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Die Erfindung betrifft ein Fluggerät, umfassend einen Rumpf und wenigstens zwei daran peripher angebrachte Hauptrotoren, welche ein senkrechtes Starten und Landen des Fluggerätes (2) ermöglichen. Sie betrifft weiterhin ein entsprechendes Betriebsverfahren.
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Die Geburt der elektrischen vertikal startenden und landenden (eVTOL) Fluggeräte hat zu einer Vielzahl von neuen Konzepten des urbanen Transportwesens und Verkehrs geführt. Wesentlich zur Bereitstellung der Funktionalitäten des senkrechten Startens und Landens sind entsprechende Rotoren bzw. Propeller.
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Die Größe, Anzahl und Position der Rotoren bzw. Propeller eines eVTOL haben einen großen Einfluss auf die Energieeffizienz und die Geräuschreduzierung des Fluggeräts und sind die entscheidenden Faktoren zur Erlangung der Zertifizierung durch die Flugsicherheitsbehörden wie z.B. EASA und FAA. Derzeit existieren dazu verschiedene Konzepte.
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Zum Beispiel können vier Rotoren in den vier Eckbereichen eines eVTOL angeordnet werden, die in verschiedenen Flugszenarien für den notwendigen Auftrieb und Vortrieb sorgen. Nachteilig bei diesem Konzept, ist, dass bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall eines der Eckrotoren sicheres bzw. zielsicheres Starten oder Landen nicht möglich ist.
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In weiteren Ausführungen weist das eVTOL einen großen Hauptrotor auf, der in der Mitte des Rumpfes und im Wesentlichen im Schwerpunkt des Fluggerätes angeordnet ist, wobei vier kleine Propeller an den Enden der Tragflächen oder den Winglets vorgesehen sind. Der Hauptrotor sorgt im Wesentlichen für den Auftrieb beim Starten und Landen des Fluggeräts, während die vier kleinen Rotoren hauptsächlich zur Balance des Fluggerätes dienen. Nachteilig hierbei ist, dass bei einem Ausfall des Hauptrotors sicheres bzw. zielsicheres Starten oder Landen nicht möglich ist.
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Aus der
WO 2020/141513 A2 ist ein vertikal startendes und landendes Fluggerät bekannt, welches Rotoren aufweist, die am Rumpf bzw. den Flügeln angeordnet sind.
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Die
DE 10 2015 001 704 B5 beschreibt ein senkrechtstartfähiges Fluggerät mit einer Tragestruktur, die einen Rumpf und zwei Pylonen umfasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fluggerät bereitzustellen, welches verbesserte, insbesondere sichere, leisere und angenehmere Flugeigenschaften aufweist. Weiterhin soll ein entsprechendes Betriebsverfahren bereitgestellt werden.
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In Bezug auf das Fluggerät wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens ein Zusatzrotor vorgesehen ist, welcher im Wesentlichen zentral am Schwerpunkt des Rumpfes und/oder Fluggerätes angeordnet ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Sicherheit, Energieeffizienz und Geräuschpegel wesentliche Anforderungen sind, die es zu erfüllen geht, damit eVTOL Fluggeräte eine Zertifizierung erhalten, eine breite Akzeptanz finden und der der urbane Verkehr transformiert werden kann. Bisherige Konzepte erfüllen diese Anforderungen bisher nur ungenügend.
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Wie nunmehr erkannt wurde, können diese Anforderungen erfüllt werden, indem das Fluggerät vier in den Ecken des Fluggeräts angeordnete Rotoren und wenigstens einen im Wesentlichen zentral am Rumpf angeordneten Zusatzrotor aufweist.
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Die Hauptrotoren, bevorzugt zusammen mit dem Zusatzrotor, ermöglichen ein senkrechtes Starten und Landen und die Manövrierbarkeit des Fluggerätes. Durch den Zusatzrotor kann bedarfsweise Auftrieb erzeugt werden, sodass dieses nicht zu jedem Zeitpunkt von den vier Eckrotoren erzeugt werden muss, die damit überwiegend zum Manövrieren des Fluggerätes verwendet werden können.
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Vorteilhafterweise sind zwei koaxial zueinander und voneinander beabstandet angeordnete Zusatzrotoren vorgesehen. Bei der Verwendung von zwei Rotoren kann ein gegenüber nur einem Rotor ca. doppelt so großer Schub erzeugt werden. Gleichzeitig wird eine Redundanz geschaffen. Fällt einer der beiden Zusatzrotoren aus, kann noch Schub mit Hilfe es zweiten Zusatzrotors erzeugt werden. Die Zusatzrotoren werden dabei bevorzugt unabhängig voneinander angetrieben. Sie drehen bevorzugt in entgegengesetzten Drehrichtungen.
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Der wenigstens eine Zusatzrotor weist bevorzugt einen gleich großen und/oder kleineren Durchmesser als die Hauptrotoren auf. Durch den kleineren Durchmesser kann Bauraum im Rumpf gespart werden.
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In einer Vortriebsphase kann der Wind in den Tunnel von dem Zusatzrotor eindrängen, großen Lärm erzeugen und den Rotor möglicherweise beschädigen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher oben und/oder unten am Rumpf jeweils wenigstens eine Abdeckvorrichtung vorgesehen, durch die der jeweilige Zusatzrotor bzw. der Raum, in dem er angeordnet ist, bedarfsweise verschlossen werden kann.
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In einer ersten bevorzugten Ausführung ist die Abdeckvorrichtung als wenigstens eine Blende ausgeführt in der Art einer Blende eines Fotoapparates.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführung ist die Abdeckvorrichtung als eine Anzahl oder Mehrzahl von Abdeckungen ausgebildet. Vorteilhafterweise bilden die Abdeckungen im geschlossenen Zustand jeweils einen Teil des Rumpfes bzw. ersetzen diesen. Zur Drehung der Abdeckungen ist bevorzugt wenigstens ein Elektromotor vorgesehen. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist ein gemeinsamer Elektromotor für die oberen Abdeckungen und ein weiterer gemeinsamer Elektromotor für die unteren Abdeckungen vorgesehen. In weiteren, bevorzugten Ausführungsformen kann für jede obere Abdeckung und/oder jede untere Abdeckung ein eigener Elektromotor für ihre Rotation vorgesehen sein.
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Die Abdeckungen sind jeweils bevorzugt drehbar zwischen einer Flugstellung und einer Verschlussstellung. In der Verschlussstellung sind die Abdeckungen im Wesentlichen bündig mit der Oberfläche des umgebenden Rumpfes bzw. den benachbarten Abdeckungen ausgerichtet. Bevorzugt sind sie gekrümmt ausgeführt mit einer Krümmung, die des Rumpfes entspricht, den sie ersetzen. In der Flugstellung sind sie derart ausgerichtet, dass der Luft tangential an ihnen entlangstreicht, sodass die Abdeckungen dem Luftstrom nur einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzen.
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Die Abdeckungen sind in ihrer Kontur bzw. ihrem Querschnitt bevorzugt so ausgebildet, dass ihre Randseiten im geschlossenen Zustand einen Kreis bilden. Im geöffneten Zustand geben sie auf diese Weise eine kreisrunde Öffnung über bzw. unter den jeweiligen Rotor frei.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind an jeder Seite des Rumpfes genau zwei Hauptrotoren angebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Hauptrotoren zwei Vorderrotoren und zwei Hinterrotoren, wobei die Hinterrotoren und/oder die Vorderrotoren um eine Achse senkrecht zur Längsachse des Rumpfes drehbar sind. Durch die Drehung kann der jeweilige Rotor sowohl Auftrieb als auch Vortrieb leisten.
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Vorteilhafterweise umfasst das Fluggerät zwei Flügel, welche senkrecht zur Längsrichtung des Rumpfes ausgerichtet sind. Die Flügel leisten in der Flugphase Auftrieb, sodass die Rotoren weniger Auftrieb leisten müssen und die Rotorgeschwindigkeit verringert werden kann, wodurch Energie gespart wird und die Rotorengeräusche verringert werden.
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Die Flügel umfassen bevorzugt jeweils ein Gelenk, an dem der jeweils äußere Flügelteil hochklappbar ist. Das jeweilige Gelenk weist bevorzugt einen elektrischen Motor auf, der von einer Steuer- und/oder Regeleinheit des Fluggerätes ansteuerbar ist. Gelenk und Motor sind Teil einer Klappeinheit für den Flügel, die derart konfiguriert ist, dass sie bedarfsweise den jeweiligen Flügel von einer vollständig hochgeklappten Konfiguration zu einer vollständig ausgeklappten, d.h. geraden bzw. ausgestreckten Konfigurationen überführen kann. Bevorzugt sind bei einem Start des Fluggerätes die Flügel in der vollständig hochgeklappten Position. Im normalen Flugbetrieb sind die Flügel bevorzugt seitwärts ganz ausgeklappt.
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Nach dem Aufstieg bzw. Abheben des Fluggeräts werden bevorzugt, sofern genügend Platz vorhanden ist, die Flügel, vorteilhafterweise vollständig, ausgeklappt. Die Heckrotoren werden nach vorne gedreht mit einem Winkel bis zu 90°. Wenn das Fluggerät einen stabilen Flugmodus angenommen hat, wird bevorzugt der jeweilige Zusatzrotor ausgeschaltet. Beim Landen des Fluggerätes werden diese Schritte vorteilhafterweise in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt.
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In Bezug auf das Verfahren wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beim Starten und/oder Landen des Fluggerätes der wenigstens eine Zusatzrotor angesteuert wird.
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Vorteilhafterweise wird im Flugbetrieb in einer Rückfallebene bei der Fehlfunktion oder Ausfalls wenigstens eines Hauptrotors der wenigstens eine Zusatzrotor zum Ausgleich dieses wenigstens einen Hauptrotors angesteuert.
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Im Flugbetrieb wird bevorzugt während des Drehens von wenigstens zwei Hauptrotoren der wenigstens eine Zusatzrotor zum Erreichen oder Halten einer gewünschten Flughöhe und/oder Flugstabilität angesteuert wird.
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Vorteilhafterweise wird im Flugbetrieb bei einem Ausweichmanöver der Zusatzrotor angesteuert zum Erreichen oder Halten einer gewünschten Flughöhe.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass bei Verwendung des wenigstens einen Zusatzrotors bei Start- und Landevorgängen ein zusätzlicher Auftrieb erzeugt werden kann, sodass die Rotationsgeschwindigkeit der Hauptrotoren reduziert werden kann, wodurch der Geräuschpegel des Fluggeräts reduziert werden kann. Bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktionen eines Hauptrotors kann mit Hilfe des Zusatzrotors ein sicheres Starten bzw. Landen gewährleistet werden.
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Beim Ausweichen vor Hindernissen kann mit Hilfe des Zusatzrotors schnell durch ein Ausweichmanöver reagiert werden, da die Hauptrotoren zur Richtungsänderung eingesetzt werden können und der notwendige Auftrieb von dem Zusatzrotor geleistet werden kann. Die Wahrscheinlichkeit von Unfällen wird verringert, und ein sicherer Flug wird ermöglicht.
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Durch die Verwendung der Zusatzrotoren können die Hauptrotoren leichter gekippt werden, da der jeweilige Zusatzrotor ein Teil des Gewichtes des Fluggerätes kompensiert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
- 1 ein Fluggerät in einer seitlichen Ansicht;
- 2 das Fluggerät gemäß 1 in einer Ansicht von oben;
- 3 das Fluggerät gemäß 1 in einer Vorderansicht;
- 4 das Fluggerät gemäß 1 in einer seitlichen Ansicht;
- 5 das Fluggerät gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben;
- 6 das Fluggerät gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten; und
- 7 das Fluggerät gemäß 1 in einer Ansicht von unten.
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Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein in den 1 und 2 dargestelltes Fluggerät 2 weist einen Rumpf 6 auf, an dem peripher, insbesondere an seinen gedachten Ecken, vier Hauptrotoren, nämlich zwei Vorderrotoren 8 und zwei Hinterrotoren 10 angebracht sind. Der Rumpf 6 weist an seinem Heck eine Heckflosse 14 auf, an der ein Seitenruder 16 angebracht ist. Das Fluggerät 2 weist ein Fahrwerk 20 mit Rollen 24 auf. In einer Längsrichtung 30 gesehen sind zwischen den Rotoren 8, 10 jeweils seitlich am Rumpf 6 Flügel 34 angebracht, wobei jeweils an einem Gelenk 40 ein äußerer Flügelteil 44 hochklappbar ist. Wie in 2 erkennbar, weisen die äußeren Flügelteile 44 Winglets 50 auf. Die beiden Hinterrotoren 10 sind jeweils nach vorne und vorteilhafterweise auch nach hinten um eine Achse senkrecht zur Längsachse drehbar. In der hier gezeigten bevorzugten Ausführung des Fluggerätes 2 sind nur die Hinterrotoren 10 und nicht die Vorderrotoren 8 drehbar. In anderen, bevorzugten Ausführungsformen können auch die Vorderrotoren 8 drehbar sein.
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Die Hauptrotoren 8, 10 sind jeweils bevorzugt durch einen Schaft am Rumpf angebracht. Die Rotoren 8, 10 werden gedreht, wenn die Schäfte durch jeweils einen elektrischen Motor gedreht werden. Die relativen Winkel zwischen den Rotoren 8, 10 und dem Rumpf 6 und auch die Drehgeschwindigkeit der Rotoren 8, 10 nach vorne oder nach hinten werden durch die elektrischen Motoren, die die entsprechenden Schäfte drehen, gesteuert.
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Das Fluggerät 2 weist wenigstens einen am Rumpf 6 angeordneten Zusatzrotor 60 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist genau ein Zusatzrotor 60 vorgesehen. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform können zwei koaxial und in vertikalem Abstand zueinander angeordnete Zusatzrotoren 60 vorgesehen sein. Der Zusatzrotor 60 ist im Wesentlichen am Schwerpunkt des Fluggerätes 2 angeordnet, sodass seine Betätigung kein oder nur ein sehr geringes Drehmoment auf das Fluggerät 2 ausübt.
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Wie in den 3-7 erkennbar ist, weist das Fluggerät oben am Rumpf 6 eine Abdeckvorrichtung 82 auf, welche obere Abdeckungen 80 auf, mit denen der jeweilige Zusatzrotor 60 bedarfsweise abgedeckt werden kann. Die Abdeckungen 80 werden bei Betrieb des jeweiligen Zusatzrotors 60 in die dargestellte Position gestellt. Die jeweilige Abdeckung 80 steht dabei bevorzugt senkrecht ab von dem Rumpf 6 bzw. senkrecht zu einem gedachten Tangentialraum auf dem Rumpf 6. In alternativer Ausführung können die Abdeckungen 80 auch im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sein. Wenn der Zusatzrotor 60 nicht verwendet wird, können die Abdeckungen 80 so gedreht werden, dass sie im Wesentlichen bündig mit dem Rumpf 6 ausgerichtet sind bzw. über dem Zusatzrotor 60 einen Teil des Rumpfes 6 bilden. Auf diese Weise kann der Zusatzrotor 60 bzw. der Raum, in dem er angeordnet ist, vor äußeren Einflüssen geschützt werden.
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An der Unterseite des Rumpfes 6 sind untere Abdeckungen 84 angeordnet,
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In der dargestellten Ausführungsform des Fluggerätes 2 sind jeweils sechs obere Abdeckungen 80 und sechs untere Abdeckungen 84 vorgesehen. In anderen bevorzugten Ausführungen der Abdeckvorrichtung 82 kann beispielsweise jeweils nur eine Abdeckung 80, 84 vorgesehen sein oder jeweils zwei Abdeckungen 80, 84 vorgesehen sein. Zur Drehung bzw. Rotation der oberen Abdeckungen 80 ist in einer ersten bevorzugten Ausführungsform ein gemeinsamer Elektromotor vorgesehen. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann auch für jede Abdeckung 80 ein separater Elektromotor vorgesehen sein. Diese Ausbildungen sind äquivalent auch für die unteren Abdeckungen 84 bevorzugt.
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Das Fluggerät 2 weist eine Steuer- und/oder Regeleinheit 66 zum Steuern und/oder Regeln der Rotoren 8, 10, 60 auf. Im Folgenden wird der Einsatz des Zusatzrotors 60 in verschiedenen flugdynamischen Situationen näher beschrieben. Beim Starten oder Landen des Fluggerätes 2 wird der Zusatzrotor 60 angesteuert und dabei seine Drehzahl erhöht, sodass er einen gewünschten Auftrieb für das Fluggerät 2 liefert.
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Beim Einsatz genau eines Zusatzrotors 60 mit einem Radius von ca. 70% des Radius der Hauptrotoren, also der Vorderrotoren 8 und der Hinterrotoren 10, und einer Rotations- bzw. Winkelgeschwindigkeit, die ca. 100-150% schneller ist als die der Hauptrotoren, kann ca. 5% bis 12% der Last auf den Hauptrotoren reduziert werden. Wenn der Radius ca. 100% des Radius der Hauptrotoren beträgt, kann er bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit ca. 20% der Last der Hauptrotoren reduzieren. Bei einer Verwendung von zwei Zusatzrotoren 60, abhängig von ihrer vertikalen Distanz, verdoppeln sich diese obigen Werten in etwa. Die konkreten Werte hängen natürlich u.a. ab von den konkreten Radien der Rotoren 8, 10, 60, der verwendeten elektrischen Motoren und dem Gesamtgewicht des Fluggerätes 2.
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Ebenso wird beim Landen der Zusatzrotor 60 aktiviert, um Auftrieb zu erzeugen. In beiden Fällen kann die Drehgeschwindigkeit der Hauptrotoren 8, 10 vermindert werden im Vergleich zu dem Fall ohne Zusatzrotor 60, sodass eine Geräuschreduktion des Fluggeräts 2 erzielt werden kann.
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Der Zusatzrotor 60 kann in einer Rückfallebene des Fluggeräts 2, in der einer oder mehrere der Hauptrotoren 8, 10 nicht mehr ihre ordnungsgemäße Funktion ausüben, zu einer Stabilisierung des Fluggeräts 2 genutzt werden. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 66 steuert dazu den Zusatzrotor 60 derart an, dass das Fluggerät 2 bei einer Landung auf der von dem Piloten gewünschten Höhe gehalten werden kann, sodass die noch funktionierenden Rotoren 8, 10 zur Stabilisierung der Lage des Fluggerätes 2 und zum Manövrieren zu einem sicheren Landeplatz verwendet werden können. Ebenso kann bei einem Ausfall von Hauptrotoren 8, 10 während des senkrechten Startvorganges mit Hilfe des Zusatzrotors 60 eine Höhenstabilisierung des Fluggerätes 2 bzw. ein instabiles Absacken vermieden werden, sodass eine sichere Notfalllandung eingeleitet werden kann.
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Im Flugbetrieb nach dem senkrechten Starten im Übergang zu einem vorwärts gerichteten Flug werden die Hinterrotoren 10 gedreht, sodass sie neben Auftrieb auch Vortrieb aufbringen. Um bei eVTOL-Fluggeräten ohne einen Zusatzrotor ein ungewolltes Absacken zu verhindern, muss in diesem Fall die Rotationsgeschwindigkeit der Rotoren erhöht werden, was zu einer instabilen Flugsituation und einem erhöhten Geräuschpegel führen kann. Da der jeweilige Zusatzrotor 60 die Last auf die andere Rotoren 8, 10 reduziert, können die Hinterrotoren 10 schneller und leichter nach vorne oder hinten drehen was einen schnellen Übergang von Auftrieb zu Vortrieb und vom Cruising bzw. Flugbetrieb zum Landen ermöglicht. Mit Hilfe des Zusatzrotors 60 kann auch Energie eingespart werden, da die Winkel und die Zeit dieses Übergangs (Starten nach Fliegen bzw. Fliegen nach Landen) reduziert werden kann. Bei dem hier vorgestellten Fluggerät 2 kann der zusätzliche Auftrieb mit Hilfe des Zusatzrotors 60 erfolgen, wodurch ein stabiler und für die Passagiere angenehmer Übergang von einer Hover-Situation zu einer Flugsituation geschaffen wird.
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Bei einem notwendigen Ausweichmanöver wird der Zusatzrotor 60 von der Steuer- und/oder Regeleinheit 66 angesteuert, um das Fluggerät 2 auf eine gewünschte Höhe zu bringen oder dort zu halten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020/141513 A2 [0006]
- DE 102015001704 B5 [0007]
