DE102019208336A1 - Aircraft propulsion system, aircraft and method for minimizing a sound pressure of an aircraft - Google Patents
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Abstract
Der Luftfahrzeugantrieb weist einen Propeller und einen Propellermotor und einer Motorsteuerung zur Steuerung des Propellermotors auf, wobei die Motorsteuerung des Propellermotors ausgebildet ist, einem durch eine Bewegung des Propellers verursachten Schalldruck entgegenzuwirken.Das Luftfahrzeug ist insbesondere ein hybridelektrisches oder elektrisches Luftfahrzeug und weist einen solchen Luftfahrzeugantrieb auf.The aircraft drive has a propeller and a propeller motor and a motor controller for controlling the propeller motor, the motor controller of the propeller motor being designed to counteract a sound pressure caused by a movement of the propeller. The aircraft is in particular a hybrid electric or electric aircraft and has such an aircraft drive .
Description
Die Erfindung betrifft einen Luftfahrzeugantrieb, ein Luftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Minimierung eines Schalldrucks eines Luftfahrzeugs.The invention relates to an aircraft drive, an aircraft and a method for minimizing a sound pressure of an aircraft.
In dicht besiedelten Städten, etwa Sao Paolo oder New York City oder Tokio, stellt Mobilität eine nennenswerte Belastung für ihre Bewohner dar. Zu einem setzen viele Fahrzeuge eine erhebliche Menge an Abgasen und Feinstaub frei. Zum anderen wird wertvolle Lebenszeit im Stau verbracht.In densely populated cities, such as Sao Paolo or New York City or Tokyo, mobility represents a significant burden for their residents. On the one hand, many vehicles release a considerable amount of exhaust gases and fine dust. On the other hand, valuable life is spent in traffic jams.
Zur Lösung dieses Problems werden derzeit Luftfahrzeuge in Gestalt sogenannter Vertical-Take-Off-And-Landing-Fahrzeuge, kurz VTOLs, vorgeschlagen, welche umgangssprachlich auch „Flugtaxis“ genannt werden. Mit solchen VTOLS ist es möglich, die Mobilität auch in die Höhendimension zu verlagern. Mit VTOLS lassen sich zu einem hohe Geschwindigkeiten im Bereich von 100 bis 300 Kilometern pro Stunde erreichen; zum anderen können mittels VTOLS Orte in direkter Luftlinie und somit ohne das Erfordernis von Umwegen erreicht werden. Solche Luftfahrzeuge entlasten folglich die Straßen und erlauben deutlich kürzere Fahrzeiten.To solve this problem, aircraft in the form of so-called vertical take-off-and-landing vehicles, or VTOLs for short, are currently being proposed, which are also known colloquially as “air taxis”. With such VTOLS it is possible to shift mobility to the height dimension. With VTOLS, high speeds in the range of 100 to 300 kilometers per hour can be achieved; on the other hand, VTOLS can be used to reach locations in a straight line and thus without the need for detours. Such aircraft consequently relieve the roads and allow significantly shorter travel times.
Allerdings verursachen VTOLS Fluglärm. Da sich die Luftfahrzeuge insbesondere in und über dicht besiedelten Städten bewegen, sind besonders niedrige Lärmemissionswerte einzuhalten. Dies bleibt gegenwärtig eine große Herausforderung.However, VTOLS cause aircraft noise. Since the aircraft move particularly in and over densely populated cities, particularly low noise emission values must be observed. This remains a major challenge at present.
Grundsätzlich kann Fluglärm für die Bevölkerung reduziert werden, indem eine große Flughöhe vorgesehen wird. Das ist bei VTOL jedoch nur bedingt möglich, da diese in Wohngebieten starten und landen sollen und der Einsatzzweck von VTOLS vergleichsweise geringe Flughöhen erfordert, um Kollisionen mit Verkehrsflugzeugen zu vermeiden. Eine ebensolche Herausforderung stellt sich auch für Short-Take-Off-And-Landing-Fahrzeuge, sog. STOLS.In principle, aircraft noise for the population can be reduced by providing a high flight altitude. However, this is only possible to a limited extent with VTOL, since these are supposed to take off and land in residential areas and the purpose of VTOLS requires comparatively low altitudes in order to avoid collisions with commercial aircraft. The same challenge arises for short-take-off-and-landing vehicles, so-called STOLS.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Flugzeugantrieb mit einem Propeller und einem Propellermotor zu schaffen, welcher mit deutlich verringerter Geräuschemission betreibbar ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes hybridelektrisches oder elektrisches Luftfahrzeug zu schaffen, welches geräuscharm betrieben werden kann. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Minimierung eines Schalldrucks eines Luftfahrzeugs anzugeben.It is therefore the object of the invention to create an improved aircraft drive with a propeller and a propeller motor, which can be operated with significantly reduced noise emissions. In addition, it is the object of the invention to create an improved hybrid-electric or electric aircraft which can be operated with little noise. In addition, it is an object of the invention to specify a method for minimizing the sound pressure of an aircraft.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Luftfahrzeugantrieb mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Luftfahrzeug mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen und mit einem Verfahren zur Minimierung eines Schalldrucks eines Luftfahrzeugs mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.This object of the invention is achieved with an aircraft drive with the features specified in claim 1 and with an aircraft with the features specified in claim 12 and with a method for minimizing a sound pressure of an aircraft with the features specified in claim 14. Preferred developments are specified in the associated subclaims, the following description and the drawing.
Der erfindungsgemäße Luftfahrzeugantrieb weist einen Propeller und einen Propellermotor sowie eine Motorsteuerung zur Steuerung des Propellermotors auf. Dabei ist die Motorsteuerung des Propellermotors ausgebildet, einem durch eine Bewegung des Propellers verursachten Schalldruck entgegenzuwirken. Erfindungsgemäß dient der Propellermotor also nicht allein zur Bewegung des Propellers und somit zur Schuberzeugung, sondern zusätzlich auch als akustischer Aktor.The aircraft drive according to the invention has a propeller and a propeller motor as well as a motor controller for controlling the propeller motor. The motor control of the propeller motor is designed to counteract a sound pressure caused by a movement of the propeller. According to the invention, the propeller motor therefore not only serves to move the propeller and thus to generate thrust, but also as an acoustic actuator.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Luftfahrzeugantrieb Erfassungsmittel auf, die zur Erfassung des vom Propeller verursachten Schalldrucks ausgebildet sind. In dieser Weiterbildung der Erfindung kann also der vom Propeller verursachte Schalldruck insbesondere zeitaufgelöst erfasst werden, sodass die Motorsteuerung den Propellermotor zur Reduzierung des vom Propeller verursachten Schalldrucks geeignet steuern kann.The aircraft drive according to the invention preferably has detection means which are designed to detect the sound pressure caused by the propeller. In this further development of the invention, the sound pressure caused by the propeller can therefore be recorded in particular with a time resolution, so that the motor control can control the propeller motor in a suitable manner to reduce the sound pressure caused by the propeller.
Zweckmäßig ist das Erfassungsmittel ein Mikrophon. Alternativ oder zusätzlich kann ein optisches Erfassungsmittel vorgesehen sein, welches etwa zur optischen Erfassung von Vibrationen von Rotorblättern des Propellers oder einer Antriebswelle, mittels optischer Messung, etwa mittels optischer Interferometrie, ausgebildet ist.The detection means is expediently a microphone. Alternatively or additionally, an optical detection means can be provided, which is designed for the optical detection of vibrations of rotor blades of the propeller or a drive shaft, by means of optical measurement, for example by means of optical interferometry.
Geeigneterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeugantrieb die Motorsteuerung ausgebildet, den Propellermotor abhängig vom erfassten Schalldruck zu steuern. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist folglich eine Rückkopplung vorhanden, mittels welcher die Motorsteuerung den Propellermotor abhängig vom erfassten Schalldruck des Propellers steuert.In the aircraft drive according to the invention, the motor control is suitably designed to control the propeller motor as a function of the recorded sound pressure. In this further development of the invention there is consequently a feedback by means of which the motor control controls the propeller motor as a function of the recorded sound pressure of the propeller.
Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeugantrieb die Motorsteuerung ausgebildet, den vom Propeller verursachten Schalldruck im Voraus zu bestimmen und mittels destruktiver Interferenz zu reduzieren.In the aircraft drive according to the invention, the engine control is expediently designed to determine the sound pressure caused by the propeller in advance and to reduce it by means of destructive interference.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugantriebs ist die Motorsteuerung ausgebildet, den Propellermotor mit einer Grundfrequenz anzusteuern, um dem Propeller in Bewegung zu versetzen, wobei die Motorsteuerung ausgebildet ist, den Propellermotor mit verglichen mit der Grundfrequenz einer oder mehreren höheren Frequenzen, insbesondere höheren harmonischen Frequenzen, anzusteuern, um den Schalldruck des Propellers zu reduzieren. Mittels der höheren Frequenzen kann folglich die Reduzierung des vom Propeller verursachten Schalldrucks erfolgen, während mittels der Grundfrequenz maßgeblich die Drehfrequenz des Propellers festgelegt wird. Grundsätzlich muss die Motorsteuerung nicht einteilig ausgebildet sein, sondern der Betriff der Motorsteuerung kann grundsätzlich auch eine separate Steuerung zur Steuerung des Propellermotors mit der Grundfrequenz und eine weitere Steuerung mit der oder den höheren Frequenzen zur Reduzierung des Schalldrucks umfassen.In an advantageous further development of the aircraft drive according to the invention, the motor control is designed to control the propeller motor with a basic frequency in order to set the propeller in motion, the motor control being designed to control the propeller motor with one or more higher frequencies, in particular higher harmonic frequencies, compared to the basic frequency to control to reduce the sound pressure of the propeller. Using the The sound pressure caused by the propeller can consequently be reduced at higher frequencies, while the rotational frequency of the propeller is determined by means of the basic frequency. In principle, the engine control does not have to be designed in one piece, but the engine control can in principle also include a separate control for controlling the propeller motor with the basic frequency and a further control with the higher frequency or frequencies to reduce the sound pressure.
Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeugantrieb die Motorsteuerung ausgebildet, Frequenzen von zumindest 30 Kilohertz, bevorzugt 100 Kilohertz, idealerweise zumindest 300 Kilohertz, aufzuprägen.In the aircraft drive according to the invention, the engine control is preferably designed to apply frequencies of at least 30 kilohertz, preferably 100 kilohertz, ideally at least 300 kilohertz.
Der erfindungsgemäße Luftfahrzeugantrieb gemäß der Erfindung weist bevorzugt ein elektrisches Energiespeisemittel auf, welches den Propellermotor mit elektrischer Energie speist.The aircraft propulsion system according to the invention preferably has an electrical energy supply means which supplies the propeller motor with electrical energy.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeugantriebs weist der Luftfahrzeugantrieb, insbesondere die Motorsteuerung, einen Umrichter auf, welcher ausgebildet ist, einen Motorstrom des Propellermotors zu steuern.In an advantageous development of the aircraft drive according to the invention, the aircraft drive, in particular the motor controller, has a converter which is designed to control a motor current of the propeller motor.
Zweckmäßig weist bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeug der Umrichter ein Halbleitermodul auf.In the aircraft according to the invention, the converter expediently has a semiconductor module.
Bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeugantrieb ist das Halbleitermodul bevorzugt mit Galliumnitrid und/oder Aluminiumnitrid und/oder Diamant und/oder Silizium und/oder Siliziumkarbid gebildet. Gerade mit einem der vorgenannten Halbleitermodule können hinreichend hohe Modulationsfrequenzen erzeugt werden.In the aircraft propulsion system according to the invention, the semiconductor module is preferably formed with gallium nitride and / or aluminum nitride and / or diamond and / or silicon and / or silicon carbide. Sufficiently high modulation frequencies can be generated precisely with one of the aforementioned semiconductor modules.
Besonders geeignet weist bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeugantrieb das elektrische Energiespeisemittel einen elektrischen Energiespeicher oder eine elektrische Energiequelle auf.In the aircraft drive according to the invention, the electrical energy supply means particularly suitably has an electrical energy store or an electrical energy source.
Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug weist einen erfindungsgemäßen Luftfahrzeugantrieb wie zuvor beschrieben auf und ist insbesondere ein elektrisches oder hybridelektrisches Luftfahrzeug.The aircraft according to the invention has an aircraft drive according to the invention as described above and is in particular an electric or hybrid-electric aircraft.
Idealerweise ist das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ein Vertical-Take-Off-and-Landing-Flugzeug oder ein Short-Take-Off-and-Landing-Fahrzeug. Gerade bei den vorgenannten Luftfahrzeugen ist die Reduktion der Geräuschentwicklung besonders kritisch, sodass diese Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft breite Einsatzmöglichkeiten verspricht.Ideally, the aircraft according to the invention is a vertical take-off-and-landing aircraft or a short-take-off-and-landing vehicle. The reduction in the development of noise is particularly critical with the aforementioned aircraft, so that this further development of the invention advantageously promises a wide range of possible uses.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Minimierung eines Schalldrucks eines Luftfahrzeugs mit einem Flugzeugantrieb mit einem Propeller und einem an den Propeller angebundenen Propellermotor, insbesondere wie oben beschrieben, wird der Propellermotor derart angesteuert, dass ein durch die Bewegung des Propellers verursachter Schalldruck minimiert wird. Es versteht sich, dass der Begriff Schalldruck nicht zwingend den gesamten vom Propeller verursachten Schalldruck bezeichnen muss, sondern insbesondere auch einen anteiligen Schalldruck bezeichnen kann, welcher zeitlich oder spektral lokalisiert ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen solchen Schalldruck, welcher aus hörpsychologischen Gründen als überproportional laut wahrgenommen wird.In the method according to the invention for minimizing a sound pressure of an aircraft with an aircraft drive with a propeller and a propeller motor connected to the propeller, in particular as described above, the propeller motor is controlled in such a way that a sound pressure caused by the movement of the propeller is minimized. It goes without saying that the term sound pressure does not necessarily have to designate the entire sound pressure caused by the propeller, but in particular can also designate a proportion of the sound pressure which is localized in time or spectrally. This is preferably a sound pressure that is perceived as disproportionately loud for reasons of hearing psychology.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein erfindungsgemäßes hybridelektrisches Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Flugzeugantrieb mit einem Propeller und einem Propellermotor schematisch in einer Prinzipskizze, sowie -
2 zeitaufgelöste Darstellungen des Schalldrucks von Propeller und Propellermotor schematisch in einer Prinzipskizze.
-
1 a hybrid electric aircraft according to the invention with an aircraft drive according to the invention with a propeller and a propeller motor schematically in a schematic diagram, and -
2 Time-resolved representations of the sound pressure of the propeller and propeller motor in a schematic diagram.
Das in
Der Propellermotor
Der Propeller
Der Schall
Abhängig vom erfassten Schall
Der Propeller
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