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Die Erfindung betrifft eine Flugdrohne, insbesondere eine Flugdrohne zum Güter und/oder Personentransport.
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Das immer weiter wachsende Bedürfnis nach individueller Mobilität stellt die vorhandene Infrastruktur auf eine schwere Probe. Das vorhandene zweidimensionale Wegenetz ist bereits stark belastet, eine weitere Zunahme von individuellen Transporten, beispielsweise von Güter- oder Personentransporten, könnte das Wegenetz überlasten.
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Eine Möglichkeit, dies zu verhindern stellt die Nutzung der dritten Raumdimension dar. So gibt es immer wieder Bestrebungen, als individuelle Transportlösung Flugdrohnen einzusetzen. Diese wendigen Luftfahrzeuge können unter Ausnutzung unterschiedlicher Höhen und Abkürzung direkter geodätischer Verbindungen von Start- und Endpunkt des Transports das Verkehrsaufkommen entzerren.
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Das zu transportierende Gewicht kann durchaus stattlich sein. Ein hohes zu transportierendes Gewicht zieht die Notwendigkeit nach sich, zum Flug hohe Schubkräfte bereitstellen zu müssen. Die Schubkräfte können entweder durch eine Vergrößerung der Anzahl oder der Flächen der Propeller der Flugdrohne oder durch die Verwendung von Strahltriebwerken vergrößert werden. Letztere Möglichkeit ist insbesondere beim Personentransport, aber auch beim Gütertransport unter Annäherung an Personen wegen einer möglichen Gesundheitsgefährdung durch die Strahltriebwerke nicht realisierbar.
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Typischerweise skaliert daher die Fläche des Grundrisses von Flugdrohnen mit deren auf das transportierbare Maximalgewicht bezogenen Leistungsfähigkeit. Viele zum Güter- oder Personentransport ausgelegte Flugdrohnen weisen somit einen großen Grundriss auf. Ein großer Grundriss ist jedoch nachteilig bei der Lagerung der Flugdrohnen, bei Start und Landung und im Begegnungsverkehr.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine Flugdrohne bereitzustellen, welche ein verbessertes Verhältnis von transportierbarem Maximalgewicht und Grundriss bietet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Flugdrohne, insbesondere Flugdrohne zum Güter- und/oder Personentransport, aufweisend einen Propeller und mehrere Luftauslässe, wobei Flügel des Propellers beim Flug der Flugdrohne eine horizontal angeordnete Propellerfläche überstreichend angeordnet sind, wobei beim Flug eine Projektion der Luftauslässe auf eine die Propellerfläche umfassende Horizontalebene innerhalb der Propellerfläche liegt. Mit anderen Worten überstreichen die Flügel eines Propellers der Drohne mehrere Luftauslässe, wobei der eine Propeller Luftströme durch mehrere Luftauslässe bewirkt. Die Propellerfläche, welche maßgeblich für die Größe des Grundrisses ist, lässt sich geringer gestalten, als wenn für jeden Luftauslass ein separater Propeller verwendet werden würde. Durch die Anordnung der Luftauslässe direkt unterhalb des Propellers ist ferner eine Strömungsführung mit nur wenig Verlusten, beispielsweise durch Umlenken oder Reibung, möglich. Im Flug wird die Flugdrohne zum einen durch eine Schubkraft, welche mit dem durch den Propeller erzeugten und durch die Luftauslässe geleiteten Luftströmung erzeugt wird, und zum anderen durch einen Unterdruck oberhalb des Propellers in vertikaler Richtung navigiert. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Flugdrohne mindestens drei Luftauslässe aufweist. Denkbar ist, dass die Luftauslässe entlang eines parallel zur Horizontalebene angeordneten Kreises angeordnet sind. Dazu ist vorzugsweise der Mittelpunkt des Kreises zur Flugdrohne in der horizontalen Ebene zentriert angeordnet. Denkbar ist, dass der Propeller zwei parallel zueinander angeordnete und sich beim Flug gegensinnig drehende Einzelpropeller aufweist. Die gegensinnig drehenden Einzelpropeller gleichen das durch die Einzelpropeller eingebrachte Drehmoment aus.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Projektion aller Luftauslässe der Flugdrohne auf die Horizontalebene innerhalb der Propellerfläche liegt. Dadurch ist auf vorteilhafte Weise ermöglicht, dass der Grundriss so weit wie möglich reduziert wird. Alle Luftauslässe werden von dem gleichen Propeller angeströmt, womit das Verhältnis von benötigter Fläche zu erzeugter Schubkraft maximiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Propeller in der Flugdrohne horizontal zentriert angeordnet ist. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise eine Ausnutzung des erzeugten Unterdrucks über dem Propeller zur Navigation in vertikaler Richtung ohne seitliches Verkippen der Flugdrohne ermöglicht. Gleichzeitig vergleichmäßigt sich die Verteilung der an den einzelnen Luftauslässen erzeugten Schubkraft.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flugdrohne einen Lufteinlass aufweist, wobei der Lufteinlass an der Flugdrohne horizontal zentriert angeordnet ist, wobei die Flugdrohne vorzugsweise nur einen Lufteinlass aufweist. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise ein optimiertes Anströmen des Propellers und eine vorteilhafte Ausnutzung des im Betrieb entstehenden Unterdrucks oberhalb des Propellers zur Navigation in vertikaler Richtung. Vorstellbar ist, dass eine Projektion des Lufteinlasses auf die Horizontalebene von der Propellerfläche umfasst wird. Denkbar ist aber auch, dass die Propellerfläche von einer Projektion des Lufteinlasses auf die Horizontalebene umfasst wird. Vorstellbar ist, dass der Lufteinlass eine Öffnung der Flugdrohne umfasst, wobei eine Haupterstreckungsebene der Öffnung parallel zur Horizontalebene angeordnet ist. Denkbar ist aber auch, dass der Lufteinlass eine Öffnung der Flugdrohne umfasst, wobei eine Haupterstreckungsebene der Öffnung winkelig, beispielsweise rechtwinkelig, zur Horizontalebene angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftauslässe verschwenkbar sind. Durch das Verschwenken der Luftauslässe kann eine Ausrichtung des Luftstromes durch die Luftauslässe erfolgen. Damit ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Flugdrohne in horizontaler Richtung zu navigieren, ohne dass die Flugdrohne dazu gekippt werden müsste.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftauslässe jeweils ein Ventil zum graduellen Einstellen eines Luftstromes durch den jeweiligen Luftauslass aufweisen, wobei die Ventile vorzugsweise Drosselklappen aufweisen. Durch das graduelle Einstellen des Luftstromes, also beispielsweise das Reduzieren eines Luftstromes, ist es möglich, die Flugdrohne in horizontaler Richtung zu navigieren. Dazu ist denkbar, dass die Luftauslässe zum Erzeugen eines Luftstromes in vertikaler Richtung ausgerichtet sind. Die Reduktion eines Luftstromes an einem Luftauslass bewirkt dann eine Kippbewegung der Flugdrohne in Richtung dieses Luftauslasses und somit eine Bewegung in Richtung des Luftauslasses. Denkbar ist aber auch, dass die Luftauslässe winkelig zur Vertikalen ausgerichtet sind, so dass ein Luftstrom mit einer Richtungskomponente in vertikaler Richtung und einer Richtungskomponente in horizontaler Richtung erzeugt wird. Hierdurch wird die Kippbewegung bei einer Drosselung des Luftstromes an einem Luftauslass reduziert und dennoch sehr effektiv eine Bewegung entlang der Horizontalebene bewirkt. Insbesondere ist vorstellbar, dass die Luftauslässe verschwenkbar sind und dass die Luftauslässe jeweils ein Ventil zum graduellen Einstellen eines Luftstromes durch den jeweiligen Luftauslass aufweisen, wobei die Ventile vorzugsweise Drosselklappen aufweisen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flugdrohne einen parallel zum Propeller angeordneten weiteren Propeller aufweist, wobei weitere Flügel des weiteren Propellers beim Flug der Flugdrohne eine horizontal angeordnete weitere Propellerfläche überstreichend angeordnet sind, wobei beim Flug eine Projektion der weiteren Propellerfläche auf die Horizontalebene der Propellerfläche entspricht, wobei ein vorgesehener Drehsinn des Propellers und ein weiterer vorgesehener Drehsinn des weiteren Propellers einander gegenläufig sind. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, ein durch die Drehung des Propellers erzeugtes Drehmoment durch Erzeugung eines dem entgegenstehenden Drehmoment durch Drehung des weiteren Propellers entgegenzuwirken. Denkbar ist, dass die Kompensation des Drehmomentes einstellbar ist, beispielsweise durch Einstellung unterschiedlicher Geschwindigkeiten des Propellers bzw. des weiteren Propellers, so dass die Flugdrohne geschwenkt werden kann. Vorzugsweise sind die Flügel mit einem Pitch und die weiteren Flügel mit einem weiteren Pitch angeordnet, wobei der weitere Pitch um 180° vom Pitch verschieden ist. Denkbar ist, dass der Propeller und der weitere Propeller von dem gleichen Motor angetrieben werden, wobei der Propeller mit einem Abtrieb des Motors verbunden ist und der weitere Propeller über ein Umkehrgetriebe mit dem Abtrieb des Motors verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flugdrohne eine Lastenplattform oberhalb des Lufteinlasses aufweist. Dadurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, Güter oder Personen sicher an der Flugdrohne anzuordnen. Denkbar ist, dass die Lastenplattform Befestigungshilfen aufweist. Denkbar ist, dass die Lastenplattform beispielsweise durch eine Mehrzahl von Stützen von dem Lufteinlass beabstandet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lufteinlass verschwenkbare Luftleitelemente aufweist. Hierzu ist es auf vorteilhafte Weise möglich, den durch den Propeller erzeugten Unterdruck räumlich zu steuern und so die Navigation der Flugdrohne entlang der Horizontalebene zu unterstützen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein sich horizontal erstreckender Grundriss der Flugdrohne eine Fläche von weniger als 200 % der Propellerfläche, vorzugsweise weniger als 150 % der Propellerfläche und insbesondere weniger als 110 % der Propellerfläche aufweist. Mit anderen Worten bestimmt sich der Grundriss der Flugdrohne in Wesentlichen durch die Propellerfläche. Der Propeller kann somit zur Erzeugung maximalen Auftriebes ausgelegt werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigen:
- 1 (a) (c) jeweils ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Flugdrohne und
- 2 einen Vergleich zwischen der Propellerfläche eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flugdrohne und den Einzelpropellerflächen von sieben Propellern, welche zur Erzeugung des gleichen Auftriebs nach dem Stand der Technik gebraucht werden, wie es bei dem gezeigten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flugdrohne der Fall ist.
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In der 1 (a) ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Flugdrohne 1 dargestellt. Die Flugdrohne 1 weist einen Propeller 2 auf, dessen Flügel im Betrieb der Flugdrohne eine in einer Horizontalebene H angeordnete Propellerfläche P überstreichen. Durch die Bewegung des Propellers 2 wird Luft in Bewegung gesetzt, welche von einem oberhalb des Propellers 2 angeordneten Lufteinlass 3 durch unter dem Propeller 2 angeordnete Luftauslässe 4 strömt.
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Die durch die Luftauslässe 4 strömende Luft erzeugt einen Schub, welcher die Flugdrohne 1 zum Fliegen antreibt. Neben dem Schub, welcher die Flugdrohne 1 in eine Richtung, beispielsweise nach oben, schiebt, wird der Flug der Flugdrohne 1 durch einen Unterdruck oberhalb des Propellers 2 unterstützt, von welchem die Flugdrohne 1 praktisch nach oben gesaugt wird. Durch eine bezogen auf die Horizontalebene H zentrale Anordnung des Propellers 2 wirkt der Unterdruck so, dass ein gerade nach oben gerichteter Sog die Flugdrohne 1 aufwärts zieht.
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Ein Problem bei Flugdrohnen 1, insbesondere bei solchen, welche zum Tragen schwerer Lasten konzipiert sind, ist die ausladende Fläche des Grundrisses der Flugdrohne 1. Bei der hier gezeigten Flugdrohne 1 sind die Luftauslässe 4 so angeordnet, dass sie sich alle unterhalb der Propellerfläche P befinden, dass also eine zweidimensionale Projektion aller Luftauslässe 4 auf die Horizontalebene H innerhalb der Propellerfläche 4 liegt.
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Zum Navigieren entlang der Horizontalebene H sind die Luftauslässe 4 verschwenkbar. Dadurch kann die Luftströmung und mit ihr der erzeugte Schub in eine Richtung geleitet werden, was ein Navigieren der Flugdrohne 1 ermöglicht, ohne dass diese insgesamt verkippt werden müsste. Ferner weisen die entlang eines in der Horizontalebene H angeordneten Luftauslässe 4 Ventile 5 auf. Mittels Drosselklappen 5 der Ventile 5 kann der Luftstrom durch jeden einzelnen Luftauslass 4 individuell graduell eingestellt werden. Dies ermöglicht zum einen eine Navigation entlang der Vertikalen und zum anderen kann die Flugdrohne 1 bei Bedarf gekippt werden.
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In der 1 (b) ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Flugdrohne 1 dargestellt. Die in Fig. (b) gezeigte Flugdrohne 1 weist alle Details und Merkmale der in 1 (a) gezeigten Flugdrohne 1, insbesondere die Anordnung der Luftauslässe 4 im Hinblick auf die Propellerfläche P des Propellers 2, den zentral über dem Propeller 2 angeordneten Lufteinlass 3 und die Ventile 5 mit den Drosselklappe 5 auf.
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Um eine durch das Drehmoment des Propellers 2 entstehende Drehbewegung der Flugdrohne 1 zu vermeiden, weist die Flugdrohne 1 einen weiteren Propeller 2 auf, dessen Flügel eine zur Horizontalebene H parallele weitere Propellerfläche P überstreichen. Die weitere Propellerfläche P und die Propellerfläche P sind gleichgroß. Der weitere Propeller 2 und der Propeller 2 drehen sich beim Flug in entgegengesetzten Richtungen. Hierdurch heben sich das durch den Propeller 2 erzeugte Drehmoment und das durch den weiteren Propeller 2 erzeugte Drehmoment gegenseitig auf. Die hier dargestellte Ausführungsform weist einen zweiten weiteren Propeller 2 auf, dessen Flügel eine parallel zur Propellerfläche P angeordnete zweite weitere Propellerfläche P überstreichen. Denkbar ist, dass mit diesem gezielt ein Drehmoment zu Drehen der Flugdrohne 1 erzeugt wird.
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In der 1 (c) ist ein zweites weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Flugdrohne 1 dargestellt. Die in Fig. (c) gezeigte Flugdrohne 1 weist alle Details und Merkmale der in 1 (a) gezeigten Flugdrohne 1, insbesondere die Anordnung der Luftauslässe 4 im Hinblick auf die Propellerfläche P des Propellers 2, den zentral über dem Propeller 2 angeordneten Lufteinlass 3 und die Ventile 5 mit den Drosselklappe 5 auf.
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Zusätzlich weist die hier dargestellte Flugdrohne 1 eine Lastenplattform 6 oberhalb des Lufteinlasses 3 auf. Die Lastenplattform 6 ist mit Stützen von dem Lufteinlass 3 beabstandet, so dass sich ein Luftstrom zwischen den Stützen hindurch zum Lufteinlass 3 hin einstellen kann.
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In 2 ist ein Vergleich zwischen der Propellerfläche P eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flugdrohne 1 und den Einzelpropellerflächen EP von sieben Propellern, welche zur Erzeugung des gleichen Auftriebs nach dem Stand der Technik gebraucht werden, wie es bei dem gezeigten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Flugdrohne 1 der Fall ist. Deutlich zu erkennen ist, dass der benötigte Grundriss für eine Flugdrohne mit sieben Propellern deutlich größer ist, als der Grundriss einer Flugdrohne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
