DE102020131131A1

DE102020131131A1 - Steuereinrichtung für ein seilgebundenes Fluggerät, Verfahren zur Steuerung und Fluggerät

Info

Publication number: DE102020131131A1
Application number: DE102020131131.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-05-27
Also published as: DE202019004810U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung und ein Verfahren zur Steuerung für ein seilgebundenes Fluggerät (2) mit einer Längsachse (15), die im Wesentlichen in einer Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, und mit einer Querachse (14), die im Wesentlichen quer zu der Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, wobei das Fluggerät (2) eine Halteseilanordnung (4) und ein erstes und ein zweites Steuerseil (5) umfasst, die das Fluggerät (2) in einer Flugposition mit der Steuereinrichtung (1) verbinden. Nach der Erfindung ist eine auf das erste und das zweite Steuerseil (5) zur Verstellung von deren Nutzlänge wirkende Steuerseilverstelleinrichtung vorgesehen, wobei die Steuerseilverstelleinrichtung eine Spreizeinrichtung (17) zum synchronen Verstellen der Nutzlänge des ersten und des zweiten Steuerseils (5) zwischen der Steuereinrichtung (1) und dem Fluggerät (2) durch Verlängerung eines Umlenkweges der Steuerseile (5) um Umlenkeinrichtungen (6, 7) umfasst, womit das Fluggerät (2) um eine Parallele zu seiner Längsachse (15) gekippt oder verformt wird, wobei die Steuerseilverstelleinrichtung weiterhin eine Auslenkeinrichtung (18) zum asynchronen Verstellen des ersten und des zweiten Steuerseils (5) umfasst, womit das Fluggerät (2) um seine Längsachse (15) gekippt oder verformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für ein seilgebundenes Fluggerät mit einer Längsachse, die im Wesentlichen in einer Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, und mit einer Querachse, die im Wesentlichen quer zu der Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, wobei das Fluggerät eine Halteseilanordnung und ein erstes und ein zweites Steuerseil umfasst, die das Fluggerät in einer Flugposition mit der Steuereinrichtung verbinden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines seilgebundenen Fluggeräts mit einer Längsachse, die quer zu einer Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, und mit einer Querachse, die längs zu der Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, wobei das Fluggerät eine Halteseilanordnung und ein erstes und ein zweites Steuerseil umfasst, die das Fluggerät in einer Flugposition mit der Steuereinrichtung verbinden. Die Erfindung betrifft ebenso ein seilgebundenes Fluggerät.
Derartige Fluggeräte werden für die Nutzung von Höhenwindenergie, zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Höhenwinden oder zum Bewegen von Wasserfahrzeugen großtechnisch genutzt. Aber ebenso aus dem Sportbereich sind seilgebundene Fluggeräte, auch als Drachen, Lenkdrachen oder Kite bezeichnet, bekannt und werden dort z. B. beim Kitesurfen eingesetzt. Wie auch andere 4-Leinen-Lenkdrachen eignen sich diese zum sportlichen Einsatz oder zum Bewegen kleinerer Fahrzeuge.
Die Ausrichtung des Fluggeräts erfolgt grundsätzlich mit der vorn angeordneten Spitze gegen den Wind, die Halteseilanordnung ist zumindest vorn und die Steuerseile hinten am Fluggerät befestigt. Die Halteseilanordnung kann ein oder mehrere Seile umfassen, die das Fluggerät mit einem ersten Ende in der Luft halten, und Kräfte, die auf das Fluggerät wirken, auf das zweite Ende der Halteseilanordnung, insbesondere in die Steuereinrichtung ableiten. Das Fluggerät wird dabei angeströmt wie eine Tragfläche. Der anströmende Wind ist ein Resultat aus vorhandenem Wind und der (zu steuernden) Eigenbewegung des Fluggeräts. Der dadurch erzeugte Sog bzw. Auftrieb erzeugt die eigentliche Zugkraft. Diese Kraft kann demzufolge auch seitlich zum Wind und schräg gegen den Wind erzeugt werden, wie bei einem kreuzenden Segelboot, wobei das Fluggerät aber immer von vorne angeströmt wird. Es kommen sowohl flexible als auch starre Fluggeräte in Betracht.
Die üblichen Einrichtungen zum Steuern von seilgebundenen Fluggeräten für die Nutzung von Höhenwindenergie werden manuell oder mechatronisch betrieben.
Manuell betätigte Systeme, wie z. B. beim Kitesurfen oder bei anderen 4-Leinen-Lenkdrachen, sind sehr einfach aufgebaut, dadurch sehr zuverlässig und effizient, stromunabhängig und bieten zudem ein hilfreiches haptisches Feedback. Ein Einsatz für die automatische Energieerzeugung oder zum Bewegen größerer Fahrzeuge, ist nicht möglich.
Mechatronisch arbeitende Systeme hingegen sind durch ihren komplexen Aufbau jedoch noch unverhältnismäßig teuer, störanfällig und abhängig von einer Stromversorgung.
Seilgebundene Fluggeräte sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2010 013 504 A1 , der Druckschrift US 10 012 208 B1 mit besonderem Verweis auf die 1 und 3 mit den Abs. [0031] - [0034]. Weitere derartige Fluggeräte sind in den Druckschriften DE 10 2017 206 419 A1 (vgl. 1, 2, Abs. [0025]), DE 20 2009 003 362 U1 (vgl. 1, Abs. [0011] - [0014]) und WO 2014/ 105 396 A1 (vgl. 1 + S. 13, Abs. 1) beschrieben.
Allgemein unterscheiden sich die bekannten technischen Lösungen in zwei Kategorien, entweder verbleibt die Steuertechnik am Boden oder die Steuertechnik hängt in einer Gondel am Fluggerät. Ein gutes Beispiel für eine Steuertechnik als Teil der Bodenstation ist die Lösung von EnerKite®. Deren Steuertechnik basiert, wie auch bei allen anderen Konstruktionen dieser Kategorie (z. B. FESTO®, Kite-Boat-Systems), auf mehreren Seilwinden. Jede der Leinen hat eine eigene Winde. Deren rechnergestützt koordinierte Auf- und Abwickelbewegung kann das Fluggerät steuern und Energie erzeugen bzw. ein Boot ziehen.
SkySails® ist ein etablierter Vertreter der fliegenden Steuersysteme. Wie bei den anderen Vertretern dieser Kategorie, wie z.B. Kitepower®, KPS®, AirSeas®, wird dabei ein gondelartiges Gerät unter dem Fluggerät für die Steuerung genutzt. Das bietet den Vorteil, dass die Einheit von Fluggerät und Gondel mit nur einer Leine, und somit nur einer Winde, ausgefahren bzw. eingeholt werden muss, was den Vorgang der Startens, Landens und der Energiegewinnung durch zyklisches Ein- und Ausfahren der Leine bzw. des Seils vereinfacht.
Die bodenbasierten Systeme müssen mehrere Winden koordinieren, wobei die einzelnen Winden mehrere Aufgaben gleichzeitig übernehmen müssen. Einfahren und Ausfahren der Leinen, gegenläufiges Bewegen der gespannten Steuerleinen, Detektierung und Übertragung der anliegenden Zugmomente, Erzeugung von Energie.
Das setzt eine aufwendige digitale Ansteuerung voraus und verbraucht relativ viel Energie. Der Vorteil ist, dass dafür auf ein fliegendes Steuergerät verzichtet werden kann. Die fliegenden Steuersysteme wiederum haben den Nachteil, dass deren Gondel mit Strom und Informationen versorgt werden muss, was wegen des großen Abstandes zur Bodenstation problematisch sein kann. Hinzu kommt deren Gewicht, Luftwiderstand und das Risiko einer Beschädigung bei einer Bruchlandung. Der Vorteil liegt bei der wesentlich einfacheren Handhabung mit nur einer Winde. Beide Systeme haben die Nachteile, dass sie sehr komplex sind und nur mit Stromzufuhr funktionieren. Sie sind abhängig sind von einer aufwändigen digitalen Struktur, deren Steuerimpulse nur zeitversetzt erfolgen können, und dass sie bei manueller Steuerung kein haptisches Feedback vermitteln.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuereinrichtung für ein seilgebundenes Fluggerät anzubieten, die einfach und funktionssicher aufgebaut ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinrichtung für ein seilgebundenes Fluggerät mit einer Längsachse, die im Wesentlichen in einer Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, und mit einer Querachse, die im Wesentlichen quer zu der Windströmungsrichtung ausgerichtet wird. Das Fluggerät umfasst auch eine Halteseilanordnung und ein erstes und ein zweites Steuerseil, die das Fluggerät in einer Flugposition mit der Steuereinrichtung verbinden. In der Flugposition befindet sich das Fluggerät, z. B. ein Drachen oder Kite, in der Luft und wird durch die Windströmung dort gehalten bzw. wird eine Zugkraft auf die Halteseile ausgeübt.
Nach der Erfindung ist bei der Steuereinrichtung eine auf das erste und das zweite Steuerseil wirkende Steuerseilverstelleinrichtung vorgesehen, die zur Verstellung der Nutzlängen der Steuerseile zwischen der Steuereinrichtung und dem Fluggerät dient. Die Nutzlänge ist die Länge der Steuerseile sowie auch der Halteseilanordnung zwischen der Steuereinrichtung und dem Fluggerät. Die Spreizeinrichtung verkürzt beide Steuerseile zugleich, insbesondere relativ zur Nutzlänge der Halteseilanordnung.
Das Kippen erfolgt bei einem starren Fluggerät, das Verformen bei einem flexiblen Fluggerät.
Die Steuerseilverstelleinrichtung umfasst eine Spreizeinrichtung zum synchronen Verstellen der Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils. Ein synchrones Verstellen oder Einstellen heißt dabei im Rahmen der gesamten vorliegenden Beschreibung nicht nur, dass dies zur selben Zeit erfolgt, sondern vor allem auch um denselben Betrag bzw. dieselbe Länge. Damit wird das Fluggerät um eine Parallele zu seiner Querachse gekippt oder, wenn es sich um ein flexibles Fluggerät handelt, verformt. Die Steuerseilverstelleinrichtung umfasst weiterhin eine Auslenkeinrichtung zum asynchronen Verstellen der Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils, womit das Fluggerät um seine Längsachse gekippt oder verformt wird.
Steuerung, Trimmung und die Einstellung der Flughöhe des Fluggeräts erfolgen mechanisch vom Boden aus. Das System arbeitet dabei in allen Betriebszuständen selbstregulierend. Die Fähigkeit zur Selbstregulation ist eine der entscheidenden Systemeigenschaften und wie folgt zu verstehen:

Beim Steuern von seilgebundenen Fluggeräten, im speziellen Vierleinerdrachen, gibt es zwei Extrempositionen der Steuerleinen:
1. a) Komplett entspannt und auftriebsarm, nachfolgend „Depower“ genannt: Die Steuerseile hängen durch und können kaum noch Steuerbefehle übertragen. Im Modus „Depower“ sind auch die Halteleinen sehr wenig gespannt, da das Fluggerät nur kraftlos im Wind gehalten wird und somit kaum Zug entwickeln kann. In diesem Zustand kann das Fluggerät senkrecht über der Steuerung in der Luft „geparkt“ werden, sollte dabei aber nicht zu stark „depowered“ sein, um nicht abzustürzen. Bezogen auf die erfindungsgemäße Steuerung tritt dieser Zustand bei minimierter Spreizung der Spreizeinrichtung, beispielsweise bei einem komplett eingedrückten Federelement, wie es nachfolgend beschrieben wird, ein. Das Fluggerät hat in dieser Position den geringsten Luftwiderstand.
2. b) Komplett angespannt und auftriebsstark, nachfolgend auch „Power“ genannt: Im „Power“-Modus sind die Steuerleinen mit der maximalen Kraft angezogen, die Spreizeinrichtung bzw. das Federelement ist voll ausgefahren. Dadurch stemmt sich das Fluggerät so stark wie möglich gegen den Wind und baut maximale Zugkräfte auf. Es hat dann aber auch seinen höchsten Luftwiderstand und kann sich demzufolge nicht mehr so schnell gegen den Wind bewegen.

Grundsätzlich kann also davon ausgegangen werden, dass die Zugspannung aller Seile im Zustand „Depower“ gering und beim Zustand „Power“ hoch ist. Je nach Situation (Start, Landung, Parken, Windstärke, Windrichtung, Typ des Fluggeräts etc.) bedarf es also einer geeigneten Einstellung zwischen den Extremen „Power“ und „Depower“, was über die Trimmfunktion, das Kippen um die Querachse, eingestellt werden soll.
Das einseitige Ziehen eines Steuerseils und das gleichzeitige Nachlassen des anderen Steuerseils ist vergleichbar mit der Wirkung des Querruders eines Flugzeuges. Aus dieser einseitigen Abregelung resultiert ein Lenkimpuls. Das Ziehen der Steuerseile wirkt nicht auf das gesamte Fluggerät, sondernd nur auf das hintere Drittel des „Flügels“. Da die meisten Zugkräfte im vorderen Drittel bei den Halteleinen anliegen, werden über die Steuerseile relativ wenige Kräfte übertragen.
Ein synchrones Ziehen beider Steuerseile hat bei einem starren Flügel ein Kippen um seine Querachse oder eine Parallele zur Querachse zur Folge, bei einem halbstarren oder flexiblen Fluggerät bewirkt es eher eine Verformung der Hinterkante nach unten. In beiden Fällen steigt der Luftwiderstand, das Fluggerät wird gebremst und somit „angepowered“. Das beidseitige Anziehen der Steuerseile ist in seiner Wirkung vergleichbar mit dem Anbremsen eines Paragliders bzw. mit dem Ausfahren der Landeklappen eines Flugzeuges.
Vorteilhafterweise bewirkt die Spreizeinrichtung eine einstellbare Verlängerung eines Umlenkweges der Steuerseile um Umlenkeinrichtungen, über die das Steuerseil läuft und umgelenkt wird. Mittels beweglicher Umlenkrollen werden die Steuerseile gegenüber feststehenden Umlenkrollen, bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Steuerseile, abgespreizt.
Die Spreizeinrichtung umfasst zur Einstellung der Verlängerung eine erste Antriebsanordnung. Diese umfasst beispielsweise ein Federelement, insbesondere eine Gasdruckfeder oder einen Druckluftzylinder, gegen dessen Feder- bzw.
Luftdruckkraft ein Federspannantrieb, z. B. ein Flaschenzug, beim Rückholen der Feder bzw. dem Einfahren des Kolbens wirkt. Das Federelement spreizt mittels daran angeordneter beweglicher Umlenkrollen die Steuerseile gegenüber feststehenden Umlenkrollen senkrecht zu ihrem Verlauf ab, vergrößert damit die Länge der Steuerseile innerhalb der Spreizeinrichtung und verkürzt zwischen Steuereinrichtung und Fluggerät die Steuerseile gegenüber wenigstens einer Umlenkeinrichtung, wie z. B. einer bzw. zwei Rollen für jedes Steuerseil.
Das Spreizen erfolgt gegen einen Anschlag, der die Expansion des Federelements begrenzt, bevorzugt beidseitig wirkt, einstellbar ist und damit das eingestellte Maß der Spreizung und die Nutzlängen der Steuerseile festlegt. Als Umlenkeinrichtungen sind für jedes Steuerseil eine oder mehrere, bevorzugt drehbare Umlenkrollen vorgesehen, über die das Steuerseil umgelenkt wird.
Eine alternative Ausführungsform der Spreizeinrichtung umfasst zwei Hebel, die mit der ersten Antriebsanordnung, bevorzugt einem Linearantrieb, in der Weise verbunden sind, dass die Hebel um ein Hebellager an einem ersten Ende jedes Hebels gekippt werden können. Ein zweites Ende jedes Hebels weist eine Umlenkeinrichtung zur Führung des ersten oder des zweiten Steuerseils auf. Der Abstand der zweiten Enden der Hebel und mit diesem die Spreizung der Steuerseile ist somit einstellbar. Die Hebel sind im Bereich des Hebellagers zur gegenläufigen, synchronen Schwenkbewegung, z. B. formschlüssig mit jeweils einem Zahnrad oder Zahnkranz, die miteinander in Eingriff stehen, bewegbar verbunden.
Eine weitere Alternative hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn für die Spreizeinrichtung zwei bewegliche Umlenkrollen vorgesehen sind und jede der beweglichen Umlenkrollen mit einer Zahnstange an deren erstem Ende verbunden ist, wobei die Zahnstangen in der Weise in Führungsbuchsen linear beweglich angeordnet sind. Die ersten Enden der Zahnstangen weisen voneinander weg, wobei Zähne der Zahnstangen mit einem Zahnrad in Eingriff stehen, das mit einem linear verfahrbaren Linearschlitten, der die Auslenkeinrichtung bildet, drehbar verbunden ist. Dadurch sind die Zahnstangen synchron gegenläufig und gemeinsam mit dem Linearschlitten verfahrbar.
Das erfindungsgemäße System begrenzt, unabhängig von der eingestellten Trimmung, die Spannung der Steuerseile. Wenn deren Spannung über ein bestimmtes Maß hinausgeht, werden diese durch das Nachgeben bzw. Einfedern des Federelementes automatisch in die Länge gezogen, also in Richtung „Depower“, was die Zugbelastung an allen Seilen umgehend reduziert. Nach einer so, z. B. durch eine Windböe, ausgelösten sofortigen Abregelung kehrt das System umgehend in den eingestellten Trimmzustand zurück. Dieser Vorgang stellt die Selbstregulierung dar.
Die normalerweise an den Steuerleinen wirkenden Kräfte liegen bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bei bis zu 100 N pro Steuerleine, um das Fluggerät an seiner Leistungsgrenze fliegen zu können. Eine vorteilhafte Ausführungsform, die eine Luftfeder als Federelement vorsieht, regelt bei einer Kraft von 75 N ab. Mit einer funktionierenden Selbstregulierung können nicht nur Schäden durch Überlastung vermieden werden, das System kann somit immer nahe an seiner Leistungsgrenze gefahren werden, was die Effizienz verbessern kann.
Die erfindungsgemäße Selbstregulierung funktioniert nicht sensorbasiert und digital, sondern unmittelbar mechanisch. Die Ausführung entsprechender Steuerbefehle oder Regelungsmechanismen erfolgt daher auch ohne Zeitverzug. Somit ist die erfindungsgemäße Selbstregulierung nicht nur viel einfacher und zuverlässiger. Sie kann durch Ihre analoge und somit direkte Erfassung der Lasten den Ausgleich zeitgleich veranlassen.
Besondere Vorteile haben sich somit ergeben, wenn die Antriebsanordnung ein Federelement aufweist, das eine Kraft bewirkt, die die Spreizeinrichtung gegen einen Anschlag spreizt, wobei die Einstellung des Anschlags die Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils bestimmt, wobei zur Vergrößerung der Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils ein Federspannantrieb vorgesehen ist, der zugleich das Federelement spannt. Die Vergrößerung der Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils erfolgt bei einer an den Steuerseilen wirkenden Überlast, die in dem Federelement aufgenommen wird. Das bevorzugte Federelement wirkt pneumatisch bzw. durch Gasdruck, federkraftbasiert oder durch ein anderweitig elastisch wirkendes System.
Für die Auslenkung, die asynchrone Verstellung der Steuerseile, sind zwei Alternativen vorgesehen. Nach einer ersten Ausführungsform der Auslenkeinrichtung lenkt die Spreizeinrichtung insgesamt entlang einer Linearführung aus. Nach einer zweiten Ausführungsform der Auslenkeinrichtung wird die Spreizeinrichtung insgesamt um einen Spreizlagerpunkt im Bereich der Hebellager gekippt.
In beiden Fällen bewirkt die Auslenkeinrichtung, dass in einer ersten Bewegungsrichtung das erste Steuerseil gegenüber der Umlenkeinrichtung verkürzt und das zweite Steuerseil gegenüber der Umlenkeinrichtung verlängert wird und umgekehrt erfolgt die Längenänderung in einer zweiten Bewegungsrichtung. Das einseitige Ziehen eines Steuerseils wird bei einem starren Fluggerät eher zu einer Verwindung der Fläche in sich führen, bei flexiblen Fluggeräten zu einseitigem Abklappen des angesteuerten Flügelendes. Die Wirkung ist in beiden Fällen die gleiche: das einseitige Anbremsen des Fluggeräts führt zu einem Lenkimpuls.
Die bevorzugte Höhenverstelleinrichtung ist als eine Winde ausgeführt, die eine Seiltrommel umfasst. Diese ermöglicht nach einer besonders vorteilhaften Ausführung eine axiale Zwangsführung, realisiert z. B. durch eine Gewindespindel, auf der die Seiltrommel drehbar gelagert ist. Die axiale Zwangsführung fixiert die Positionen der ablaufenden oder einlaufenden Seile der Halteseilanordnung und der Steuerseile auf der Seiltrommel. In der Folge ist ein geordnetes und sauberes Auf- und Abwinden der Seile möglich. Umgekehrt ist es auch möglich, dass die Seiltrommel feststeht, und die Position der ein- und ablaufenden Seile axial zur Seiltrommel verfahren wird. Die Einstellung der Nutzlängen durch die Höhenverstelleinrichtung erfolgt ergänzend und neben den Einstellungen, die von der Steuereinrichtung vorgenommen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines seilgebundenen Fluggeräts mit einer Längsachse, die längs zu bzw. entlang einer Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, und mit einer Querachse, die quer zu der Windströmungsrichtung ausgerichtet wird. Das Fluggerät umfasst eine Halteseilanordnung und ein erstes und ein zweites Steuerseil, die das Fluggerät in einer Flugposition mit der Steuereinrichtung verbinden, wie bei der Beschreibung der Steuereinrichtung oben dargelegt. Nach der Erfindung werden die Halteseilanordnung und die Steuerseile gemeinsam und synchron mittels einer Höhenverstelleinrichtung, z. B. einer Winde, in ihrer Nutzlänge eingestellt. Eine Steuerseilverstelleinrichtung wirkt auf das erste und das zweite Steuerseil und stellt deren Nutzlänge ein. Die Steuerseilverstelleinrichtung umfasst eine Spreizeinrichtung, mit der das erste und das zweite Steuerseil synchron verstellt, insbesondere verkürzt, werden und das Fluggerät in der Weise um seine Querachse gekippt oder gekrümmt wird. Die Steuerseilverstelleinrichtung umfasst weiterhin eine Auslenkeinrichtung, mit der das erste und das zweite Steuerseil asynchron verstellt und das Fluggerät in der Weise um seine Längsachse gekippt oder gekrümmt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Spreizeinrichtung die Steuerseile gegenüber wenigstens einer Umlenkeinrichtung für alle Seile nach einer ersten Ausführungsform oder einer oder zwei Rollen für jedes Steuerseil nach einer zweiten Ausführungsform, abspreizt und damit verkürzt wird.
Die bevorzugte Auslenkeinrichtung verkürzt in einer ersten Bewegungsrichtung das erste Steuerseil gegenüber der Umlenkeinrichtung und verlängert das zweite Steuerseil gegenüber der Umlenkeinrichtung und umgekehrt in einer zweiten Bewegungsrichtung.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung bietet folgende Vorteile:

• einfacher und robuster mechanischer Aufbau,
• nur eine Winde wird benötigt,
• stromloser Betrieb grundsätzlich möglich,
• das gesteuerte Fluggerät passt sich bei schwankenden Windverhältnissen automatisch an,
• eine Überlastung bei unerwartet starken Windböen und/oder Ausfall einer Regelelektronik kann zuverlässig ausgeschlossen werden, wodurch die Anlage ohne Risiko permanent an ihrer Leistungsgrenze und somit sehr wirtschaftlich, betrieben werden kann,
• selbstregulierend bei Überschreitung der vorgegebenen Zugmomente, direkt und ohne Zeitversatz,
• das Ein- und Ausfahren des Fluggerätes sowie die Übertragung der Zugkräfte erfolgt mechanisch und unabhängig von der Übertragung der Steuerbefehle,
• die Steuereinrichtung ist in alle Größenordnungen skalierbar,
• digitale Assistenten können für einen automatisierten Betrieb hinzugefügt werden, sind aber nicht essentiell,
• die Steuereinrichtung ist geeignet zum Bewegen von Wasserfahrzeugen aller Größenordnungen, bei Bedarf auch mit haptischem Feedback beim Lenken,
• nutzbar zur automatisierten Energieerzeugung,
• das Fluggerät kann ohne zeitliches Limit in der Luft bleiben, da keine Steuergondel benötigt wird, die mit Strom versorgt werden muss,
• bei Bedarf kann die Einrichtung auch komplett ohne Stromversorgung benutzt werden,
• schwimmfähige Fluggeräte können auch direkt aus dem Wasser gestartet werden, dadurch kann ein Start- und Landemast entfallen,
• haptisches Feedback bei manueller Steuerung.

Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät in einem auftriebsarmen Zustand;
2: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät aus 1 in einem auftriebsstarken Zustand;
3: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät aus den 1 und 2 in einem auftriebsstarken Zustand beim Lenken nach der rechten Seite;
4: eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät in einem auftriebsarmen Zustand;
5: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät aus 4 in einem auftriebsstarken Zustand und
6: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät aus den 4 und 5 in einem auftriebsstarken Zustand mit Lenkimpuls nach links.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät 2 in einem auftriebsarmen Zustand, auch als „depowered“ bezeichnet, in dem der Wind das Fluggerät zwar in der Luft hält, aber darüber hinaus keine oder eine nur unwesentliche Kraftwirkung auf das Halteseil 4, das bei der dargestellten Ausführungsform die Halteseilanordnung bildet, und die Steuerseile 5 ausübt.
Darüber hinaus ist eine neutrale Lenkstellung gezeigt, das Fluggerät 2 wird weder nach rechts noch nach links gelenkt. Das heißt, dass sich ein Federelement 8 in komprimierter Position befindet und durch einen nicht dargestellten Anschlag dort gehalten wird, was zur Folge hat, dass bewegliche Umlenkrollen 7 einen minimalen Abstand zueinander einnehmen. Das Federelement 8 und die Umlenkrollen 6 sind Teile der Spreizeinrichtung 17.
Die Steuerseile 5 verlaufen auf einem kurzen Weg über feststehende Umlenkrollen 6 und die beweglichen Umlenkrollen 7 und sind relativ zum Halteseil 4 symmetrisch verlängert. Dadurch strebt die vom Wind abgewandte hintere Seite des Fluggeräts 2 nach oben und die dem Wind zugewandte Spitze relativ dazu nach unten, sodass das Fluggerät 2 in dieser Position „depowered“, also kraftlos ist und nur einen geringen Auftrieb erzeugt. Das Fluggerät 2 schwenkt dabei um seine Querachse 14, die wie die Längsachse 15 als gestrichelte Linien dargestellt sind.
Als Fluggerät 2 ist ein Flugdrachen oder Kite vorgesehen. Zum Betrieb der Steuereinrichtung 1 ist die horizontale Einbringung eines Lenkimpulses notwendig, wozu eine Auslenkeinrichtung 18 dient. Das Lenken mittels der Auslenkeinrichtung 18, als deren zum Lenken erforderliche Auslenkbewegung, kann in jeder technisch bekannten Weise erfolgen. Ein Auslenkantrieb kann z. B. über Züge, Zahnstangen, hydraulisch oder mechatronisch auf die Auslenkeinrichtung 18 einwirken.
Eine nicht dargestellte Winde hat die Aufgabe, die Halteseilanordnung 4 und die Steuerseile 5 zur Einstellung der Flughöhe sowie beim Starten und Landen gleichzeitig auf- und abzuwickeln und bei Bedarf Energie hierüber zu generieren. Die Halteseilanordnung 4 verbindet das Fluggerät 2 direkt mit der Winde.
Die Steuerseile 5 verbinden ebenfalls das Fluggerät 2 mit der Winde, werden jedoch über die feststehenden Umlenkrollen 6 und die beweglichen Umlenkrollen 7 umgeleitet. Die festen Umlenkrollen 6 sind in der Weise an einem nicht dargestellten Gestell angeordnet, dass sie die Umlenkung der Steuerseile 5 über die beweglichen Umlenkrollen 7 ermöglichen. Die beweglichen Umlenkrollen 7 sind, bevorzugt durch eine lineare Führung, auf horizontaler Ebene beweglich. Dadurch erfolgt bei einer Bewegung der Umlenkrollen 7 nach außen, wobei sie ihren Abstand zueinander vergrößern, eine Spreizung der Steuerleinen 5. Dies hat einen verlängerten Umlenkweg über die Umlenkrollen 6, 7 und somit deren Verkürzung relativ zu der Halteseilanordnung 4 zur Folge. Eine Bewegung der Umlenkrollen 7 auf horizontaler Ebene aufeinander zu bewirkt wiederum eine Verlängerung der Steuerseile 5.
Symmetrische Horizontalbewegungen der beweglichen Umlenkrollen 7 aufeinander zu oder voneinander weg haben dabei symmetrische Verlängerungen bzw. Verkürzungen der Steuerseile 5, somit die Änderung von deren Nutzlänge, zur Folge, während asymmetrische Bewegungen der beweglichen Umlenkrollen 7 mittels der Auslenkeinrichtung 18 auch asymmetrische Veränderungen der Nutzlängen der Steuerseile 5 bewirken. Durch asymmetrische Längenveränderungen der Steuerseile 5 wird eine seitliche Lenkbewegung erreicht, in dem das Fluggerät 2 einseitig angebremst wird.
Das Federelement 8 wirkt horizontal und dynamisch auf die beweglichen Umlenkrollen 7. Die Federkraft des Federelements 8 wirkt im Idealfall auf dem gesamten Verstellweg mit gleicher Kraft, was z. B. durch eine Gasdruckfeder ermöglicht wird. Es ist das Ziel, dass in jeder Trimmposition die gleichen Abregelkräfte wirken. Die Federkraft des Federelements 8 steht zudem im direkten Zusammenhang zur maximal möglichen Zugspannung der Steuerseile 5. Ein Überschreiten der vorgegebenen Zugkraft an den Steuerseilen 5 hat zwangsläufig das Zusammendrücken des Federelements 8 und somit eine Verlängerung der Steuerseile 5 zur Folge. Der Federweg des Federelements 8 nach außen ist mechanisch begrenzt und die Begrenzung ist bevorzugt zudem verstellbar.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 mit dem verbundenen, gesteuerten Fluggerät 2 aus 1 in einem auftriebsstarken Zustand, das Fluggerät 2 entfaltet durch eine Windströmung angeströmt die maximal mögliche Kraftwirkung. Die mechanische Begrenzung des Federweges des Federelements 8, der Anschlag nach außen, ist erweitert worden. Das hatte zur Folge, dass die beweglichen Umlenkrollen 7 horizontal nach außen gefahren sind und den größten Abstand zueinander einnehmen, der möglich ist. Dabei ist die Spreizeinrichtung 17 maximal auseinandergefahren. Dies hat eine maximale Verkürzung der Nutzlänge der Steuerseile 5 zur Folge. Die Steuerseile 5 sind also angezogen worden.
Das Fluggerät 2 entfaltet in dieser Position die größte Kraftwirkung, was in Abhängigkeit von der Windströmung auch maximale Zugkräfte an allen Seilen 4, 5 zur Folge hat. Sollten die Zugkräfte an den Steuerseilen 5 die vom Federelement 8 vorgegebene, nach außen wirkenden Kraft überschreiten, z. B. wegen einer plötzlichen Windböe, gibt das Federelement 8 nach und das Fluggerät 2 verlässt die Position der maximal möglichen Kraftwirkung, es kommt zu einem automatischen „Depowern“. Ein Überschreiten der Zugkräfte an den Steuerseilen 5, proportional auch an der Halteseilanordnung 4, kann somit zuverlässig und automatisch abgeregelt werden. Nach der Überlastung kehrt das System umgehend in den vorgegebenen Trimmzustand zurück, in dem die Federkraft des Federelements 8 die Steuerseile 5 wieder anzieht.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät 2 aus den 1 und 2 in einem auftriebsstarken Zustand beim Lenken nach der rechten Seite. Hierzu ist die Einheit aus Federelement 8 und den beiden Umlenkrollen 7, die Teil der Auslenkeinrichtung 18 sind, durch einen Lenkimpuls aus deren mittiger Position heraus bewegt worden. Somit sind die beiden Steuerleinen 5 unterschiedlich lang. Das hat zur Folge, dass das Fluggerät 2 auf der rechten Seite stärker „angepowert“ wird als auf der linken Seite, was den erwünschten Lenkimpuls zur Folge hat, in dem das Fluggerät 2 um seine Längsachse 15 (vgl. 1) gekippt und in dieser Schrägstellung vom Wind erfasst wird.
4 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät 2 in einem auftriebsarmen Zustand. Das Federelement 8 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als zwei gegenläufig wirkende, in der dargestellten Situation vollständig eingefahrene Gasdruckfedern als Teil der Spreizeinrichtung 17 ausgeführt. Deren Position wird durch einen nicht dargestellten fixierbaren Antrieb, beispielsweise einen Flaschenzug, eingestellt und einseitig gehalten. Die Fixierung übernimmt dann die Funktion des Anschlags.
An den Achsen 16 können die nicht dargestellten Rollen des fixierbaren Flaschenzuges zur Begrenzung des Federweges des Federelements 8 angebracht sein. Der Flaschenzug ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Der Flaschenzug zieht in der dargestellten Situation die beiden Gasdruckfedern maximal zusammen und steht daher maximal verkürzt unter Spannung.
Zahnstangen 9 sind mit je einer Achse 16 der Umlenkrollen 7 verbunden und miteinander verzahnt mit über ein zentrales Zahnrad 10. Die Zahnstangen 9 werden bei ihrer Linearbewegung in Führungsbuchsen 11 geführt. Das Zusammenspiel der Zahnstangen 9 und des Zahnrads 10 stellt sicher, dass eine Auswärtsbewegung der beweglichen Umlenkrollen 7 immer synchron zu einem Linearschlitten 12 erfolgt, der mit dem Zahnrad 10 und den Führungsbuchsen 11 verbunden ist. Die feststehenden Umlenkrollen 6 und Linearführungen 13 sind an dem nicht dargestellten Gestell angeordnet. Der Linearschlitten 12 kann auf den Linearführungen 13 horizontal verfahren werden, was im Falle einer Lenkbewegung, dem asynchronen Verstellen der Steuerseile 5, der Fall ist.
5 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät 2 aus 4 in einem auftriebsstarken, „voll angepowerten“ Zustand, den die Spreizeinrichtung 17 bewirkt, und 6 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 mit einem verbundenen, gesteuerten Fluggerät 2 aus den 4 und 5 ebenfalls in einem auftriebsstarken Zustand, jedoch in einer vergleichbaren Position wie 3 mit Lenkimpuls durch die Auslenkeinrichtung 18, in dem Fall jedoch nach links.
Bezugszeichenliste

1: Steuereinrichtung
2: Fluggerät
4: Halteseilanordnung, Halteseil
5: Steuerseil
6: Umlenkrollen, feststehend
7: Umlenkrollen, beweglich
8: Federelement
9: Zahnstange
10: Zahnrad
11: Führungsbuchse, Linearführung
12: Linearschlitten
13: Linearführungen
14: Querachse
15: Längsachse
16: Achse
17: Spreizeinrichtung
18: Auslenkeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010013504 A1 [0007]
US 10012208 B1 [0007]
DE 102017206419 A1 [0007]
DE 202009003362 U1 [0007]
WO 2014/105396 A1 [0007]

Claims

Steuereinrichtung (1) für ein seilgebundenes Fluggerät (2) mit einer Längsachse (15), die im Wesentlichen in einer Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, und mit einer Querachse (14), die im Wesentlichen quer zu der Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, wobei das Fluggerät (2) eine Halteseilanordnung (4) und ein erstes und ein zweites Steuerseil (5) umfasst, die das Fluggerät (2) in einer Flugposition mit der Steuereinrichtung (1) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf das erste und das zweite Steuerseil (5) zur Verstellung von deren Nutzlängen, der Länge zwischen der Steuereinrichtung (1) und dem Fluggerät (2), wirkende Steuerseilverstelleinrichtung vorgesehen ist, wobei die Steuerseilverstelleinrichtung eine Spreizeinrichtung (17) zum synchronen Verstellen der Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils (5) umfasst, womit das Fluggerät (2) um eine Parallele zu seiner Längsachse (15) gekippt oder verformt wird, wobei die Steuerseilverstelleinrichtung weiterhin eine Auslenkeinrichtung (18) zum asynchronen Verstellen der Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils (5) umfasst, womit das Fluggerät (2) um seine Längsachse (15) gekippt oder verformt wird.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spreizeinrichtung (17) eine einstellbare Verlängerung eines Umlenkweges der Steuerseile (5) um Umlenkeinrichtungen bewirkt, über die das Steuerseil (5) läuft und umgelenkt wird, wobei mittels beweglicher Umlenkrollen (7) die Steuerseile (5) gegenüber feststehenden Umlenkrollen (6) abgespreizt werden, und wobei die Spreizeinrichtung (17) zur Einstellung der Verlängerung eine erste Antriebsanordnung umfasst.
Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spreizeinrichtung (17) zwei Hebel umfasst, die mit der ersten Antriebsanordnung in der Weise verbunden sind, dass die Hebel um ein Hebellager an einem ersten Ende jedes Hebels gekippt werden können, wobei ein zweites Ende jedes Hebels eine Umlenkeinrichtung zur Führung des ersten oder des zweiten Steuerseils (5) aufweist, wobei der Abstand der zweiten Enden und mit diesem die Spreizung der Steuerseile (5) einstellbar ist, wobei weiterhin die Hebel im Bereich des Hebellagers zur gegenläufigen, synchronen Schwenkbewegung bewegbar verbunden sind und die Auslenkeinrichtung bilden.
Steuereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Auslenkeinrichtung (18) so ausgeführt ist, dass in einer ersten Bewegungsrichtung das erste Steuerseil (5) zwischen der Steuereinrichtung (1) und dem Fluggerät (2) verkürzt und das zweite Steuerseil (5) zwischen der Steuereinrichtung (1) und dem Fluggerät (2) verlängert wird und umgekehrt in einer zweiten Bewegungsrichtung, wobei nach einer ersten Ausführungsform der Auslenkeinrichtung (18) die Spreizeinrichtung (17) insgesamt entlang einer Linearführung auslenkt, oder wobei nach einer zweiten Ausführungsform der Auslenkeinrichtung (18) die Spreizeinrichtung (17) insgesamt um einen Spreizlagerpunkt im Bereich der Hebellager gekippt wird.
Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei für die Spreizeinrichtung (17) zwei bewegliche Umlenkrollen (7) vorgesehen sind und jede der beweglichen Umlenkrollen (7) mit einer Zahnstange (9) an deren erstem Ende verbunden ist, wobei die Zahnstangen (9) in der Weise in Führungsbuchsen (11) linear beweglich angeordnet sind, dass die ersten Enden der Zahnstangen (9) voneinander weg weisen, wobei Zähne der Zahnstangen (9) mit einem Zahnrad (10) in Eingriff stehen, das mit einem linear verfahrbaren Linearschlitten (12), der die Auslenkeinrichtung (18) bildet, drehbar verbunden ist, sodass die Zahnstangen (9) synchron gegenläufig und gemeinsam mit dem Linearschlitten (12) verfahrbar sind.
Steuereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Antriebsanordnung ein Federelement (8) aufweist, das eine Kraft bewirkt, die die Spreizeinrichtung (17) gegen einen Anschlag spreizt, wobei die Einstellung des Anschlags die Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils (5) bestimmt, wobei zur Vergrößerung der Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils (5) ein Federspannantrieb vorgesehen ist, der zugleich das Federelement (8) komprimiert und spannt, und wobei die Vergrößerung der Nutzlängen des ersten und des zweiten Steuerseils (5) bei einer an den Steuerseilen (5) wirkenden Überlast erfolgt, die in dem Federelement (8) aufgenommen wird.
Steuereinrichtung nach Anspruch 6, wobei das Federelement (8) pneumatisch oder federkraftbasiert wirkt.
Steuereinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (1) eine Höhenverstelleinrichtung umfasst, mit der die Nutzlängen der Halteseilanordnung (4) und der Steuerseile (5) gemeinsam und synchron eingestellt werden.
Steuereinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Höhenverstelleinrichtung als eine eine Seiltrommel umfassende Winde ausgeführt ist, die eine axiale Zwangsführung umfasst, und wobei die axiale Zwangsführung die Positionen der ablaufenden oder einlaufenden Halteseilanordnung (4) und der Steuerseile (5) auf der Seiltrommel fixiert.
Verfahren zur Steuerung eines seilgebundenen Fluggeräts (2) mit einer Querachse (14), die quer zu einer Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, und mit einer Längsachse (15), die längs zu der Windströmungsrichtung ausgerichtet wird, wobei das Fluggerät (2) eine Halteseilanordnung (4) und ein erstes und ein zweites Steuerseil (5) umfasst, die das Fluggerät (2) in einer Flugposition mit einer Steuereinrichtung (1) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteseilanordnung (4) und die Steuerseile (5) gemeinsam und synchron mittels einer Höhenverstelleinrichtung in ihrer Nutzlänge eingestellt werden, wobei eine Steuerseilverstelleinrichtung auf das erste und das zweite Steuerseil (5) wirkt und deren Nutzlänge einstellt, wobei die Steuerseilverstelleinrichtung eine Spreizeinrichtung (17) umfasst, mit der das erste und das zweite Steuerseil (5) synchron verstellt werden und das Fluggerät (2) in der Weise um seine Querachse (14) gekippt oder verformt wird, wobei die Steuerseilverstelleinrichtung weiterhin eine Auslenkeinrichtung (18) umfasst, mit der das erste und das zweite Steuerseil (5) asynchron verstellt werden und das Fluggerät (2) in der Weise um seine Längsachse (15) gekippt oder verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Spreizeinrichtung (17) die Steuerseile (5) gegenüber wenigstens einer Umlenkeinrichtung abspreizt und damit in ihrer Nutzlänge verkürzt oder die Spreizung verringert und damit in ihrer Nutzlänge verlängert.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Auslenkeinrichtung (18) in einer ersten Bewegungsrichtung das erste Steuerseil (5) gegenüber der Umlenkeinrichtung verkürzt und das zweite Steuerseil (5) gegenüber der Umlenkeinrichtung verlängert und umgekehrt in einer zweiten Bewegungsrichtung.
Seilgebundenes Fluggerät, umfassend eine Steuereinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.