DE102021005597A1 - Principle of a rotating and folding joint and sensors for angling the structure of a flying object - Google Patents

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Abstract

1. Bezeichnung der Erfindung: Prinzip Dreh-Klapp-Gelenk und Sensoren zum Anwinkeln des Tragwerks eines Flugobjektes2. a, Technisches Gebiet: Vertikal Startende Landende Objekte (Vertical Take Off and Landing)2. b, Technisches Problem: Starre Tragwerke2. c, Technische Lösung: Anwinkelbare Flügel (abwinkelbare Flügel, klappbare Flügel) durch Dreh-Klapp-Gelenk2. d, Technische Anwendung: Starten und Landen mit angewinkelten Flügel auf enger Fläche, insbesondere auf herkömmlichen Parkflächen im innerstädtischen Gebiet3. Zeichnung mit der deutlichsten Kennzeichnung: Abb. 41. Designation of the invention: Principle of a rotating and folding joint and sensors for angling the structure of a flying object2. a, Technical Field: Vertical Take Off and Landing Objects2. b, Technical problem: Rigid structures2. c, Technical solution: Wings that can be bent (wings that can be bent, wings that can be bent, wings that can be bent) by means of a rotating and folding joint2. d, Technical application: Take-off and landing with angled wings in a narrow area, especially in conventional parking areas in inner-city areas3. Drawing with the clearest marking: Fig. 4

Description

Die vorliegende Innovation bezieht sich auf Flugobjekte, die vertikal starten und landen (VTOL) und starre Tragwerke haben, um Start und Landung in engem Raum durch Anwinkeln der Flügel zu ermöglichen.The present innovation relates to vertical take-off and landing (VTOL) flying objects that have rigid structures to allow take-off and landing in tight spaces by angling the wings.

01 Problemstellung, Stand der Technik und Nachteile der Technik01 Problem, state of the art and disadvantages of the technology

Militärische Flugobjekte mit VTOL, insbesondere solche für die Nutzung auf Flugzeugträger-Motorschiffen, sind in der Lage die Flügelspannweite durch eindimensionales Anwinkeln zu verkürzen. Heißt, die Flügel werden einfach nach oben geklappt.Military flying objects with VTOL, especially those for use on aircraft carrier motor ships, are able to shorten the wingspan by means of one-dimensional angling. That means the wings are simply folded up.

Zivile Flugobjekte mit VTOL nach der Bauart US20160023754A1 / DE102014213215.A1 et. al. (Lilium GmbH / Daniel Wiegand), sind mit einem starren Tragwerk ausgestattet. Daraus ergeben sich folgende Nachteile. Die Flugobjekte sind allgemein untauglich an städtischer Infrastruktur teilzunehmen und sind damit untauglich:

  1. A. für das Starten und Landen auf einfachen Stellplätzen wie sie im Straßenbild für herkömmliche Kraftfahrzeuge (allgemein 6 Meter Länge und 2 Meter Breite) vorhanden sind;
  2. B. zur Aufnahme von Energieträgern (bspw. fossile/alkoholische oder nicht-fossile/nichtalkoholischen Energieträgern wie Strom) an Tanksäulen oder Ladestationen.
  3. C. Ergo: für diese VTOL müssen separate Infrastrukturen für das Starten und Landen sowie für die Energieversorgung mit allen ökologischen Nachteilen (bspw. dezentrale Standorte, Bodenversiegelung, Anbindung an Energieleitsysteme) geschaffen werden.
Civilian flying objects with VTOL according to type US20160023754A1 / DE102014213215.A1 etc. al. (Lilium GmbH / Daniel Wiegand) are equipped with a rigid supporting structure. This results in the following disadvantages. The flying objects are generally unfit to participate in urban infrastructure and are therefore unfit:
  1. A. for take-off and landing on simple parking spaces as found on the street for conventional motor vehicles (generally 6 meters long and 2 meters wide);
  2. B. to absorb energy sources (e.g. fossil/alcoholic or non-fossil/non-alcoholic energy sources such as electricity) at petrol pumps or charging stations.
  3. C. Ergo: for this VTOL, separate infrastructures for take-off and landing as well as for the energy supply with all ecological disadvantages (e.g. decentralized locations, ground sealing, connection to energy control systems) must be created.

02 Lösungsansatz und erwartete Vorteile und Funktionen der Lösung02 Solution approach and expected benefits and features of the solution

Die Flügelspannweite wird durch ein Dreh-Klapp-Gelenk dem Flugmodus Starten-Landen bzw. Fliegen angepasst. Der Flügel wird von der Waagerechten in die Senkrechte ausgehend von der horizontalen Achse des Flugobjekts um bis zu 90 Grad gedreht. Der Flügel wird seitlich an den Flugkörper (fort folgend Body genannt) angewinkelt.
Am Boden, vor dem Starten, sind die Flügel zunächst senkrecht gestellt und an den Body angewinkelt. Erreicht das Flugobjekt eine gewisse Höhe zum Boden, werden die Flügel über die volle Spannweite ausgestreckt und waagerecht gestellt, um den Flugmodus Fliegen einzunehmen. Für den Ladevorgang werden die Flügel in einer gewissen Höhe über dem Landeplatz senkrecht zur Landestelle gestellt und zum Body angewinkelt, um vertikal zur horizontalen Achse des Body zu landen und zu parken.The wingspan is adjusted to the take-off-landing or flying mode of flight by means of a rotating and folding joint. The wing is rotated from horizontal to vertical by up to 90 degrees from the horizontal axis of the flying object. The wing is angled laterally to the missile (hereinafter referred to as the body).
On the ground, before take-off, the wings are initially vertical and angled to the body. When the flying object reaches a certain height from the ground, the wings are extended over the full span and placed horizontally to assume the flying flight mode. For loading, the wings are set perpendicular to the landing pad at a certain height above the landing pad and angled to the body to land and park vertical to the horizontal axis of the body.

Damit wird es dem Flugobjekte möglich, bereits vorhandene städtische Straßenverkehrsinfrastruktur zu nutzen. Insbesondere wird es möglich, verkehrsübliche Parkplatzfläche mit einer Dimension von ca. 6 Meter Länge und 2 Meter Breite einzunehmen. Zusätzlich wird es möglich, zusätzliche Energie am Parkplatz aufzunehmen. Ergo: der Aufbau zusätzlicher Infrastruktur speziell für die Nutzung der Patente US20160023754A1 / DE102014213215.A1 wird vermieden.This makes it possible for the flying object to use the existing urban road traffic infrastructure. In particular, it is possible to take up normal parking space with a dimension of approx. 6 meters in length and 2 meters in width. In addition, it becomes possible to absorb additional energy at the parking lot. Ergo: the construction of additional infrastructure specifically for the use of patents US20160023754A1 / DE102014213215.A1 is avoided.

03 Beschreibung der Lösungsstruktur03 Description of the solution structure

Ein Flügel unterteilt sich im Wesentlichen in den Flügelteil am Body, das Dreh-Klapp-Gelenk und die Flügelaußenseite. Die [ ] wird das Tragwerk des Flugobjektes mit seiner vollen Spannweite der Flügel dargestellt. i stellt das Dreh-Klapp-Gelenk als Kugel dar. ii ist der Teil des Flügels zur Flügelinnenseite des Body. iii ist die Flügelaußenseite. Dieses Schema ist auf alle Flügel am Flugobjekt anwendbar. Die volle Spannweite wird im Flugmodus angewandt.A wing is essentially divided into the wing part on the body, the rotating and folding joint and the outside of the wing. The [ ] the structure of the flying object is shown with its full span of the wings. i represents the twist-and-fold joint as a ball. ii is the part of the wing to the inside of the wing of the body. iii is the outside of the wing. This scheme is applicable to all wings on the flying object. Full span is applied in flight mode.

Das Dreh-Klapp-Gelenk ist elektro-mechanisch oder hydraulisch stufenlos in der Lage den Flügel des Flugobjekte zu drehen. Bei Starts und Landungen wird der Flügel senkrecht zur Flugkapsel ausgerichtet. Im Flugbetrieb wird der Flügel waagerecht zum Body ausgerichtet.The rotating and folding joint is electro-mechanically or hydraulically infinitely capable of rotating the wing of the flying object. When taking off and landing, the wing is aligned perpendicular to the flight capsule. In flight, the wing is aligned horizontally to the body.

Die Darstellung I in [ ] zeigt die drei wesentlichen Teile des Flügels. i stellt das Dreh-Klapp-Gelenk als Kugel mit Durchmesser a dar. ii ist der Teil des Flügels zur Flügelinnenseite des Body. iii ist die Flügelaußenseite. I ist die Normalstellung des Flügels im Flugmodus.
Die Darstellung Ia zeigt die vertikal gestellte Flügelaußenseite (iii). Die Drehung findet durch i statt.
Die Darstellung Ib zeigt die Dehnung von i hin zu einer Kapsel mit der Dimension a' + y. a'
ist der um die Verformung reduzierte Durchmesser von a.
Die Darstellung Ic zeigt die angewinkelte Flügelaußenseite im vertikalen Zustand als Normalstellung des Flügels im Modus vertikaler Start, vertikale Landung oder Parken.The representation I in [ ] shows the three essential parts of the wing. i represents the twist-and-fold joint as a ball with diameter a. ii is the part of the wing to the inside of the wing of the body. iii is the outside of the wing. I is the normal position of the wing in flight mode.
Representation Ia shows the outside of the wing positioned vertically (iii). The rotation takes place through i.
The illustration Ib shows the elongation of i towards a capsule with the dimension a' + y. a'
is the diameter of a reduced by the deformation.
The illustration Ic shows the angled wing surface in the vertical state as the normal position of the wing in the vertical take-off, vertical landing or parking mode.

Die Darstellung II in [ ] zeigt den Flügel von der horizontalen Seitensicht analog . i stellt das Dreh-Klapp-Gelenk als Kugel dar und hat den Durchmesser a. ii ist der Teil des Flügels zur Flügelinnenseite des Body. iii ist die Flügelaußenseite. II ist die Normalstellung des Flügels im Flugmodus.
Die Darstellung II a zeigt die vertikal gestellte Flügelaußenseite (iii). Die Drehung findet durch i statt.
Die Darstellung IIb zeigt die angewinkelte Flügelaußenseite im vertikalen Zustand als Normalstellung des Flügels im Modus vertikaler Start, vertikale Landung oder Parken.The representation II in [ ] analogously shows the wing from the horizontal side view . i represents the swivel joint as a sphere and has the diameter a. ii is the part of the wing towards the inside of the wing of the body. iii is the outside of the wing. II is the normal position of the wing in flight mode.
The representation II a shows the vertically positioned outside of the wing (iii). The rotation takes place through i.
The illustration IIb shows the angled outside of the wing in the vertical state as the normal position of the wing in vertical takeoff, vertical landing or parking mode.

Das Dreh-Klapp-Gelenk klappt den Flügel nach innen (elektro-mechanisch oder hydraulisch), so dass der Flügel nahe der Außenseite des Body anliegt. Damit ergibt sich eine Außendimension für das Flugobjekt im Rahmen eines herkömmlichen Kraftfahrzeugparkplatz.The twist-and-fold joint folds the wing inward (electro-mechanically or hydraulically) so that the wing is close to the outside of the body. This results in an external dimension for the flying object in the context of a conventional motor vehicle parking space.

In [ ] wird das Tragwerk des Flugobjektes mit angewinkelten Flügeln dargestellt. i stellt das Dreh-Klapp-Gelenk als Kugel dar. ii ist der Teil des Flügels zur Flügelinnenseite des Body. iii ist die Flügelaußenseite. Dieses Schema ist auf alle Flügel am Flugobjekt anwendbar. Die angewinkelten Flügel werden in den Modus Start, Landung und Parken angewandt.In [ ] the structure of the flying object is shown with angled wings. i represents the twist-and-fold joint as a ball. ii is the part of the wing to the inside of the wing of the body. iii is the outside of the wing. This scheme is applicable to all wings on the flying object. The angled wings are applied in takeoff, landing and parking modes.

Das Dreh-Klapp-Gelenk verkürzt den Abstand zwischen Flügel und Flügelansatz elektro-mechanisch oder hydraulisch, um weitere Einheiten, so dass die Außendimensionen des Flugobjektgesamtaufbaus maximal reduziert werden.The rotating and folding joint shortens the distance between the wing and the wing attachment electro-mechanically or hydraulically by further units, so that the outer dimensions of the overall structure of the flying object are reduced to the maximum.

Die Darstellung III in [ ] zeigt die innere Kugel i3 mit der Anbindung i1 zur Flügelaußenseite iii sowie die äußere Kugel i4 mit seiner Anbindung i2 an die Flügelseite ii zum Body. i4 ist zur Seite i1 geöffnet, so dass sich die innere Kugel i3 mit der Anbindung i1 bewegen kann (Anwinkeln des Flügels).The representation III in [ ] shows the inner sphere i 3 with the connection i 1 to the outside of the wing iii and the outer sphere i 4 with its connection i 2 to the wing side ii to the body. i 4 is open to the side i 1 , so that the inner sphere i 3 can move with the connection i 1 (angling of the wing).

Die Darstellung IIIa zeigt den Schnitt der äußeren Kugel i4 und seiner Anbindung i2. In die Materialstruktur ist ein Bewegungsmechanismus i6 eingefügt. i6 wird elektro-mechanisch stimuliert, sodass sich i4 zu einer Kapsel spannt oder in der Kugel entspannt.
Die Darstellung IIIb zeigt den Schnitt der inneren Kugel i3 und seiner Anbindung i1 sowie eine Öffnung von i3 in Richtung i4. In die Materialstruktur ist ein Bewegungsmechanismus i5 eingefügt. i6 wird elektro-mechanisch stimuliert, so dass sich i3 zu einer Kapsel mit der Dimension a' + y spannt oder in der Kugel mit dem Durchmesser a entspannt. Die Entspannung zur Kugelform und Anspannung zur Kapselform von i3 und i4 erfolgt durch eine elektronische oder digitale Steuerung im Gesamtverbund des Flugobjektes mit allen Flügeln.Representation IIIa shows the section of the outer sphere i 4 and its connection i 2 . A movement mechanism i 6 is inserted into the material structure. i 6 is electro-mechanically stimulated so that i 4 expands into a capsule or relaxes in the sphere.
The illustration IIIb shows the section of the inner sphere i 3 and its connection i 1 as well as an opening of i 3 in direction i 4 . A movement mechanism i 5 is inserted into the material structure. i 6 is electro-mechanically stimulated so that i 3 tightens into a capsule of dimension a' + y or relaxes in the sphere of diameter a. The relaxation of the ball shape and the contraction of the capsule shape of i 3 and i 4 is carried out by an electronic or digital control in the overall network of the flying object with all wings.

Durch manuelle Eingriffe oder durch elektrisch-elektronische Aktuatoren können Flügel im Tragwerkverbund einzeln oder gemeinsam oder teilweise im Set, synchron oder asynchron gesteuert werden.Manual intervention or electric-electronic actuators can be used to control wings in the supporting structure individually, together or partially in a set, synchronously or asynchronously.

Die [ ] zeigt die schematische Anordnung von Sensoren an der Unterseite und an der Oberseite des Flugobjektes. Die Kombination der Sensoren fs, hs (an Vorder- und Rückseite laut Flugrichtung) sowie o (an jeweils der Ober- und Unterseite) würden optische Kameras sein und für einen 720° Blick der automatisierten Orientierung im Flugobjekt sorgen. Die Sensoren s1 .. s4 (photodiodisch, Lidar oder schallwellenbasiert) dienen der Abstandsmessung zu allen Seiten.The [ ] shows the schematic arrangement of sensors on the underside and on the top of the flying object. The combination of the sensors fs, hs (on the front and back according to the flight direction) and o (on the top and bottom) would be optical cameras and provide a 720° view of the automated orientation in the flying object. The sensors s 1 .. s 4 (photodiode, lidar or based on sound waves) are used to measure the distance on all sides.

04 Unterscheidungsmerkmale der Lösung04 Differentiators of the solution

Das erste wesentliche Unterscheidungsmerkmal der Erfindung ist das Anwinkeln und Anklappen jedes Flügels mittels eines flügeleigenen Dreh-Klapp-Gelenks. Das ermöglicht die Reduktion der Flügelspannweite für die Start- und Lande- Situation sowie für die Parkposition des Flugobjektes. Es ermöglicht, dass jeder Flügel nur im Flugmodus in voller Spannweite ausgebreitet werden kann.The first essential distinguishing feature of the invention is the angling and folding of each wing by means of a wing-specific rotary folding joint. This enables the reduction of the wingspan for the take-off and landing situation as well as for the parking position of the flying object. It allows each wing to be deployed to full span only in flight mode.

Das zweite wesentliche Unterscheidungsmerkmal der Erfindung ist die stufenlose Drehbarkeit jedes Flügels durch des Dreh-Klapp-Gelenks. Das ermöglicht Starts und Landungen auf schiefen Ebenen bei gedrehten und angewinkelten Flügeln. Während die Flugkapsel waagerecht zum Horizont in der Luft schwebt, neigt sich der Flügel parallel zur Erdoberfläche. Der notwendige Schub bzw. Druck durch die Mantelpropeller (ducted propellers/fans US20160023754A1 / DE102014213215.A1 ) erfolgt senkrecht zur Start- Landeoberfläche (als realer Nullpunkt). Die Steuerung des Flügels bzw. der Flügelanordnung erfolgt manuell oder automatisch mittels elektrisch-elektronischer Aktuatoren.The second essential distinguishing feature of the invention is the stepless rotation of each wing by the rotary folding joint. This enables take-offs and landings on inclined planes with rotated and angled wings. While the flight capsule hovers in the air, level with the horizon, the wing tilts parallel to the earth's surface. The necessary thrust or pressure from the ducted propellers/fans US20160023754A1 / DE102014213215.A1 ) occurs perpendicularly to the take-off and landing surface (as a real zero point). The wing or the wing arrangement is controlled manually or automatically by means of electric-electronic actuators.

06 Schematische Darstellungen in Bildern06 Schematic representations in pictures

Alle folgenden Abbildungen sind ohne Maßstab angefertigt. Sie stellen das funktionale Prinzip zum Anwinkeln des Flügels dar.

  • [ ] Schematische Darstellung Tragwerk Flugobjekt mit voller Spannweite i
  • [ ] Schematische Darstellung Schnitt Flügel Draufsicht im Detail
  • [ ] Schematische Darstellung Schnitt Flügel Seitensicht im Detail
  • [ ] Schematische Darstellung Dreh-Klapp-Gelenk (i)
  • [ ] Schematische Darstellung Tragwerk Flugobjekt abgewinkelte Flügel
  • [ ] Schematische Darstellung Sensoren außenseitig Flugobjekt
All of the following illustrations are made without scale. They represent the functional principle for angling the wing.
  • [ ] Schematic representation of structure flying object with full span i
  • [ ] Schematic representation section wing plan view in detail
  • [ ] Schematic representation of section wing side view in detail
  • [ ] Schematic representation of the swivel joint (i)
  • [ ] Schematic representation airframe flying object angled wings
  • [ ] Schematic representation of sensors on the outside of the flying object

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 20160023754 A1 [0003, 0005, 0018]US20160023754 A1 [0003, 0005, 0018]
  • DE 102014213215 A1 [0003, 0005, 0018]DE 102014213215 A1 [0003, 0005, 0018]

Claims (7)

Das Design des Dreh-Klapp-Gelenks in Form einer Kugel als auch als Kapsel inkl. Öffnung und in die Materialstruktur eingefügter Mechanik.The design of the twist-and-fold joint in the form of a sphere as well as a capsule including an opening and a mechanism integrated into the material structure. Die Mechanik im Dreh-Klapp-Gelenk zur Veränderung des Gelenks zwischen Kugel und Kapsel.Mechanics in the twist-and-fold joint for changing the joint between the ball and the capsule. Die individuelle Steuerung eines Dreh-Klapp-Gelenks im Gesamtverbund durch manuellen oder automatisierten Eingriff.The individual control of a rotating and folding joint in the overall network through manual or automated intervention. Der Materialverbund aus Metallgewebe und Kunststoff (bspw. Kohlenstoffverbindung/ Carbonfaser) für die notwendige Elastizität, Steifigkeit und Lebensdauer des Dreh-Klapp-Gelenks.The material composite of metal fabric and plastic (e.g. carbon compound/carbon fiber) for the necessary elasticity, rigidity and service life of the rotary folding joint. Pilotenassistenzsystem (PAS): Die Anordnung der Sensoren am Flugobjektgesamtaufbau für die 720° digitale Umweltanalyse und digitale Datenverarbeitung zur optischen Unterstützung des Piloten.Pilot assistance system (PAS): The arrangement of the sensors on the overall structure of the flying object for the 720° digital environmental analysis and digital data processing for optical support of the pilot. Autopilotensystem (APS): Die Anordnung der Sensoren am Flugobjektgesamtaufbau zur Steuerung des Flugobjektes durch einen Autopiloten.Autopilot system (APS): The arrangement of the sensors on the overall structure of the flying object for controlling the flying object by an autopilot. Die manuelle oder automatisierte elektrisch-elektronische Steuerung des Dreh-Klapp-Gelenks im Abgleich mit der Umgebung.The manual or automated electric-electronic control of the rotating and folding joint in comparison with the environment.
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