DE102020121030A1 - Luftfahrzeug und dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Luftfahrzeug weist Flügel mit integrierten Mantelpropellern (11-20) auf; und die Mantelpropeller (11-20) besitzen jeweils einen Mantel (11, 14) mit Aussparungen (20) sowie ein in die Aussparungen (20) gefügtes Leitgitter (12).Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Luftfahrzeuges.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug, sowie ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines solchen.
  • 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).
  • CN104691751A offenbart ein sicheres dreiecksgestütztes und leichtgewichtiges Mehrrotorflugzeug mit einer Zapfen- und Schlitzstruktur, das aus Rumpf, Rotoren, einem in der Mitte des Rumpfes angeordneten Flugsteuerungsmodul und einer integrierten kabelbaumartigen Anschlussleitung besteht. Der Rumpf umfasst eine horizontale Strukturplatte sowie eine Vielzahl leichter vertikaler Strukturplatten, die durch Zapfen und Schlitze zu einer dreieckigen Tragstruktur verbunden sind, deren Außenseite einen Rahmen bildet und dessen Innenseite in einem entgegengesetzten Winkel getragen wird. Die Rotoren sind an den äußersten Schnittpunkten der vertikalen Platten in vertikaler Richtung angeordnet, während die horizontale Platte mit der vertikalen Oberfläche des Rahmens verbunden ist und zur Befestigung verwendet wird. Eine Vielzahl von runden Rotorlöchern, die die Rotoren schützen und deren Durchmesser etwas größer sind als jene der Rotoren, sind in der horizontalen Platte ausgebildet, indem die Rotorantriebswelle als Kreismittelpunkt herangezogen wird. Schließlich ist eine Vielzahl von Zapfen am Berührungspunkt jeder vertikalen und der horizontalen Platte angeordnet, welche entsprechend mit Schlitzen versehen ist, die mit den Zapfen verbunden werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fahrzeugs gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt die Einsicht zugrunde, dass ein in urbanen Umgebungen einsetzbares VTOL-Luftfahrzeug Antriebseinheiten in unterschiedlichen Positionen und Ausrichtungen benötigt, die einerseits in der Lage sind, jede Flugphase (Start, Übergang, Reiseflug und Landung) zu bewältigen, andererseits aber eine handhabbare Anzahl an Einzelteilen nicht überschreiten.
  • Für den Auftrieb des Luftfahrzeuges sind hierbei anstelle eines freifahrenden Rotors in die Tragfläche integrierte Mantelpropeller (ducted fans) vorgesehen, wie sie abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt sind. Das zylindrische Gehäuse des Luftkanales (duct) - nachfolgend als Mantel bezeichnet - mindert die infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen eines derartigen Mantelpropellers auftretenden Schubverluste.
  • Erfindungsgemäß ist dieser Mantel mit Aussparungen versehen, die es erlauben, ihn modular - also nach einem Baustein- oder Baukastenprinzip - mit einem für die Verbauungsvariante und Drehrichtung des jeweiligen Propeller-Antriebes optimierten Leitgitter (stator) zu versehen. Dasselbe Konzept kann bei weiteren Verbauungsvarianten zum Einsatz kommen, sodass Mäntel und spezifische Leitgitter beliebig kombiniert werden können, um Kosteneinsparungen zu erzielen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So können die Leitgitter stoffschlüssig in die Aussparungen gefügt und insbesondere in diese eingeklebt sein. Durch den Einsatz einer solchen universellen „Klebegarage“ an den Gehäusen können die spezifischen Stator-Varianten in verschiedenen Ausführungen kostengünstig hergestellt und universell eingesetzt werden.
  • Figurenliste
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
    • 1 zeigt die isometrische Ansicht eines Flügels mit teiltransparenter Beplankung und Außenhaut.
    • 2 zeigt die isometrische Ansicht der Mantelpropeller des Flügels ohne Motor.
    • 3 zeigt eine der 2 entsprechende Ansicht aus einer erhöhten Perspektive.
    • 4 zeigt die isometrische Ansicht eines Propellers mit teiltransparentem Ein- und Auslauf.
    • 5 zeigt die Vorderansicht zweier Mantelteile in zwei unterschiedlichen Verbauungsvarianten.
    • 6 zeigt die isometrische Ansicht eines Mantels und Leitgitters in einer der Varianten gemäß 5.
    • 7 zeigt die erfindungsgemäße Fügeverbindung des Mantels und Leitgitters im Detail.
    • 8 zeigt die isometrische Ansicht eines Mantels und Leitgitters in der anderen Variante gemäß 5.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 illustriert den Aufbau eines Flügels (10) für ein wahlweise vollautonom oder manuell gesteuertes Luftfahrzeug, der durch Holme und Rippen näherungsweise in Quadranten unterteilt ist. In drei dieser Quadranten ist jeweils ein Mantelpropeller integriert, dessen innerhalb des Mantels (11) angeordnetes Leitgitter (12) einen zentralen Elektromotor (13) trägt. Die drei zylindrischen Elektromotoren (13) sind hierzu radial mit dem jeweiligen Leitgitter (12) derart verschraubt, dass dessen aus carbon- oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigte Streben den Elektromotor (13) in achsen- und drehsymmetrischer Anordnung von gegenüberliegenden Seiten abzustützen vermögen.
  • In der dargestellten Konfiguration verlaufen zwei der Streben jedes Leitgitters (12) parallel zueinander in der Anströmrichtung des Flügels (10) und flankieren den zugehörigen Elektromotor (13) tangential. Je zwei an diese Wangen gefügte Balken ergänzen sich mit den diametral zum Motor (13) gegenüberliegenden Balken der jeweils anderen Wange zu einem Andreas- oder Schrägkreuz und steifen den Elektromotor (13) derart aus, dass das Leitgitter (12) alle Horizontalkräfte in der Motorebene aufnimmt. Wie die Abbildung andeutungsweise erkennen lässt, weisen die Streben des Leitgitters (12) hierzu eine Breite auf, welche in etwa der Höhe des Elektromotors (13) entspricht.
  • Die 2 und 3 verdeutlichen die unterschiedlichen Verbauungsvarianten (X, Y) des Mantels (11). Diese Variantenbildung wird durch das in 4 anhand der Verbauungsvariante Y und in 5 durch die Gegenüberstellung der Varianten X und Y dargestellte Baukastensystem ermöglicht: Der Mantel (hier: 11, 14) setzt sich aus Einlaufbereichen (11) und Auslaufbereichen (14) zusammen, die durch einen umlaufenden Ring (17, 18, 19 - 4) versteift werden.
  • 6 lenkt das Augenmerk des Betrachters anhand eines exemplarischen Mantels (hier: 11, 14, 19) der Verbauungsvariante Y auf die erfindungswesentliche Fügeverbindung des Leitgitters (12). Hierzu weisen die Auslaufbereiche (14) des Mantels (11, 14, 19) der vorliegenden Ausführungsform zwei Paare jeweils diametral gegenüberliegender Aussparungen (20) auf, in welche das zugehörige Leitgitter (12) abbildungsgemäß von unten eingefügt werden kann.
  • 7 veranschaulich diesen Fertigungsschritt in einer Detaildarstellung. Die gezeigte Aussparung (20) besitzt - in dieser Ansicht deutlich erkennbar - näherungsweise die Form eines gleichschenkligen Trapezes, dessen längere Grundseite in die abbildungsgemäße Unterkante des Auslaufbereiches (14) mündet. Die in diese Aussparung einzufügende Strebe des Leitgitters (12) besitzt eine komplementäre Form, die es gestattet, das unterhalb des Auslaufbereiches (14) platzierte Gitter (12) entlang der Mittelachse des Mantels aufwärts mit diesem zusammenzufügen und in dessen Aussparungen (20) einzukleben.
  • Der Vorteil dieses Ansatzes erschließt sich in einer Zusammenschau mit der 8: Dank der zwischen allen Verbauungsvarianten (X, Y) übereinstimmenden Trapezform der Aussparungen (20) kann ein baugleiches Leitgitter (12) in den Auslaufbereich (14) eines Mantels (11, 14, 19) der Variante Y gefügt werden.
  • Die einzelnen Mäntel (11, 14) der Propeller können beispielsweise aus Wabenkernen mit Einlegern (inserts) zusammengesetzt und daraufhin vorzugsweise mehrlagig mit CFK beschichtet werden. Hierunter ist im vorliegenden Zusammenhang jedweder Verbundwerkstoff zu verstehen, bei dem Kohlenstofffasern in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind, welche zur Verbindung der Fasern sowie zum Füllen der Zwischenräume dient. Als Matrix kommen hierbei neben herkömmlichem Epoxidharz auch anderweitige Duroplaste oder Thermoplaste in Betracht, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist der Elektromotor (13 - 1) als luftgekühlter Innenläufer mit integrierter Steuerung ausgeführt. Es versteht sich, 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.
  • 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
    • CN 104691751 A [0003]

Claims (10)

  1. Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug weist Flügel (10) mit integrierten Mantelpropellern (11-20) auf und - die Mantelpropeller (11-20) besitzen jeweils einen Mantel (11, 14) mit Aussparungen (20) sowie ein in die Aussparungen (20) gefügtes Leitgitter (12).
  2. Luftfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Leitgitter (12) sind stoffschlüssig in die Aussparungen (20) gefügt.
  3. Luftfahrzeug nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Leitgitter (12) sind in die Aussparungen (20) geklebt.
  4. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Mantelpropeller (11-20) weisen unterschiedliche Verbauungsvarianten (X, Y) des Mantels (11, 14) auf und - die Aussparungen (20) besitzen eine zwischen allen Verbauungsvarianten (X, Y) übereinstimmende Form.
  5. Luftfahrzeug nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Form ist ein gleichschenkliges Trapez und - die Aussparungen (20) sind paarweise an diametral gegenüberliegenden Positionen des Mantels (11, 14) angeordnet.
  6. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Mantelbereiche (11, 14) weisen jeweils einen umlaufenden Steifigkeitsring (17, 18, 19) auf.
  7. Luftfahrzeug nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Mäntel (11, 14) setzen sich jeweils aus Einlaufbereichen (11) und Auslaufbereichen (14) zusammen und - die Auslaufbereiche (14) tragen die Steifigkeitsringe (17, 18, 19) und weisen die Aussparungen (20) auf.
  8. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Mäntel (11, 14) weisen Wabenkerne mit Einlegern auf und - die Mäntel (11, 14) sind mehrlagig mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff beschichtet.
  9. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Mantelpropeller (11-20) weisen einen vom Leitgitter (12) getragenen Elektromotor (13) auf.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Luftfahrzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Leitgitter (12) werden in die Aussparungen (20) der Mäntel (11, 14) gefügt und - die Mantelpropeller (11-20) werden in unterschiedlichen Einbaulagen in die Flügel (10) eingesetzt.
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