DE102020118677A1

DE102020118677A1 - Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020118677A1
Application number: DE102020118677.0A
Authority: DE
Inventors: Jens-Ole Thoebel; Samantha Biedermann; Christian Wenzel
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: DE102020118677B4

Abstract

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Luftfahrzeug umfasst einen Rumpf, einen Mantelpropeller mit einem integrierten Elektromotor, einen radial vom Elektromotor abstehenden Ausleger (11) sowie elektrische Leitungen (13, 14); die Leitungen (13, 14) verlaufen zwischen dem Rumpf und dem Elektromotor durch den Ausleger (11); und der Ausleger (11) ist nicht als tragendes Strukturteil des Luftfahrzeuges ausgebildet.

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).
ITUB20155341A1 offenbart eine modulare Multifunktionsdrohne, die mit mehreren Auslegern versehen ist und mehrere Konfigurationen annehmen kann, die sich durch die Anzahl der Ausleger, die Anzahl der Motoren und Rotoren, die Landekapazität an Land oder auf dem Wasser voneinander unterscheiden. Die Drohne kann darüber hinaus für Freizeitaktivitäten oder zur Ausführung verschiedener Funktionen wie Fotografieren und Luftaufnahmen (zur Planung und Inspektion landwirtschaftlicher Aktivitäten, zur topografischen Vermessung oder Kontrolle eines überflogenen Gebiets, für die Inspektion von Ölpipelines, Gaspipelines, Strom- und Eisenbahnlinien, für die Überwachung von Gebäuden und die Kontrolle illegaler Bauarbeiten, für die Inspektion von historischarchäologischen Stätten, für Militär, Polizei, Küstenrettung und -überwachung, Fehlerbehebung bei Photovoltaikanlagen und Windtürmen, journalistische, touristische und kommerzielle Aktivitäten), zur Beförderung chemischer Sensoren (zur Luftqualitätskontrolle und zum Brandschutz) oder zur Unterstützung drahtloser Kommunikation verwendet werden.
US10093418B2 offenbart ein unbemanntes Luftfahrzeug mit einer Vielzahl von Auslegereinheiten, die jeweils einen Drehflügel, einen Motor und einen Auslegerhauptkörper aufweisen und lösbar mit einem Hauptkörper gekoppelt sind, welcher eine Vielzahl von Aufnahmen zum Koppeln mit den Auslegereinheiten aufweist, und eine Batterieeinheit, die lösbar mit dem Hauptkörper gekoppelt ist, um nach außen hin frei zu liegen, wobei mindestens ein Teil der Batterieeinheit nach außen hin freiliegt, wenn die Batterieeinheit mit dem Hauptkörper gekoppelt ist.
US20160144954A1 offenbart ein unbemanntes Luftfahrzeug mit motorischen Auslegerhaltern, die so konfiguriert sind, dass sie, wenn sie in ihren entsprechenden Auslegerhalter an der zentralen Nabe oder Halterung eingesetzt werden, in einem Winkel von 6 bis 10 Grad nach oben geneigt sind. Dadurch wird die gesamte Maschine relativ zur zentralen Nabe abgesenkt, wodurch das Luftfahrzeug „bodenlastiger“ wird und eine Pendelwirkung entsteht, die es im Flug stabilisiert.
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 in 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 dabei die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen beträchtlich zu reduzieren.
Die zur Versorgung und Überwachung des Mantelpropellers vorgesehenen elektrischen Leitungen verlaufen hierzu durch einen statischen Ausleger, sodass sie den Luftstrom nicht behindern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann der Ausleger auf einem additiv gefertigten Bauteil mit innenseitigen Aussparungen für die Leitungen beruhen. Die Kabel lassen sich auf diese Weise nahezu vollständig in den Ausleger integrieren.
An diesem Bauteil kann eine auf herkömmliche Weise gefertigte Abdeckung befestigt werden, welche dem Ausleger ein aerodynamisch günstiges Flügelprofil verleiht. Diese zweiteilige Bauweise gestattet es, die Kabel wahlweise nach der Montage des Motors zu verlegen, was den Fertigungsprozess flexibilisiert.
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
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt die perspektivische Ansicht einer Hubrotoreinheit.
2 zeigt eine Detailansicht des Stators ohne dessen Abdeckung.

Ausführungsformen der Erfindung
1 illustriert den Aufbau einer Hubrotoreinheit mit einem Elektromotor (10), der vom in 2 gezeigten Ausleger (11) getragen wird.
Den Grundkörper des Auslegers (11) bildet hierbei ein additiv gefertigtes, radial vom Elektromotor (10) abstehendes Bauteil (12), das sich in der vorliegenden Ausführungsform mit zunehmendem Abstand vom Elektromotor (10) leicht verjüngt. Der Sammelbegriff der generativen oder additiven Fertigung (additive manufacturing, AM) ist dabei in einem umfassenden Wortsinn zu verstehen, der jedwedes Pulverbett-, Freiraum-, Flüssigmaterial- oder anderweitige Schichtbauverfahren einschließt. In diesem Rahmen mögen auch Hybridmaschinen zum Einsatz kommen, die einen der genannten Ansätze mit Fräsen oder anderweitigen spanabhebenden Verfahren kombinieren.
Einschlägige Verfahren werden beispielsweise in den Richtlinien VDI 3404 und VDI 3405 dargestellt und umfassen selektives Laserschmelzen (SLM), Lasersintern (SLS) oder Wärmesintern (selective heat sintering, SHS) ebenso wie das Verfestigen von Pulverwerkstoffen mittels eines Binders (binder jetting) oder das sogenannte Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting, EBM). In Betracht kommen auch Schmelzschichten (fused deposition modeling, FDM), Auftragschweißen (cladding), das Aufschmelzen und schichtweise Auftragen von Wachs (wax deposition modeling, WDM), diverse Metallpulver-Auftragsverfahren (MPA), Kaltgasspritzen oder Elektronenstrahlschmelzen (electron beam welding, EBW). Zu denken ist schließlich an Stereolithografie (SLA), digitale Lichtverarbeitung (digital light processing, DLP), Flüssigimprägnierung (liquid composite moulding, LCM) oder anderweitige Schichtbauverfahren wie laminierte Objektherstellung (laminated object modeling, LOM), dreidimensionalen metallischen Siebdruck (3D screen printing) oder die sogenannte lichtgesteuerte elektrophoretische Abscheidung.
Auf diesem Wege ist das Bauteil (12) mit vier parallel verlaufenden Aussparungen versehen, die näherungsweise äquidistant in seine abbildungsgemäß linke Stirnfläche münden. Die oberen drei dieser Aussparungen erstrecken sich über etwa zwei Drittel der Länge des Bauteiles (12) in Richtung des Elektromotors (10) und dienen zur Führung jeweils eines zylindrischen Stromkabels (13). Eine vierte, sich nahezu bis zum Elektromotor (10) erstreckende Aussparung führt eine ebenfalls zylindrische Sensorleitung (14) geringeren Durchmessers und durchzieht das Bauteil (12) beinahe über seine vollständige Länge.
An drei Verbindungspunkten entlang seiner abbildungsgemäßen Unterkante ist eine lediglich in 1 dargestellte Abdeckung auf dem Bauteil (12) verschraubt, die geringfügig rechts von ihrer Mitte ihrerseits eine in die Unterkante mündende Aussparung aufweist. Durch diese Aussparung werden die drei Stromkabel (13) - abbildungsgemäß in Richtung des Betrachters - aus dem Ausleger (11) herausgeführt und mit dem Anschlusskasten des Elektromotors (10) verbunden. Wie die Darstellung erahnen lässt, verleiht die Abdeckung dem Ausleger (11) durch ihre verbleibende Oberfläche dennoch ein aerodynamisch günstiges Flügelprofil.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Elektromotor (10) als luftgekühlter Innenläufer mit integrierter Steuerung ausgeführt. Es versteht sich indes, dass in einer alternativen Ausgestaltung zum Beispiel ein Außenläufer oder eine Flüssigkeitskühlung zum Einsatz kommen mögen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Weitere exemplarische Optionen offenbart etwa DUFFY, Michael, et al. Propulsion scaling methods in the era of electric flight. In: 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS). IEEE, 2018. S. 1-23.
Der erfindungswesentliche Ausleger (11) ist hierbei beschädigungstolerant und nicht etwa als tragendes Strukturteil des Luftfahrzeuges ausgebildet. Als „Strukturteil“ in diesem Sinne gilt jedwedes Teil des Luftfahrzeuges, welches wesentlich zur Aufnahme von Flug-, Boden- oder Drucklasten beitragen und dessen Versagen zu einem Totalausfall des Luftfahrzeuges führen könnte. Auf diesem Wege kann der Ausleger (11) beispielsweise als lebenszeitbegrenztes Teil im Einklang mit der Luftverkehrsordnung ausgeführt werden, sodass sein Schaden oder Austausch nicht gegenüber den Luftfahrtbehörden meldepflichtig ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10093418 B2 [0004]
US 20160144954 A1 [0005]

Claims

Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug umfasst einen Rumpf, einen Mantelpropeller mit einem integrierten Elektromotor (10), einen radial vom Elektromotor (10) abstehenden Ausleger (11) sowie elektrische Leitungen (13, 14), - die Leitungen (13, 14) verlaufen zwischen dem Rumpf und dem Elektromotor (10) durch den Ausleger (11) und - der Ausleger (11) ist nicht als tragendes Strukturteil des Luftfahrzeuges ausgebildet.
Luftfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Ausleger (11) umfasst ein Bauteil (12) mit innenseitigen Aussparungen für die Leitungen (13, 14) und - der Ausleger (11) umfasst eine auf dem Bauteil (12) befestigte Abdeckung mit Flügelprofil.
Luftfahrzeug nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Bauteil (12) ist additiv gefertigt.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - die Leitungen (13, 14) umfassen Stromkabel (13) zum Speisen des Elektromotors (10) oder - die Leitungen (13, 14) umfassen eine Sensorleitung (14).
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 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: - der Elektromotor (10) umfasst eine integrierte Steuerung.
Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug ist wahlweise vollautonom steuerbar.