DE102019202354A1 - Brushless aircraft - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Flugzeug (10), das als schwanzloses Flugzeug (10) ausgebildet ist und einen Flügel (12) mit einer Flügelnase (14) aufweist. Erfindungsgemäß weist das Flugzeug (10) an der Flügelnase (14) eine Strömungsabrisskante (18) auf, die dazu ausgebildet ist, bei einem bestimmten Anstellwinkel des Flügels (12) einen gezielten Abriss der auftriebserzeugenden, im Bereich der Strömungsabrisskante (18) über den Flügel (12) verlaufenden Strömung zu bewirken.The present application relates to an aircraft (10) which is designed as a tailless aircraft (10) and has a wing (12) with a wing nose (14). According to the invention, the aircraft (10) has a flow separation edge (18) on the wing nose (14), which is designed to tear off the lift-generating edge (18) over the wing at a certain angle of attack of the wing (12) (12) to cause a running flow.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft ein schwanzloses Flugzeug, das einen Flügel mit einer Flügelnase aufweist.The present invention relates to a tailless aircraft having a wing with a wing nose.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Unter einem schwanzlosen Flugzeug ist ein Flugzeug zu verstehen, das außer seiner Haupttragfläche kein separates, in Form einer weiteren horizontalen aerodynamischen Fläche ausgebildetes Höhenleitwerk aufweist. Eine besondere Art schwanzloser Flugzeuge ist das Nurflügelflugzeug, auch „Nurflügel“ oder „Nurflügler“ genannt.A tailless aircraft is to be understood as meaning an aircraft which, apart from its main wing, does not have a separate horizontal stabilizer in the form of a further horizontal aerodynamic surface. A special type of tailless aircraft is the flying wing aircraft, also called "flying wing" or "flying wing".
Bei konventionellen Flugzeugen stehen normalerweise zwei horizontale aerodynamische Flächen zur Verfügung, nämlich zusätzlich zur Haupttragfläche, also einem Flügel, noch ein Höhenleitwerk. Dieses kann hinter der Haupttragfläche oder, wie bei einem Entenflugzeug, davor angeordnet sein. Das Höhenleitwerk hat großen Einfluss auf die Längsstabilität des Flugzeugs. Mit ihm wird nicht nur ermöglicht, dass sich der Schwerpunkt des flugfähigen Flugzeugs innerhalb relativ weiter Grenzen entlang der Längsachse befindet, sondern auch das Flugverhalten des Flugzeugs bei hohen Anstellwinkeln ist konventionell gut in den Griff zu bekommen. Unter dem Anstellwinkel ist vorliegend der Winkel zwischen der auf den Flügel auftreffenden Strömung und der Profilsehne des Flügelprofils zu verstehen.In conventional aircraft there are normally two horizontal aerodynamic surfaces available, namely in addition to the main wing, i.e. a wing, a horizontal stabilizer. This can be arranged behind the main wing or, as in a duck plane, in front of it. The horizontal stabilizer has a great influence on the longitudinal stability of the aircraft. It not only enables the center of gravity of the airworthy aircraft to be located within relatively wide limits along the longitudinal axis, but also the flight behavior of the aircraft at high angles of attack can conventionally be easily controlled. In the present case, the angle of attack is to be understood as the angle between the flow impinging on the wing and the chord of the wing profile.
So sind konventionelle Flugzeuge typischerweise so aerodynamisch ausgelegt, dass ein Abreißen der auftriebserzeugenden Strömung über den Flügel („Strömungsabriss“) zuerst im Bereich der Flügelwurzel, d.h. am Rumpf-Flächen-Übergang in Querrichtung relativ weit in der Mitte des Flugzeugs stattfindet. Dies verringert insbesondere das durch einseitigen Strömungsabriss entstehende Rollmoment. Außerdem führt diese aerodynamische Auslegung der Flugzeuge dazu, dass das Flugzeug bereits erste Anzeichen des Strömungsabrisses (hervorgerufen durch den Strömungsabriss im Bereich der Flügelwurzel) zeigt, während es noch steuerbar sein kann, weil die Querruder noch schwach wirken, da die Strömung hier noch nicht abgerissen sein muss.Conventional aircraft are typically aerodynamically designed in such a way that the lift-generating flow over the wing ("flow separation") breaks off first in the area of the wing root, i.e. takes place at the fuselage-surface transition in the transverse direction relatively far in the middle of the aircraft. This particularly reduces the roll moment caused by a one-sided stall. In addition, this aerodynamic design of the aircraft means that the aircraft is already showing the first signs of stall (caused by the stall in the area of the wing root), while it can still be steerable because the ailerons are still weak because the flow has not yet stalled here have to be.
Eine Zulassungsvoraussetzung eines Flugzeugs ist üblicherweise, dass es nach einem Strömungsabriss wieder in einen flugfähigen Flugzustand zurückbringbar sein muss. Dies wird üblicherweise durch eine geeignete Schwerpunktlage relativ zum aerodynamischen Druckpunkt in diesem Strömungszustand erreicht. Kurz gesagt kippt das Flugzeug nach vorn oder über die Seite so ab, dass die auftriebserzeugende Strömung schnell wieder ausreichend weit über den Flügel anliegt.A licensing requirement for an aircraft is usually that it must be able to be brought back into an airworthy flight condition after a stall. This is usually achieved by a suitable center of gravity relative to the aerodynamic pressure point in this flow state. In short, the aircraft tilts forward or over the side in such a way that the lift-generating flow quickly rests sufficiently far over the wing again.
Bei schwanzlosen Flugzeugen bestehen hier systemische Schwierigkeiten, die anders als bei konventionellen Flugzeugen überwunden werden müssen.In the case of tailless aircraft, there are systemic difficulties here that, unlike conventional aircraft, have to be overcome.
Um das fehlende Höhenleitwerk zu kompensieren, besteht ein Ansatz für ein schwanzloses Flugzeug darin, eine relativ starke positive Pfeilung insbesondere der Vorderkante der Flügel vorzusehen. Hierunter versteht man eine Flügelform, bei der die Flügel, insbesondere ihre Vorderkante, gegenüber der Querachse des Flugzeugs nach hinten abgewinkelt sind.In order to compensate for the missing horizontal stabilizer, one approach for a tailless aircraft is to provide a relatively strong positive sweep, in particular of the leading edge of the wings. This is understood to mean a wing shape in which the wings, in particular their leading edge, are angled backwards with respect to the transverse axis of the aircraft.
Ein Nachteil der gepfeilten Flügel liegt jedoch darin, dass sich das Wirbelbild beim Strömungsabriss gegenüber weniger stark gepfeilten Flügeln nach außen zu den Flügelspitzen hin verschiebt. Mit anderen Worten beginnt der Strömungsabriss nicht mehr an der Flügelwurzel, sondern weiter außen und durch die Pfeilung daher auch weiter hinten. Bei einem schwanzlosen Flugzeug kann dies so weit gehen, dass der Strömungsabriss hinter dem Schwerpunkt des Flugzeugs einsetzt. Hiermit sind verschiedene Nachteile verbunden, die teils schwer wiegen.A disadvantage of the swept wings, however, is that the vortex pattern is displaced outwards towards the wing tips when the flow stall compared to less strongly swept wings. In other words, the stall no longer begins at the wing root, but further out and therefore further back due to the sweep. In the case of a tailless aircraft, this can go so far that the stall begins behind the aircraft's center of gravity. This is associated with various disadvantages, some of which are serious.
Erstens führt ein Strömungsabriss hinter dem Schwerpunkt dazu, dass das Flugzeug nicht geradeaus nach vorn abkippt, weil die Auftriebskraft hinter dem Schwerpunkt abbricht, während vor dem Schwerpunkt noch Auftrieb erzeugt wird. Dieser Effekt führt in vielen Fällen zum seitlichen Abkippen und Trudeln oder einem Spiralsturz.Firstly, a stall behind the center of gravity means that the aircraft does not tip straight forward because the lift force breaks off behind the center of gravity while lift is still being generated in front of the center of gravity. In many cases, this effect leads to lateral tilting and spinning or a spiral fall.
Zweitens führt ein einseitiger Strömungsabriss in einem äußeren Bereich des Flügels aufgrund der Hebelwirkung zu einem großen Rollmoment und damit zu einer heftigen Bewegung um die Längsachse und später die Hochachse des Flugzeugs. Dieser Effekt verstärkt die Neigung des Flugzeugs zum Trudeln oder einem Spiralsturz, die sich auch aus dem obigen ersten Effekt ergibt.Secondly, a one-sided stall in an outer area of the wing leads to a large roll moment due to the leverage effect and thus to a violent movement around the longitudinal axis and later the vertical axis of the aircraft. This effect increases the tendency of the aircraft to spin or spiral dive, which also results from the first effect above.
Drittens geht die Wirkung der normalerweise außen liegenden Querruder bei Annäherung an den überzogenen Flugzustand und bei dessen Erreichen, d.h. wenn und nachdem ein Strömungsabriss einsetzt, schon früh zurück, so dass große Ruderausschläge erforderlich wären, die einen Strömungsabriss zum Teil noch begünstigen, und das Flugzeug im Grenzbereich kurz vor dem Strömungsabriss nur noch sehr eingeschränkt gesteuert werden kann.Thirdly, the action of the normally outboard ailerons goes out when approaching the stalled flight condition and when it is reached, i.e. if and after a stall occurs, move back early, so that large rudder deflections would be required, which in some cases still favor a stall, and the aircraft can only be controlled to a very limited extent in the border area shortly before the stall.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Vor diesem Hintergrund liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein schwanzloses Flugzeug des obigen technischen Gebiets bereitzustellen, mit dem ein überzogener Flugzustand leichter und sicherer beherrscht werden kann.With this in mind, it is an object of the present invention to provide a tailless To provide aircraft of the above technical field with which an excessive flight condition can be controlled more easily and safely.
Diese Aufgabe wird durch das Flugzeug nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the aircraft according to claim 1. Advantageous further developments of the invention emerge from the subclaims.
Ein erfindungsgemäßes schwanzloses Flugzeug, das einen Flügel mit einer Flügelnase aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Flugzeug an der Flügelnase eine Strömungsabrisskante aufweist, die dazu ausgebildet ist, bei einem bestimmten Anstellwinkel des Flügels einen gezielten Abriss der auftriebserzeugenden, im Bereich der Strömungsabrisskante über den Flügel verlaufenden Strömung zu bewirken. Der Anstellwinkel, bei dem die Strömung abreißt, wird im Allgemeinen auch „kritischer Anstellwinkel“ genannt.A tailless aircraft according to the invention, which has a wing with a wing nose, is characterized in that the aircraft has a flow separation edge on the wing nose, which is designed to tear off the lift-generating edge in the area of the flow separation edge at a certain angle of attack of the wing Wing to effect trending flow. The angle of attack at which the flow breaks off is generally also called the "critical angle of attack".
Durch die erfindungsgemäße Strömungsabrisskante kann sichergestellt werden, dass bei einem durch die Geometrie des Flügels und der Strömungsabrisskante vorgegebenen Anstellwinkel ein Strömungsabriss im Bereich der Strömungsabrisskante definiert einsetzt. Mit der Strömungsabrisskante wird der kritische Anstellwinkel, d.h. der Winkel, bei dem der Strömungsabriss einsetzt, verringert. Mit anderen Worten wäre die Strömung ohne die Strömungsabrisskante dazu in der Lage, dem Flügelprofil auch bei höheren Anstellwinkeln noch zu folgen. Mit der Strömungsabrisskante hingegen wird sichergestellt, dass der Bereich der Strömungsabrisskante derjenige ist, an dem die Strömung zuerst abreißt. Damit lässt sich ein zuverlässiges Flugverhalten im Bereich des überzogenen Flugzustands erreichen und die oben ausgeführten Nachteile des Stands der Technik von schwanzlosen Flugzeugen mit positiv gepfeiltem Flügel werden überwunden.The flow separation edge according to the invention can ensure that a flow separation occurs in a defined manner in the area of the flow separation edge at an angle of attack predetermined by the geometry of the wing and the flow separation edge. With the flow separation edge the critical angle of attack, i.e. the angle at which the stall occurs is reduced. In other words, the flow would be able to follow the wing profile even at higher angles of attack without the flow separation edge. The flow separation edge, on the other hand, ensures that the area of the flow separation edge is the one where the flow breaks off first. Reliable flight behavior can thus be achieved in the region of the overrun flight condition and the disadvantages of the prior art of tailless aircraft with a positive swept wing are overcome.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Flugzeug als Nurflügelflugzeug ausgebildet. Mit anderen Worten ist das Flugzeug höhenleitwerksfrei und auch seitenleitwerksfrei ausgebildet. Die Bezeichnung des Nurflügelflugzeugs als „seitenleitwerksfrei“ bedeutet vorliegend nicht, dass das Flugzeug keine vertikalen Flächen wie Winglets oder Finnen aufweisen darf. Ein klassisches Seitenleitwerk mit Seitenruder ist allerdings im vorliegenden Zusammenhang bei einem Nurflügelflugzeug nicht vorhanden und unterscheidet das Nurflügelflugzeug insoweit von anderen schwanzlosen Flugzeugen. Ein Nurflügelflugzeug hat insbesondere den Vorteil, dass praktisch jeder Teil des Flugzeugs für Auftrieb sorgt und somit ein wirtschaftlicherer Betrieb möglich ist. Dies liegt insbesondere daran, dass das Nurflügelflugzeug keine oder zumindest nur sehr wenige Komponenten aufweist, die zwar Widerstand, aber keinen nennenswerten Auftrieb erzeugen. Dies ist bei konventionellen Flugzeugen oftmals anders, da hier ein großer Rumpf und große Leitwerke vorgesehen sind. Zwar liefert der Rumpf je nach Konstruktion auch einen gewissen Auftrieb, der Widerstand des Rumpfs ist aber erheblich größer. Ähnliches gilt für das Leitwerk, das üblicherweise sogar negativen Auftrieb erzeug, der durch die Tragflächen (über-) kompensiert werden muss.In a preferred embodiment, the aircraft is designed as a flying wing aircraft. In other words, the aircraft is designed to be free of horizontal stabilizers and also free of vertical stabilizers. The designation of the flying wing aircraft as “free of vertical stabilizers” does not mean that the aircraft must not have any vertical surfaces such as winglets or fins. A classic rudder unit with rudder is not present in the present context in a flying wing aircraft and in this respect distinguishes the flying wing aircraft from other tailless aircraft. A flying wing aircraft has the particular advantage that practically every part of the aircraft provides lift and thus more economical operation is possible. This is due in particular to the fact that the flying wing aircraft has no or at least only very few components which generate drag but no significant lift. This is often different with conventional aircraft, since a large fuselage and large tail units are provided here. Although the hull provides a certain amount of buoyancy, depending on its construction, the hull's resistance is considerably greater. The same applies to the tail unit, which usually even generates negative lift that has to be (over) compensated for by the wings.
Bevorzugt weist das Flugzeug eine rückwärts gerichtete, d.h. positive, Flügelpfeilung auf, wobei die Strömungsabrisskante in einem inneren Bereich des Flügels angeordnet ist. Mit dem inneren Bereich des Flügels ist insbesondere eine Flügelwurzel, also ein Rumpf-Flächen-Übergang gemeint. Bei fehlendem Flugzeugrumpf ist der innere Bereich des Flügels ein in Querrichtung möglichst mittiger Bereich des Flugzeugs.Preferably the aircraft has a rearward-facing, i.e. positive, wing sweep, the flow separation edge being arranged in an inner region of the wing. The inner area of the wing means in particular a wing root, that is to say a fuselage-surface transition. In the absence of an aircraft fuselage, the inner area of the wing is an area of the aircraft that is as central as possible in the transverse direction.
Durch diese bevorzugte Anordnung der Strömungsabrisskante kann sichergestellt werden, dass der Strömungsabriss bei Annäherung an den überzogenen Flugzustand zuerst in einem in Querrichtung mittigen Bereich einsetzt. Dies führt zu einem möglichst kleinen Rollmoment bei einsetzendem (einseitigen) Strömungsabriss. Außerdem kann so bewirkt werden, dass das Flugzeug bereits erste Anzeichen des Strömungsabrisses (hervorgerufen durch den Strömungsabriss im mittigen Bereich) zeigt, während es noch steuerbar sein kann, weil die Querruder noch schwach wirken, da die Strömung hier noch nicht abgerissen sein muss. Somit erleichtert es diese Anordnung der Strömungsabrisskante dem Piloten, die Annäherung an den überzogenen Flugzustand zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten.This preferred arrangement of the flow separation edge makes it possible to ensure that the flow separation, when approaching the covered flight condition, first begins in an area which is central in the transverse direction. This leads to the smallest possible rolling moment when the (one-sided) flow stall begins. In addition, this can cause the aircraft to show the first signs of stall (caused by the stall in the central area), while it can still be steered because the ailerons are still weak because the flow does not have to be stalled here. This arrangement of the stall edge thus makes it easier for the pilot to recognize the approach to the excessive flight condition and to initiate suitable countermeasures.
Bei gepfeiltem Flügel führt die Anordnung der Strömungsabrisskante in einem inneren Bereich dazu, dass der Strömungsabriss einen Flügelteil betrifft, der vor dem Schwerpunkt des Flugzeugs liegt, was ein Abkippen nach vorn und damit das Wiedererlangen eines angeströmten Flugzustands begünstigt.In the case of a swept wing, the arrangement of the stall edge in an inner area means that the stall affects a wing part that lies in front of the center of gravity of the aircraft, which favors tilting forward and thus the regaining of a flight condition against the flow.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Flugzeug zusätzlich zu dem Flügel einen zentral angeordneten Rumpf auf, wobei die Strömungsabrisskante im Bereich eines Übergangs zwischen dem Flügel und dem Rumpf angeordnet ist. In dieser Ausführungsform befindet sich die Strömungsabrisskante also im Bereich der Flügelwurzel. Es sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen ein zentral angeordneter Rumpf vorgesehen ist, der sich nicht bis zur Flügelnase oder darüber hinaus erstreckt. In diesen Fällen kann die Strömungsabrisskante vorzugsweise im mittigen Bereich der (dann ggf. durchgehenden) Flügelnase angeordnet sein.In a preferred embodiment, the aircraft has, in addition to the wing, a centrally arranged fuselage, the flow separation edge being arranged in the area of a transition between the wing and the fuselage. In this embodiment, the flow separation edge is therefore in the area of the wing root. Embodiments are also conceivable in which a centrally arranged fuselage is provided which does not extend as far as the wing nose or beyond. In these cases, the flow separation edge can preferably be arranged in the central region of the (then possibly continuous) wing nose.
In diesem Zusammenhang wird weiter bevorzugt, dass auf beiden Seiten des Rumpfs je mindestens eine Strömungsabrisskante an der Flügelnase angeordnet ist. Auf diese Weise reißt die Strömung auf beiden Seiten der Mitte in Querrichtung bei demselben Anstellwinkel ab. So werden einseitige Strömungsabrisse so weit wie möglich verhindert, was die Neigung des Flugzeugs, über eine Fläche abzukippen und ins Trudeln zu geraten signifikant reduziert.In this context it is further preferred that on both sides of the fuselage there is at least one flow separation edge on the wing nose is arranged. In this way the flow breaks off on both sides of the center in the transverse direction at the same angle of attack. In this way, one-sided stalling is prevented as much as possible, which significantly reduces the aircraft's tendency to tip over an area and spin.
Mit Vorteil ist die Strömungsabrisskante in den Flügel integriert. Dies bedeutet, dass die Strömungsabrisskante einstückig mit dem Flügelprofil ausgebildet ist. Sie wird also nicht als separates Teil nachträglich am Flügel angebracht, sondern ist Teil des Flügels. So lässt sich der aerodynamische Effekt der Strömungsabrisskante im Zusammenhang des Gesamtflugzeugs, insbesondere des Flügels, besonders gut voraussagen und der kritische Anstellwinkel im Bereich der Strömungsabrisskante entsprechend zuverlässig definieren. Außerdem wird der Widerstand des Flügels mit Strömungsabrisskante so gering wie möglich gehalten, weil der Übergang zwischen Strömungsabrisskante und Flügelprofil fließend und sehr glatt ausgebildet werden kann.The flow separation edge is advantageously integrated into the wing. This means that the flow separation edge is formed in one piece with the wing profile. So it is not attached to the wing as a separate part, but is part of the wing. In this way, the aerodynamic effect of the stall edge in connection with the entire aircraft, in particular the wing, can be predicted particularly well and the critical angle of attack in the area of the stall edge can be defined reliably. In addition, the resistance of the wing with the flow separation edge is kept as low as possible because the transition between the flow separation edge and the wing profile can be made flowing and very smooth.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Flugzeug für einen unbemannten Betrieb ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Flugzeug für einen autonomen Flugbetrieb ausgebildet, wobei das Flugzeug sowohl unbemannt als auch bemannt sein kann.In an advantageous embodiment, the aircraft is designed for unmanned operation. In a further advantageous embodiment, the aircraft is designed for autonomous flight operation, it being possible for the aircraft to be both unmanned and manned.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Patentansprüche und der nachfolgenden Figurenbeschreibung.Further advantageous developments of the invention emerge from the entirety of the patent claims and the following description of the figures.
FigurenlisteFigure list
-
1 zeigt das Strömungsverhalten im Bereich des überzogenen Flugzustands eines bevorzugten Flugzeugs;1 shows the flow behavior in the stalled flight condition of a preferred aircraft; -
2 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Flugzeugs;2 Figure 3 is a schematic representation of a preferred aircraft; -
3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Flügelprofils mit einer Strömungsabrisskante;3 Fig. 3 is a schematic sectional view of an airfoil with a flow separation edge; -
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Flügelprofils aus3 .4th shows an enlarged section of the wing profile3 .
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION
Die nachfolgende Beschreibung der Figuren bezieht sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, wobei gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.The following description of the figures relates to preferred embodiments of the invention, the same parts being given the same reference numerals.
Das Flugzeug
In Querrichtung in der Mitte des Flugzeugs
Wie in der
Durch die Strömungsabrisskante
In
Durch das bevorzugte Flugzeug ist es möglich, einen überzogenen Flugzustand leichter und sicherer zu beherrschen als bei schwanzlosen Flugzeugen aus dem Stand der Technik.The preferred aircraft makes it possible to control an excessive flight condition more easily and safely than in the case of tailless aircraft from the prior art.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102019202354.1A DE102019202354A1 (en) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | Brushless aircraft |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102019202354.1A DE102019202354A1 (en) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | Brushless aircraft |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102019202354A1 true DE102019202354A1 (en) | 2020-08-27 |
Family
ID=72138916
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102019202354.1A Ceased DE102019202354A1 (en) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | Brushless aircraft |
Country Status (1)
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DE (1) | DE102019202354A1 (en) |
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