrecht zum Boden und die Propellerebenen verlaufen parallel zum Boden.When the
Wenn die Propellereinheit 18, insbesondere die Propeller 27, 28 mittels der elektrischen Antriebseinheit 32, genauer gesagt mittels der Elektromotoren 34 in Rotation versetzt wird, wird ein Auftrieb erzeugt, der das Fluggerät vom Boden abhebt. Aufgrund der senkrechten Ausrichtung des Mastes 20 zum Boden bewegt sich das Fluggerät 10 beim Starten zunächst ebenfalls senkrecht zum Boden.When the
Um das Fluggerät 10 gezielt in eine Richtung parallel zum Boden zu steuern, wird der relativ zur Kabine 16 kipp- und schwenkbare Mast 20 mittels der Verstellvorrichtung 22 verkippt beziehungsweise verschwenkt. Dadurch entsteht in Verbindung mit der Rotation der Propellereinheit 18 eine Vorschubkraft, die das Fluggerät 10 in eine gewünschte Richtung bewegt.In order to steer the
Das Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes 20 wird mittels des Fluglagekontrollsystems 40 gesteuert.The tilting and/or pivoting of the
Genauer gesagt ist das Fluglagekontrollsystem 40 zur Ansteuerung der Verstellvorrichtung 22 eingerichtet, insbesondere zu Ansteuerung des wenigstens einen Aktuators 50, 52. Die Aktuatoren 50, 52 sind insbesondere unabhängig voneinander ansteuerbar, das heißt, sie sind unabhängig voneinander in ihrer Länge veränderbar.To put it more precisely, the
Die Aktuatoren 50, 52 verändern in Abhängigkeit der Ansteuerung durch das Fluglagekontrollsystem 40 ihre Länge, sodass die Beine 44, 46 der Verstellvorrichtung 22 gegenüber dem Träger 14 angehoben beziehungsweise abgesenkt werden. Die Verstellvorrichtung 22, insbesondere der Mastabschnitt 48, werden dadurch verkippt und/oder verschwenkt.The
Als Reaktion auf das Anheben beziehungsweise Absenken der Verstellvorrichtung 22 durch die Aktuatoren 50, 52 wird das Verbindungselement 56 gestreckt beziehungsweise gestaucht, um eine Längenänderung der Aktuatoren 50, 52 ausgleichen.In response to the raising or lowering of the
Aufgrund der spielfreien Lagerung der Verstellvorrichtung 22 am Mast 20 wird der Mast 20 durch ein Verkippen und/oder Verschwenken der Verstellvorrichtung 22 relativ zum Träger 14 ebenfalls verkippt und/oder verschwenkt. Die Verstellvorrichtung 22 kann dabei am Mast 20 ein Stück weit nach oben oder nach unten gleiten.Due to the play-free mounting of the adjusting
Beim Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes 20 kann die Verstellvorrichtung 22, insbesondere der Mastabschnitt 48, ein Kippmoment aus der Vertikalen aufnehmen.When the
Das Verkippen und/oder Verschwenken des Mastes 20 führt dazu, dass die Propellereinheit 18, insbesondere die Propellerebenen der Propeller 27, 28, nicht länger parallel zum Boden verläuft, wodurch eine Bewegung des Fluggeräts 10 in Richtung parallel zum Boden erreicht wird.The tilting and/or pivoting of the
Das Fluggerät 10 kann somit mittels der Auftriebs- und Flugsteuerungseinheit 12 besonders einfach gesteuert werden, ohne dass eine komplexe Getriebemechanik notwendig ist.The
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