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Die Erfindung betrifft ein Fluggerät, welches als Flugschrauber ausgeführt ist. Flugschrauber (englisch gyrodyne) ist die Bezeichnung für ein senkrecht start- und landefähiges hybrides Fluggerät, das konstruktive Elemente von Tragschraubern und Hubschraubern kombiniert. Für den Start und Schwebeflug wird, wie beim Hubschrauber, ein angetriebener Rotor zur Auftriebserzeugung eingesetzt. Der Horizontalflug erfolgt analog zum Tragschrauber mit einem sich in der Autorotation befindlichen, nicht angetriebenen Rotor. Durch die fehlende Notwendigkeit den Rotor im Horizontalflug anzutreiben, haben Tragschrauber im Vergleich zu Hubschraubern hierbei einen geringeren Energiebedarf. Durch diese vorteilhafte Kombination von Eigenschaften (senkrecht Starten und Landen, niedriger Energiebedarf im Horizontalflug) sind Flugschrauber besonders gut geeignet, um in zukünftig immer größer werdenden urbanen Ballungsräumen einem drohenden Verkehrsinfarkt entgegenzuwirken.
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Aus dem Stand der Technik ist die Offenlegungsschrift
WO 2019/ 020 168 A1 bekannt. Hier wird ein Multicopter zur Erfüllung von urbanen Transportaufgaben beschrieben. Multicopter haben wie auch Hubschrauber den Nachteil, dass für den Horizontalflug Energie für den Antrieb der Rotoren / des Rotors zur Auftriebserzeugung benötigt wird.
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Bei dem in
WO 2019/ 020 168 A1 beschriebenen Multicopter wird eine bevorzugte Entfernung zwischen zwei Landeplätzen von 25km beansprucht. Dieser Anspruch veranschaulicht sehr deutlich das Energieproblem eines Multicopterkonzeptes. In einem Ballungsraum wie Los Angeles mit einer Nord-Südausdehnung von etwa 150km müsste der Multicopter fünfmal zwischenlanden, um von einer Ballungsraumgrenze zur anderen zu kommen.
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US 2018 / 0 208 305 A1 legt ebenfalls ein Fluggerät für urbane Transportaufgaben offen. Bei diesem Konzept erfolgen Start und Landung wie beim Multicopter. Im Horizontalflug wird der Auftrieb durch Tragflächen erzeugt. Hierdurch ergibt sich wie beim Tragschrauber ein geringerer Energiebedarf. Dieser Vorteil wird durch die Notwendigkeit erkauft, die Rotoren schwenken zu müssen, damit diese im Horizontalflug als Propeller wirken können. Um das Schwenken der Rotoren zu ermöglichen, ist ein entsprechend aufwendiger Mechanismus notwendig. Dieser erhöht das Gewicht des Fluggerätes. Wenn es nicht gelingt beim Übergang von Schwebe- in den Horizontalflug die Rotoren mit ausreichender Gleichmäßigkeit zu schwenken, droht der Absturz des Fluggerätes.
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Die
DE 33 28 417 A1 offenbart einen Drehflügelflugkörper mit mindestens zwei um eine im Wesentlichen lotrechte Achse drehbaren Rotorblättern bzw. -flügeln und mit mindestens einem Antriebsaggregat zum Antrieb der Rotorblätter, sowie mit einem Kabinenteil zur Aufnahme der Last, wobei in Strömungsrichtung des vom Antriebsaggregat erzeugten Luftstromes ein im wesentlichen lotrecht verlaufender Luftkanal vorgesehen ist, der in dem Kabinenteil ausgebildet ist und diesen lotrecht durchsetzt, wobei die Eintrittsöffnung des Luftkanales an der Oberseite des Kabinenteiles und die Austrittsöffnung des Luftkanales an der Unterseite des Kabinenteiles vorgesehen sind, so dass die Luft von oben nach unten durch den Luftkanal strömt, und dass in dem Luftkanal mindestens zwei im Abstand übereinander angeordnete Leitschaufelanordnungen vorgesehen sind, wobei eine dieser Leitschaufelanordnungen als in Bezug auf das Antriebsaggregat losedrehbar gelagerter Leitschaufelkranz ausgebildet ist, an dem die Rotorblätter bzw. -flügel gelagert sind, die gegebenenfalls zyklisch und bzw. oder kollektiv verstellbar sind, und die andere Leitschaufelanordnung zum Ausgleich des Gegendrehmomentes dient, und dass in dem Luftkanal mehrere Steuerklappen angeordnet sind, die schwenkbar gelagert sind.
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DE 10 2016 206 551 A1 offenbart ein Fluggerät mit einer Zelle zur Aufnahme einer Antriebseinrichtung, mit einer Rotoranordnung, die an einer Rotorachse aufgenommen ist, wobei die Rotorachse beweglich mit der Zelle verbunden ist, mit einer Vortriebseinrichtung, die wenigstens einen Antriebspropeller aufweist, wobei der Zelle wenigstens zwei Räder zugeordnet sind und wobei die Rotoranordnung zwei Rotorblattanordnungen umfasst, die jeweils wenigstens zwei Rotorblätter aufweisen, wobei eine erste Rotorblattanordnung mit einem ersten Rotorläufer und eine zweite Rotorblattanordnung mit einem zweiten Rotorläufer gekoppelt ist und wobei beide Rotorläufer drehbeweglich koaxial zueinander an der Rotorachse gelagert sind und einen Elektromotor bilden. Bei diesem Fluggerät handelt es sich um einen Flugschrauber.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Grundkonzept aus
DE 10 2016 206 551 A1 aufzugreifen und weiter zu entwickeln.
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Diese Aufgabe wird für ein Fluggerät der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dementsprechend umfasst das Fluggerät eine Zelle, die zur Aufnahme mehrerer elektrischer Antriebseinrichtungen ausgebildet ist und die von einem Durchgangskanal durchsetzt ist, sowie mit einem ersten Elektromotor, der ein Motorgehäuse und eine drehbar im Motorgehäuse gelagerte Antriebswelle umfasst und der zumindest bereichsweise im Durchgangskanal angeordnet ist, wobei die Antriebswelle mit einer außerhalb des Durchgangskanals angeordneten Rotoranordnung verbunden ist und das Motorgehäuse mit einem im Durchgangskanal angeordneten Impeller verbunden ist oder wobei das Motorgehäuse mit der außerhalb des Durchgangskanals angeordneten Rotoranordnung verbunden ist und die Antriebswelle mit dem im Durchgangskanal angeordneten Impeller verbunden ist, und wobei das Motorgehäuse und die Antriebswelle drehbar an der Zelle gelagert sind, womit sich ein rückstellmomentfreies Antriebssystem ergibt.
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Eine aus dem Impeller, der außerhalb des Durchgangskanals angeordneten Rotoranordnung und dem ersten Elektromotor gebildet Baugruppe wird auch als Rotor-Impelleranordnung bezeichnet. Die Rotoranordnung umfasst wenigstens zwei symmetrisch zu einer Rotationsachse angeordnete Rotorblätter. Der Impeller umfasst vorzugsweise mehrere in gleicher Winkelteilung um eine Rotationsachse herum angeordnete Schaufeln. Beispielhaft ist die Rotoranordnung mit dem Gehäuse des ersten Elektromotors verbunden. Ferner ist der Impeller mit der Antriebswelle des Elektromotors gekoppelt. Bei einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Rotoranordnung mit der Antriebswelle gekoppelt ist, während der Impeller mit dem Motorgehäuse gekoppelt ist.
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Durch die Ausgestaltung der Rotor-Impelleranordnung mit dem ersten Elektromotor ist es möglich, die Rotoranordnungen und den Impeller in unterschiedlichen Betriebszuständen zu betreiben. Bei einem ersten Betriebszustand, der auch als passiver Betriebszustand bezeichnet werden kann, ist die Rotoranordnung frei drehbeweglich gegenüber der auch als Elektromotorachse bezeichneten Antriebswelle und frei drehbeweglich gegenüber dem Impeller. Ferner ist der Impeller im ersten Betriebszustand ebenfalls frei drehbeweglich gegenüber der Rotoranordnung. Somit entspricht dieser erste Betriebszustand einem Autorotationszustand, bei dem die Rotoranordnung in gleicher Weise wie bei einem Gyrokopter betrieben wird. Bei einem zweiten Betriebszustand, der auch als aktiver Betriebszustand bezeichnet werden kann, ist Rotor-Impelleranordnung weiterhin frei drehbeweglich gegenüber der Elektromotorachse, allerdings erfolgt eine Zufuhr von elektrischer Energie, beispielsweise über Schleifkontakte, an das Gehäuse des Elektromotors, der durch diese Energiezufuhr in magnetische Wechselwirkung mit der Elektromotorwelle treten kann und damit eine Drehmomenteinleitung auf die Rotor-Impelleranordnung bewirkt. Da die Rotor-Impelleranordnung keine Drehmomentabstützung an der Elektromotorachse aufweisen, stellen sich gegensinnige Rotationsbewegungen für die Rotor-Impelleranordnung ein. Bei geeigneter Auswahl von Anstellwinkeln für die jeweiligen Rotorblätter der Rotoranordnung und der Schaufeln des Impellers lässt sich dadurch eine in vertikaler Richtung nach oben resultierende Auftriebskraft bewirken, mit deren Hilfe eine auf das Fluggerät wirkende Gesamtauftriebskraft erzeugt wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Energiezufuhr an die Rotor-Impelleranordnung zu Drehbewegungen der Rotoranordnung und des Impellers der Rotor-Impelleranordnung führt, durch die eine ausschließlich durch die Rotor-Impelleranordnung bewirkte Auftriebskraft auf das Fluggerät einwirkt, die größer als die Gewichtskraft des Fluggeräts ist, so dass das Fluggerät ohne weitere Maßnahmen in vertikaler Richtung vom Boden abheben kann.
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Ferner kann durch eine Veränderung einer Ausrichtung einer Rotorachse, an der die Rotorblätter festgelegt sind und die in geeigneter Weise, insbesondere mit einem Kardangelenk, drehmomentübertragend und schwenkbeweglich mit der Antriebswelle oder dem Motorgehäuse verbunden ist, ein Einfluss auf die Kraftrichtungen für die nach oben resultierende Auftriebskraft auf die Zelle genommen werden, so dass hierüber Veränderungen einer Fluglage für das Fluggerät unterstützt oder ausschließlich herbeigeführt werden können.
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Vorzugsweise ist der erste Elektromotor der Rotor-Impelleranordnung derart ausgelegt, dass er ohne eine Zufuhr elektrischer Energie momentenfrei ist, so dass eine freie Beweglichkeit der Rotor-Impelleranordnung in Abwesenheit einer Versorgung mit elektrischer Energie sichergestellt ist.
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Im Gegensatz zur
DE 10 2016 206 551 A1 , die zwei oberhalb der Zelle befindliche Rotoranordnungen offenbart, wird gemäß der Erfindung einer dieser Rotoranordnungen durch den Impeller ersetzt, der als ein die Zelle durchdringendes Gebläsesystem beschrieben werden kann. Durch diese Gestaltung der Rotor-Impelleranordnung verringert sich der Luftwiderstand des Fluggeräts. Außerdem vereinfacht sich hierdurch die Lagerung des Elektromotors, welcher die verbleibende Rotoranordnung und den Impeller antreibt. Dadurch, dass sich der Impeller innerhalb der Zelle befindet, verringert sich die akustische Signatur des Fluggerätes, was in einer urbanen Umgebung besonders wünschenswert ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der mit der Rotoranordnung verbundenen Antriebswelle oder zwischen dem mit der Rotoranordnung verbundenen Motorgehäuse und der Rotoranordnung wenigstens eine Gelenkeinrichtung ausgebildet ist und dass die Rotoranordnung in wenigstens einer Raumrichtung, die quer zur einer vom ersten Elektromotor bestimmten Rotationsachse ausgerichtet ist, schwenkbeweglich an der Zelle aufgenommen ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der mit der Rotoranordnung verbundenen Antriebswelle und der Rotoranordnung oder zwischen dem mit der Rotoranordnung verbundenen Motorgehäuse und der Rotoranordnung ein Freilauf angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn zwischen der mit der Rotoranordnung verbundenen Antriebswelle und der Rotoranordnung oder zwischen dem mit der Rotoranordnung verbundenen Motorgehäuse und der Rotoranordnung ein Getriebe mit einem festen Übersetzungsverhältnis angeordnet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zelle eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist, die einen Energiewandler aus der Gruppe: Verbrennungsmotor mit Generator, Gasturbine mit Generator, Brennstoffzelle und/oder einen Energiespeicher aus der Gruppe: Akkumulator, Kondensator, umfasst.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Zelle eine Vortriebseinrichtung zugeordnet ist, die wenigstens einen zweiten Elektromotor umfasst, der mit wenigstens einem Antriebspropeller versehen ist, wobei der zweite Elektromotor mit einem zweiten Motorgehäuse an der Zelle festgelegt ist und wobei der Antriebspropeller einer drehbeweglich am Motorgehäuse gelagerten zweiten Antriebswelle zugeordnet ist, wobei die Rotationsachse der zweiten Antriebswelle quer zu der vom ersten Elektromotor bestimmten Rotationsachse ausgerichtet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Vortriebseinrichtung mehr als einen zweiten Elektromotor umfasst und dass die Rotationsachsen der zweiten Antriebswellen parallel zueinander ausgerichtet sind und in einem vorgebbaren Abstand zur der vom ersten Elektromotor bestimmten Rotationsachse angeordnet sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Elektromotor und der wenigstens eine zweite Elektromotor elektrisch mit einer Steuerungseinrichtung verbunden sind, die für eine flugrichtungsabhängige Ansteuerung des wenigstens einen zweiten Elektromotors und/oder für eine auftriebsabhängigen Ansteuerung des ersten Elektromotors ausgebildet ist.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Antriebseinrichtung des Fluggerätes einen Energiewandler, insbesondere eine Thermodynamische-Kreisprozess-Generator-Kombination, Brennstoffzelle und/oder einen Energiespeicher, insbesondere einen Akkumulator, umfasst. Die Aufgabe des Energiewandlers besteht darin, einen Energiegehalt eines flüssigen oder gasförmigen Treibstoffs, insbesondere eines Kohlenwasserstoffes oder Alkohols, zumindest anteilig in elektrische Energie umzusetzen, mit deren Hilfe eine Energieversorgung der Rotor-Impelleranordnung durchgeführt werden kann. Ferner ist der Energiewandler dazu vorgesehen, Antriebsenergie an eine Vortriebseinrichtung Form von elektrischer Energie bereitzustellen. Ergänzend oder alternativ kann der Energieerzeuger um einen Energiespeicher ergänzt werden, der entweder für eine ausschließliche Versorgung der Rotor-Impelleranordnung und der Vortriebseinrichtung mit elektrischer Energie ausgebildet ist, oder der für eine kurzzeitige Zwischenspeicherung elektrischer Energie zur Pufferung von Leistungsspitzen während des Betriebs des Fluggeräts dient. Ein derartiger Energiespeicher kann insbesondere als Kondensatoranordnung und/oder Akkumulator ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vortriebseinrichtung zwei Antriebspropeller aufweist, deren Propellerachsen jeweils seitlich beabstandet zur Rotor-Impelleranordnung-Achse angeordnet sind, wobei jedem der Antriebspropeller ein Elektromotor zugeordnet ist und/oder dass Propellerachsen der Antriebspropeller parallel zueinander ausgerichtet sind. Durch die Verwendung von zwei Antriebspropellern, die vorzugsweise spiegelsymmetrisch zur Rotor-Impelleranordnung-Achse angeordnet sind, sofern sich diese in einer Neutralstellung befindet, kann eine symmetrische Bereitstellung von Vortriebskräften auf das Fluggerät gewährleistet werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Antriebspropeller für eine Vortriebserzeugung bei gegensinniger Rotation ausgebildet sind und wenn die den Antriebspropeller zugeordneten Elektromotoren auch für eine derartige gegensinnige Rotation der Antriebspropeller angesteuert werden. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Propellerachsen der Antriebspropeller parallel zueinander ausgerichtet sind, um bei identischer Leistungszufuhr für beide Elektromotoren und gegensinniger Rotation der Antriebspropeller ausschließlich einen Vortrieb bereitstellen zu können, der längs der Propellerachsen und vorzugsweise entlang einer Längsachse für das Fluggerät ausgerichtet ist.
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Durch die Verwendung von zwei Antriebspropellern können bei dem zweiten Betriebszustand, der auch als aktiver Betriebszustand bezeichnet werden kann, bei dem das Fluggerät wie ein Helikopter betrieben wird, Drehungen um die Hochachse erfolgen, indem die Antriebspropeller gegensinnig angesteuert werden. Wenn die zwei Antriebspropeller bei dem ersten Betriebszustand der auch als passiver Betriebszustand bezeichnet werden kann, bei dem das Fluggerät wie ein Tragschrauber betrieben wird, unterschiedlich schnell drehen, wird der Kurvenflug des Fluggerätes unterstützt. Hierdurch kann das sonst notwendige Seitenruder entfallen, oder zumindest verkleinert werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Elektromotoren der Vortriebseinrichtung elektrisch mit einer Steuerungseinrichtung verbunden sind, die für eine flugrichtungsabhängige Ansteuerung der Elektromotoren und/oder für eine auftriebsabhängige Ansteuerung der Rotor-Impelleranordnung ausgebildet ist. Dabei kann die Steuerungseinrichtung für eine unmittelbare Bedienung durch einen Piloten, der sich während des Flugbetriebs für das Fluggerät in der Zelle aufhält, vorgesehen sein. Alternativ kann die Steuerungseinrichtung für eine Steuerung des Fluggeräts ausgebildet sein. In jedem Fall ist die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet, dass sie durch Bereitstellung von unterschiedlichen Energiemengen an die beiden Elektromotoren der Vortriebseinrichtung eine Einflussnahme auf eine Flugrichtung des Fluggeräts nehmen kann. Ergänzend oder alternativ kann die Steuerungseinrichtung auch die Bereitstellung von elektrischer Energie an die Rotor-Impelleranordnung und somit den bereitgestellten Auftrieb beeinflussen. Exemplarisch umfasst die Steuerungseinrichtung wenigstens eine einstellbare elektrische Endstufe, mit deren Hilfe eine Steuerung oder Regelung wenigstens eines Energieflusses an den oder die angeschlossenen elektrischen Verbraucher bewirkt werden kann. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Rotor-Impelleranordnung derart ausgelegt sein kann, dass in Kombination mit der Vortriebseinrichtung ein für den Flugbetrieb ausreichender Auftrieb hervorgerufen werden kann. Exemplarisch ist der Auftrieb zumindest bei einem aktiven Betrieb mit einer Energieeinspeisung in die Rotor-Impelleranordnung ausreichend, vorzugsweise auch bei einem passiven Betrieb ohne eine Energieeinspeisung in die Rotoreinrichtung, so dass zusätzliche Auftriebsmittel wie Tragflächen nicht zwingend erforderlich sind.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Zelle mit wenigstens einer Tragfläche versehen ist. Die Aufgabe der Tragfläche besteht darin, Auftriebskräfte bereitzustellen, sofern das Fluggerät in einer Richtung bewegt wird, bei der es zu einer aerodynamisch sinnvollen Anströmung der Tragfläche kommt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Tragfläche derart an der Zelle angeordnet ist, dass sie bei einer Bewegung des Fluggeräts in Längsrichtung die gewünschten Auftriebskräfte bereitstellen kann. Wenn ein Teil des Auftriebs mit einer Tragfläche erzeugt wird, kann der Durchmesser der Rotoranordnung verkleinert werden, da dieser nun nicht mehr den gesamten Auftrieb im Autorotationsbetrieb bereitstellen muss. Hierdurch verringert sich der Luftwiderstand des Fluggerätes.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass an einem vorderen Endbereich der Zelle vordere Tragflächen und an einem hinteren Endbereich der Zelle hintere Tragflächen angeordnet sind. Vorzugsweise sind die vorderen Tragflächen in einer horizontalen Ebene angeordnet, die in vertikaler Richtung vor dem Schwerpunkt des Fluggeräts liegt. Demgegenüber sind die hinteren Tragflächen vorzugsweise in einer horizontalen Ebene angeordnet, die in vertikaler Richtung hinter dem Schwerpunkt des Fluggeräts liegt. Hierdurch wird eine sogenannte Entenflügelanordnung geschaffen, bei der die vorderen, gegebenenfalls auch als Höhenruder dienenden Tragflächen ebenfalls Auftrieb erzeugen. Hierdurch kann das Fluggerät mit besonders kompakten Tragflächen ausgestattet werden.
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Wichtig ist zu bemerken, dass auch ein Fluggerät ohne vordere Tragfläche und hintere Tragfläche voll flugtauglich ist. Hierbei muss sichergestellt sein, dass die Rotoranordnung im Tragschrauberbetrieb ausreichend Auftrieb erzeugt. Bei einer solchen Ausführung des Fluggerätes, ergeben sich auf Grund des Widerstandsverhaltens der Rotoranordnung Einschränkungen bei der maximal möglichen Fluggeschwindigkeit. Diese wird im Bereich 150 bis 200 km/h liegen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine Draufsicht auf ein Fluggerät mit einer mittig angeordneten Zelle, an einem vorderen Endbereich angeordneten Tragflächen, an einem hinteren Endbereich angeordneten Tragflächen sowie den hinteren Tragflächen zugeordneten Antriebsmotoren,
- 2 eine Seitenansicht des Fluggeräts gemäß der 1,
- 3 eine Vorderansicht des Fluggeräts gemäß der 1,
- 4 eine Seitenansicht des Fluggeräts gemäß der 1 im Teilschnitt mit einer schematischen Darstellung der Rotor-Impelleranordnung, und
- 5 eine Detailansicht der 4 mit schematischer Darstellung eines Getriebes und eines Freilaufes.
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Für die nachstehende Beschreibung wird ohne Beschränkung der Erfindung auf diese Vorschriften davon ausgegangen, dass das Fluggerät 1 gemäß den internationalen Bestimmungen, insbesondere den derzeit für die Länder USA, China, Deutschland und Frankreich geltenden nationalen Bestimmungen, als Flugzeug zulassungsfähig sein soll.
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Das in den 1 bis 5 dargestellte Fluggerät 1 ist beispielhaft zum Transport von maximal zwei Personen vorgesehen, die in einem nicht näher dargestellten Passagierabteil untergebracht werden können, das in einer Zelle 2 des Fluggeräts 1 ausgebildet ist. Rein exemplarisch ist die Zelle 2 aus einem Kohlenstofffaser-Verbundmaterial hergestellt und weist an einem vorderen, abgerundet ausgebildeten Endbereich 3 eine Frontscheibe 14 aus transparentem Kunststoffmaterial auf, hinter der zwei nicht näher dargestellte Sitze für einen Piloten und einen Passagier oder für zwei Piloten angeordnet sind.
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Ferner sind am vorderen Endbereich 3 unterhalb einer etwa in halber Höhe der Zelle 2 endenden Frontscheibenunterkante 6 spiegelbildlich zur Längsachse 4 angeordnete vordere Tragflächen 7 ausgebildet, die eine in der 2 näher dargestellte Profilierung aufweisen. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die vorderen Tragflächen 7 in nicht näher dargestellter Weise relativ zur Zelle 2 um eine gemäß den Darstellungen der 1 horizontal ausgerichtete Schwenkachse 8 synchron geschwenkt werden können, um als Höhenruder zu dienen. Diese Funktion als Höhenruder ist jedoch für den Flugbetrieb keinesfalls zwingend, so dass die vorderen Tragflächen 7 auch starr an der Zelle 2 festgelegt sein können, da die Höhenruderfunktion auch durch die Rotoranordnung 35, den beiden Steuerstangen 33 und 34 sowie den Kippkopf 37 sichergestellt werden kann. Neben dieser Höhenruderfunktion durch Drehen des Kippkopfs 37 um die Kippachse 25 kann auch eine Schwenkbewegung um die Längsachse 4 erfolgen, wodurch sich die Querruderfunktion des Fluggerätes 1 ergibt. Die beschriebene Anordnung wird Kippkopfsteuerung genannt und ist bei Tragschraubern üblich.
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An einem hinteren Endbereich 9 der Zelle 2 sind in einem obenliegenden Abschnitt spiegelbildlich zur Längsachse 4 ausgerichtete hintere Tragflächen 10 angeordnet, die ebenfalls eine Profilierung analog zu den vorderen Tragflächen 7 aufweisen. Da die hinteren Tragflächen 10 exemplarisch jeweils endseitig mit rechtwinklig abragenden Flügelendscheiben 27 (Winglets) ausgerüstet sind, ist die Profilierung der Tragflächen 10 nicht deutlich zu erkennen. Die Flügelendscheiben 27 (Winglets) dienen dazu, das Fluggerät um die Längsachse zu stabilisieren. Es ist vorgesehen, dass die beiden Flügelendscheiben 27 (Winglets) Seitenruder 13 aufweisen, die um die vertikale Schwenkachse 5 geschwenkt werden können. Die Seitenruderfunktion kann durch ungleichmäßigen Betrieb der beiden Antriebsmotoren 12 unterstützt werden.
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An jeder der beiden hinteren Tragflächen 10 ist jeweils mit gleichem Abstand zur Längsachse 4 ein Antriebspropeller 11 angeordnet, der rein exemplarisch als zweiflügliger Propeller ausgebildet ist. Beide Antriebspropeller 11 sind beispielhaft in einer nicht näher dargestellten, gemeinsamen Propellerebene drehfest an nicht näher dargestellten Antriebswellen von Elektromotoren 12 festgelegt. Die Antriebswellen der auch als zweite Elektromotoren bezeichneten Elektromotoren 12 sind ihrerseits jeweils drehbeweglich an einem nicht näher dargestellten Rotor des jeweiligen Elektromotors 12 gelagert, der seinerseits in der jeweiligen hinteren Tragfläche 10 aufgenommen ist. Die nicht dargestellten Antriebswellen der Elektromotoren 12 bestimmen für die Antriebspropeller 11 jeweils rein exemplarisch parallel zur Längsachse 4 ausgerichtete Propellerachsen 15. Die Elektromotoren 12 sind in nicht näher dargestellter Weise mit einer nicht dargestellten, in der Zelle 2 angeordneten Steuerungseinrichtung elektrisch verbunden, die unter anderem die Aufgabe hat, elektrische Energie an die beiden Elektromotoren 12 bereitzustellen.
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An einer Oberseite der Zelle 2 ist eine Rotorachse 30 schwenkbeweglich angeordnet, wobei exemplarisch vorgesehen ist, dass die Rotorachse 30 durch den Kippkopf 37 an der Zelle 2 aufgenommen ist und somit Schwenkbewegungen um die in 1 und 4 eingezeichnete Längsachse 4 ausführen kann. In Analogie zu einem Flächenflugzeug entspricht diese Schwenkbewegung der Querruderfunktion bei dem Fluggerät 1. Gleichzeitig ermöglichte der Kippkopf 37 eine Drehbewegung um den Drehpunkt 28 der Kippachse 25. In Analogie zu einem Flächenflugzeug entspricht diese Drehbewegung der Höhenruderfunktion bei dem Fluggerät 1. Für eine Einstellung einer Ausrichtung der Rotorachse 30 gegenüber der Zelle 2 die Steuerstangen 33 und 34 vorgesehen, die beispielsweise in unmittelbarer mechanischer Kopplung mit einer Steuereinrichtung für den Piloten stehen können. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Pilot im Flugbetrieb des Fluggeräts 1 einen nicht dargestellten Steuerknüppel bedient, der beispielhaft über nicht näher dargestellte Gestänge mit den Steuerstangen 33 und 34 für die Ausrichtung der Rotorachse 30 sorgt.
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An der Rotorachse 30 ist eine Rotoranordnung 35 angeordnet, die beispielhaft zwei Rotorblätter 36 aufweist. Wie aus der Darstellung der 4 entnommen werden kann, ist die Rotoranordnung 35 mit der Rotorwelle 38 gekoppelt und kann über diese während des Helikopterbetriebs angetrieben werden. Ferner ist vorgesehen, dass die Rotorwelle 38 aus einem oberen Wellenteil 39 und einem unteren Wellenteil 40 besteht, welche mit einem Längenausgleichsstück 41 drehfest verbunden sind. Das Längenausgleichsstück 41 kompensiert Längenänderungen, welche durch die Steuerbewegungen des Kippkopfes 37 hervorgerufen werden. Am oberen und unteren Ende der Rotorwelle 38 sind jeweils zwei Gelenke 42, 43 angeordnet die notwendig sind, um die Drehmomentenübertragung der Rotorwelle 38 auf die Rotoranordnung 35 bei Dreh- und Schwenkbewegungen des Kippkopfes 37 sicherzustellen.
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Das in 4 dargestellte Schwenkgelenk 24 dient zur Vergleichmäßigung des Auftriebs der Rotoranordnung 35 im Horizontalflug und ist bei Tragschraubern üblich. Hierbei werden die unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten, die sich durch das rotierende System in Überlagerung mit der Fluggeschwindigkeit ergeben, teilweise durch das gleichsinnige Schwenken der beiden Rotorblätter 36 kompensiert. Die restliche Kompensation des im Horizontalflug unsymmetrischen Auftriebs der Rotoranordnung 35 erfolgt durch leichtes Schwenken des Kippkopfes um dessen Längsachse 4. Durch diese relativ simple Anordnung kann beim Tragschrauber auf die bei Hubschaubern erforderliche, technisch aufwendige zyklische Blattverstellung verzichtet werden.
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Das Gelenk 43 ist drehfest mit der Motorgehäuseverlängerung 44 verbunden, welche nicht näher dargestellte Schleifringe enthält. Mit Hilfe dieser Schleifringe und der mit der Zelle 2 verbundenen Schleifkontakte 32 (U, V, W) wird der in einem gemäß der Darstellung der 4 und 5 in vertikaler Richtung erstreckten Durchgangskanal 60 angeordnete Rotorantriebsmotor 46 über nicht dargestellte Leitungen mit elektrischer Energie versorgt. Beispielhaft handelt es sich damit um einen Drehstrommotor der mit den drei Phasen U, V, und W betrieben wird. Für den auch als ersten Elektromotor bezeichneten Rotorantriebsmotor 46 sind aber auch andere Elektromotortypen wie z.B. Wechselstrom- oder Gleichstrommotor möglich. In diesen beiden Fällen werden nur zwei Schleifring- / Schleifkontakt-Kombinationen benötigt.
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Die Motorgehäuseverlängerung 44 und das Motorgehäuse 45 bilden eine Einheit, die sich frei um die in 4 eingezeichnete Motorachse 47 drehen kann. Diese Drehbewegung wird durch die mit der Zelle 2 verbundenen Lagerstellen 48 und 49 sowie die beiden Motorlager 50 und 51 ermöglicht. Im Motorgehäuse 45 befindet sich eine Statorwicklung 52, die über nicht näher dargestellte Schleifringe und Leitungen mit elektrischer Energie versorgt wird. Durch die Bestromung der Schleifkontakte 32 (U, V, W) kann nun ein Drehfeld erzeugt werden, welches den Motorrotor 53 des Rotorantriebsmotors 46 in eine Drehbewegung versetzt, welche über die Motorwelle 54 auf einen Impeller 55 übertragen wird, der mehrere in gleicher Winkelteilung und mit einem festen Anstellwinkel zur Rotorachse 30 angeordnete, nicht näher dargestellte Schaufeln aufweist. Das hierbei erzeugte Drehmoment erzeugt ein Gegenmoment, welches über die Motorgehäuseverlängerung 44, das untere Gelenk 43, die Rotorwelle 38 und dem oberen Gelenk 42 auf die Rotoranordnung 35 übertragen wird. Es ergibt sich eine gegensinnige Drehbewegung von Impeller 55 und Rotoranordnung 35, ohne dass ein sogenanntes Rückstellmoment auf die Zelle 2 übertragen wird. Da Hubschrauber im Betrieb ein Rückstellmoment erzeugen, benötigen diese im Gegensatz zu dem hier beschriebenen Fluggerät 1 einen komplizierten und relativ schweren Heckrotor.
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In Abhängigkeit davon, wie die Rotorblattanordung 35 und der Impeller 55 ausgelegt sind, kann es sinnvoll sein, die beiden Bauteile über ein Getriebe 57 mit festem Übersetzungsverhältnis zu koppeln. Hierbei könnte beispielsweise ein Planetengetriebe zur Verwendung kommen. Es sind aber auch andere Getriebe mit Festübersetzung denkbar. In der Detailansicht gemäß 5 ist ein solches Getriebe 57 schematisch angedeutet. Abhängig davon, welcher Motortyp beim Rotorantriebsmotor 46 zur Verwendung kommt, ist ein Freilauf 56 notwendig. Dieses gilt zum Beispiel für einen permanent erregten Synchron Motor (PSM). Solche Motoren weisen ein Rastmoment auf, welches sich im Autorotationsbetrieb störend auswirken würde. Der Freilauf 56 ist ebenfalls in 5 schematisch angeordnet. Ein Freilauf 56 bringt einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn. Selbst bei einem blockierten Rotorantriebsmotor 46 könnte der Flug im Autorotationsbetrieb fortgesetzt werden.
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Da ferner davon ausgegangen wird, dass die Profile der Rotoranordnung 35 und des Impellers 55 in geeigneter Weise ausgewählt wurden, stellt sich durch ihre gegensinnige Rotationsbewegung ein in vertikaler Richtung nach unten wirkender Schub ein, der in einer nach oben wirkenden Auftriebskraft auf das Fluggerät 1 resultiert und ein Abheben des Fluggeräts 1 vom Boden bewirkt, so dass das Fluggerät 1 in der Art eines Helikopters als Senkrechtstarter betrieben werden kann. Hierbei können Drehbewegungen des Fluggeräts 1 um die Hochachse durch geeignete Ansteuerung, insbesondere gegensinnige Ansteuerung, der Elektromotoren 12 hervorgerufen werden.
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Der Landevorgang erfolgt vorzugsweise ebenfalls nach Art eines Helikopters, in dem die Drehzahl des Rotorantriebsmotors 46 entsprechend reduziert wird. Hierbei wird der gewünschte Landepunkt durch entsprechende Steuerbewegungen am Kippkopf 37 und Betätigung der Antriebsmotoren 12 erreicht.
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Ebenfalls möglich ist die Landung im Autorotationsbetrieb analog zu einem Tragschrauber. Hierbei wird der Rotorantriebsmotor 46 nicht betrieben, die Rotoranordnung 35 erzeugt durch ihre Luftumströmung den notwendigen Auftrieb. Landungen dieser Art erfordern eine kurze Landestrecke. Diese ist um etwa eine Größenordnung kleiner als die eines Flugzeuges mit Tragflächen.
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Diese Eigenschaft macht das Fluggerät 1 besonders sicher, da selbst bei einem Totalausfall des gesamten Antriebssystems mit wenig Platzbedarf gelandet werden kann. Eine solche Eigenschaft ist in einem urbanen Umfeld besonders wünschenswert.
