DE102020113490A1

DE102020113490A1 - Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020113490A1
Application number: DE102020113490.8A
Authority: DE
Inventors: Malte Rotermund; Guan Chew; Michael Fuerstner; Stefan Bender; Mikel Fauri
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: EP4153477A1; WO2021233573A1; CN115605397A; US20230257104A1; DE102020113490B4

Abstract

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Luftfahrzeug weist eine Tragfläche (10) mit einem integrierten Mantelpropeller (20) auf; der Mantelpropeller (20) wird zumindest abschnittsweise von einer Zulauflippe umlaufen; und die Zulauflippe weist bugseitig eine flache Krümmung und heckseitig eine vergleichsweise starke Krümmung auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug.
Stand der Technik
Als VTOL wird in der Luft- und Raumfahrttechnik sprachübergreifend jedwede Art von Flugzeug, Drohne oder Rakete bezeichnet, welche die Fähigkeit besitzt, im Wesentlichen senkrecht und ohne Start- und Landebahn abzuheben und wieder aufzusetzen. Dieser Sammelbegriff wird nachfolgend in einem weiten Sinne verwendet, der nicht nur Starrflügelflugzeuge mit Tragflächen, sondern ebenso Drehflügler wie Hub-, Trag-, Flugschrauber und Hybride wie Verbundhub- oder Kombinationsschrauber sowie Wandelflugzeuge einschließt. Erfasst seien des Weiteren Luftfahrzeuge mit der Fähigkeit, auf besonders kurzen Strecken zu starten und zu landen (short take-off and landing, STOL), auf kurzen Strecken zu starten, aber senkrecht zu landen (short take-off and vertical landing, STOVL) oder senkrecht zu starten, aber horizontal zu landen (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).
DE 10 2009 048 201 A1 offenbart ein senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug, welches einen in den Rumpf integrierten, vertikal ausgerichteten Mantelpropeller mit Schubvektorschaufeln auf der Auslassseite aufweist. Die Austrittsöffnung des Hubpropellers wiederum weist quer zur Längsachse des Luftfahrzeuges gerichtete schwenkbare Lamellen auf, um die Richtung des austretenden Abgasstrahls zu beeinflussen. Diese Schubvektor-Steuerung ermöglicht es, Bewegungen um die Nickachse zu steuern.
WO 2016/066848 A1 betrifft ein Flugauto mit zwei ortsfesten Impellern und Jalousielamellen, die im Flugbetrieb zwischen den Impellerschächten zusammengerollt werden. Die Vortriebskraft wird durch die Verstellung der Lamellen erreicht.
GB 2 146 298 B beschreibt einen Düsenkanal, dessen Wände aus aneinander gelenkten Lamellen bestehen, die in Führungen geführt mit Seilzügen bewegt werden, um verschiedene Positionen längs der Führungen einnehmen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit.
Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt hierbei die Einsicht zugrunde, dass ein für Hub- und Reiseflug vorgesehenes VTOL-Luftfahrzeug Antriebseinheiten benötigt, die in der Lage sind, jede Flugphase (Start, Übergang, Reiseflug und Landung) zu bewältigen.
Zum Antrieb des Luftfahrzeuges ist daher anstelle eines freifahrenden Rotors ein die Tragfläche integrierter Mantelpropeller (ducted fan) vorgesehen, wie er abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt ist. Das den Propeller umgebende zylindrische Gehäuse vermag hierbei die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen beträchtlich zu reduzieren.
Einer Variante der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass ein Mantelpropeller für hub- und reiseflugfähige VTOL-Luftfahrzeuge bei Reiseflugbedingungen nicht nur geschlossen, sondern aerodynamisch abgedichtet sein sollte. Eine Möglichkeit, ein ebenmäßiges Schließprofil während des Übergangs herzustellen, besteht vor diesem Hintergrund darin, den Mantelpropeller insbesondere im Horizontalflug durch Lamellen (louvers) an Ein- und Auslauf abzudecken.
Ein weiterer Vorzug dieser Lösung neben der verbesserten Leistung liegt in einer ansprechenden Optik des Luftfahrzeuges, da dieses im Reiseflug keinen Blick auf die geöffneten Rotoren zulässt.
Auf der Saugseite des Mantelpropellers ist es besonders wichtig, einen optimierten Luftstrom zu gewährleisten und gleichzeitig die Möglichkeit zu schaffen, die integrierten Lamellen mit einem geeigneten kinematischen System zu öffnen und zu schließen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung eröffnet daher die Möglichkeit zur Betätigung der integrierten Einlauflamellen unter Beibehaltung der Grundfläche des runden Strömungskanals des Mantelpropellers, was für dessen Strömungsführungs- und -Umlenkfunktion (in den Strömungskanal) unerlässlich ist. Hierzu werden Stege genutzt, die sich aerodynamisch optimieren lassen.
Eine weitere Ausführungsform fußt ferner auf der Erkenntnis, dass das Tragflächenprofil im Reiseflug einen beträchtlichen Unterdruck oberhalb der Tragfläche und einen Überdruck unterhalb der Tragfläche erzeugt. Für den erfindungsgemäßen Mantelpropeller ist es daher zielführend, die obere Flügeloberfläche gegenüber der unteren Flügeloberfläche abzudichten, um einen Druckausgleich während des Reisefluges zu vermeiden.
Der Vorzug einer entsprechenden Ausführungsform liegt dementsprechend in der erreichten Abdichtung der Flügeloberseite von der Flügelunterseite bei minimaler Beeinträchtigung der äußeren Schalung, um die Leistung des flügelintegrierten Mantelpropellers geringstmöglich zu beeinträchtigen.
Eine weitere Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass solch ein flügelintegrierter Mantelpropeller für die Betriebsbedingungen des Schwebefluges, der Überleitung und des Reisefluges gleichermaßen tauglich sein sollte. Während der Überleitungsphase ist es wichtig, dass die Einheit gleichzeitig Auftrieb und Schub erzeugt. Dazu wird die Luft zweimal in einem Winkel von etwa 90° umgelenkt: zunächst um 90° in den die Tragfläche durchziehenden Kanal, um die Strömung mit dem eingebetteten Mantelpropeller zu beschleunigen, was durch die oberseitigen Strömungsführungslamellen unterstützt werden kann, und schließlich um 90° aus dem Tragflächenkanal heraus, um Vorwärtsschub zu erzeugen.
Letztere Umlenkung kann im Wege der Schubvektorisierung durch die Auslauflamellen begünstigt werden. Gleichzeitig profitiert der Mantelpropeller in der Tragfläche von der Verdichtung im Tragflächenkanal, die dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeug einen zusätzlichen Gesamtauftrieb verleiht. Die mögliche Kanalvergrößerung unterstützt somit den Gesamthub während des Schwebens und Überganges.
Einer weiteren Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass während der Beschleunigung im Übergangsbetrieb die Strömung (aufgrund der zunehmenden Freistrahlgeschwindigkeit um das Luftfahrzeug herum) nicht gleichmäßig entlang der Zulauflippe in den Kanal beschleunigt wird. Daher löst sich die Strömung zunächst am bugseitigen Rand des Mantelpropellers ab.
Der Vorzug einer entsprechenden Ausgestaltung liegt vor diesem Hintergrund in der verbesserten Verdichtung im Mantelpropeller während des Übergangs in den Reiseflug. Ferner verringert sie den Anteil turbulenter Luft, die während dieses Überganges vom Mantelpropeller angesaugt wird. Schließlich wird die Strömungsablösung an der bugseitigen Zulauflippe in Heckrichtung verlagert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann das Luftfahrzeug etwa mit abgeknickten oder gar wahlweise abknickbaren Tragflächen ausgestattet sein. Eine entsprechende Variante vergrößert die im Horizontalflug wirksame Flügelfläche, ohne aber die Standfläche des Luftfahrzeuges auszudehnen.
Ferner mag das Luftfahrzeug über ein schnell ladbares Batteriesystem verfügen, welches die Antriebsenergie für Senkrechtstart und -landung sowie Horizontalflug bereitstellt und eine kurzfristige Aufladung des Luftfahrzeuges im Stand ermöglicht.
Schließlich kommt - neben einem vorzugsweise vollautonomen Betrieb des Luftfahrzeuges - bei hinreichender Qualifikation auch die Einräumung einer manuellen Kontrolle an den menschlichen Piloten in Betracht, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größtmögliche Flexibilität in der Handhabung verleiht.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt den Querschnitt einer Tragfläche.
2 zeigt eine erste Einzelheit 15 der Darstellung gemäß 1.
3 zeigt eine zweite Einzelheit 16 der Darstellung gemäß 1.
4 zeigt Schweben und Übergang.
5 zeigt den Querschnitt der Tragfläche in einer abweichenden Darstellung.
6 zeigt eine erste Einzelheit 22 der Darstellung gemäß 5.
7 zeigt den Querschnitt einer Einlauflamelle der Tragfläche.
8 zeigt eine zweite Einzelheit 23 der Darstellung gemäß 5.
9 zeigt den Querschnitt einer weiteren Tragfläche, deren Einlauf- und Auslauflamellen sich in geöffneter Stellung befinden.
10 zeigt eine erste Einzelheit 25 der Darstellung gemäß 9.
11 zeigt eine zweite Einzelheit 26 der Darstellung gemäß 9.
12 zeigt den Querschnitt der Tragfläche, wobei Einlauf- und Auslauflamellen sich hier in geschlossener Stellung befinden.
13 zeigt eine erste Einzelheit 29 der Darstellung gemäß 12.
14 zeigt eine zweite Einzelheit 30 der Darstellung gemäß 12.
15 zeigt eine Draufsicht des Mantelpropellers der Tragfläche.
16 verdeutlicht exemplarisch ein Betätigungskonzept mit Drehantrieb.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt die Tragfläche (10) des Luftfahrzeuges im Profil. Wie die Abbildung erkennen lässt, wird die Tragfläche (10) senkrecht von einem Mantelpropeller (20) durchzogen, der an seiner abbildungsgemäßen Oberseite Einlauflamellen (13) und an seiner Unterseite Auslauflamellen (14) zur Strömungsführung aufweist. Die Auslauflamellen (14) lassen sich zusätzlich zur Schubvektorsteuerung und somit Navigation des Luftfahrzeuges einsetzen und sind darüber hinaus in der Lage, die Unterseite des Mantelpropellers (20) vollständig zu schließen.
Wie 2 verdeutlicht, dienen die Einlauflamellen (13) somit als Strömungsleitschaufeln, die in ihrer geöffneten Stellung (17) den Luftstrom in den Mantelpropeller (20) leiten. (Es versteht sich, dass insbesondere auf der Einlaufseite andere Schließmechanismen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.)
Die in 3 besser erkennbaren Auslauflamellen (14) dienen in entsprechender Weise als Schubvektorschaufeln zur Steuerung des Luftfahrzeugs und als Strömungsleitschaufeln, um die Strömung nach hinten abzulenken und beim Übergang von der Start- in die Reiseflugphase (vergleiche 4) einen zunehmenden horizontalen Schub zu erzeugen.
5 zeigt eine alternative Darstellung der Tragfläche (10), welche die Aufmerksamkeit des Betrachters auf zwei nachfolgend zu erläuternde Einzelheiten (22 - 6, 23 - 7) lenkt.
6 veranschaulicht die Abdichtung zwischen den Einlauflamellen (13) und der Zulauflippe des Propellermantels. Ebendiese weist hierzu eine den Mantelpropeller (20) zumindest teilweise umlaufende Zulauflippe mit einer biegsamen Zone (24) dergestalt auf, dass die geschlossenen Einlauflamellen (13) die Tragfläche (10) durch Andrücken an diese Zone (24) abdichten.
Die 7 und 8 verdeutlichen in ihrer Zusammenschau die Abdichtung zwischen den Vorder- oder Anströmkanten und Hinter- oder Abströmkanten der Einlauflamellen (13). Letztere weisen demnach jeweils an ihrer Abströmkante eine biegsame Zone (24) dergestalt auf, dass die geschlossenen Einlauflamellen (13) die Tragfläche (10) abdichten, indem sie die Abströmkante unter die Anströmkante der jeweils stromabwärts nachfolgenden Einlauflamelle (13) biegen.
9 zeigt eine Ausführungsform der Tragfläche (10), deren den Mantelpropeller (20) oberseitig umlaufende Zulauflippe aerodynamisch optimiert ist: Wie die Detaildarstellungen der 10 und 11 im Vergleich deutlich erkennen lassen, weist die besagte Zulauflippe hier bugseitig eine flache Krümmung (27) und heckseitig eine deutlich stärkere Krümmung (28) auf.
12 zeigt dieselbe Tragfläche (10), wobei die oberseitigen Einlauflamellen (13) und unterseitigen Auslauflamellen (14) sich nunmehr in vollständig geschlossener Stellung befinden. In der Reiseflugphase des Luftfahrzeuges wird auf diesem Wege ein Druckausgleich zwischen dem oberhalb der Tragfläche (10) herrschenden Unterdruck (11) und dem unterhalb der Tragfläche (10) herrschenden Überdruck (12) durch den Mantelpropeller (20) hindurch weitestgehend vermieden.
Wie 13 verdeutlicht, dienen die Einlauflamellen (13) somit als Strömungsleitschaufeln, die in ihrer geöffneten Stellung (17) den Luftstrom in den Mantelpropeller (20) leiten. (Es versteht sich, dass insbesondere auf der Einlaufseite andere Schließmechanismen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.)
Die in 14 besser erkennbaren Auslauflamellen (14) dienen in entsprechender Weise als Schubvektorschaufeln zur Steuerung des Luftfahrzeugs und als Strömungsleitschaufeln, um die Strömung nach hinten abzulenken und beim Übergang von der Start- in die Reiseflugphase einen zunehmenden horizontalen Schub zu erzeugen.
Als Stellmechanismus zumindest der Einlauflamellen (13) dienen hierbei in der vorliegenden Ausführungsform zwei den Mantelpropeller parallel überspannende Stege (21), deren Konfiguration in den 15 und 16 beleuchtet wird. Wie letztere Figur erkennen lässt, werden diese Stege (21) durch einen um 90° versetzten Rotationsaktuator (33) angetrieben, der außerhalb des Tragflächenkanales zwischen den Stegen (31) angeordnet ist. Zur Übersetzung dienen in der vorliegenden Ausführungsform zwei Planetengetriebe (35), die beidseitig an einer durchgehenden Welle des Rotationsaktuator (33) angreifen.
Jedem Steg (21) ist ein radialer Hebel (34) zugeordnet, welcher die vom Getriebe (35) übersetzte Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung überführt, die - vorliegend über ein Zwischenstück - eine Schubstange (32) antreibt. Diese wiederum trägt mehrere Lamellenhebel (31), denen jeweils eine der Lamellen (13) zugeordnet ist.
Beide Hebel (34) befinden sich im geschlossenen Zustand der Lamellen (13) vorzugsweise in einer selbsthemmenden Stellung, um ihrerseits keine Kräfte auf den Rotationsaktuator (33) auszuüben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009048201 A1 [0003]
WO 2016/066848 A1 [0004]
GB 2146298 B [0005]

Claims

Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug weist eine Tragfläche (10) mit einem integrierten Mantelpropeller (20) auf, - der Mantelpropeller (20) wird zumindest abschnittsweise von einer Zulauflippe umlaufen und - die Zulauflippe weist bugseitig eine flache Krümmung (27) und heckseitig eine vergleichsweise starke Krümmung (28) auf.
Luftfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Mantelpropeller (20) ist wahlweise mit einstellbaren Einlauflamellen (13) versehen.
Luftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Mantelpropeller (20) ist mit einstellbaren Auslauflamellen (14) versehen.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug weist einen vollelektrischen Antrieb auf.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst ein schnell ladbares Batteriesystem.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - der Mantelpropeller (20) ist im Wesentlichen waagerecht.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug umfasst im Wesentlichen senkrechte Propeller zum Erzeugen eines Vortriebes.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die senkrechten Propeller sind weitere Mantelpropeller.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Lamellen sind dazu eingerichtet, in einer Reiseflugphase des Luftfahrzeuges einen Druckausgleich zwischen einem oberhalb der Tragfläche (10) herrschenden Unterdruck und einem unterhalb der Tragfläche (10) herrschenden Überdruck durch den Mantelpropeller (20) hindurch zu vermeiden.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug ist wahlweise vollautonom steuerbar.