DE102021132911A1 - Hubeinheit für ein Luftfahrzeug und Luftfahrzeug mit einer solchen Hubeinheit - Google Patents

Hubeinheit für ein Luftfahrzeug und Luftfahrzeug mit einer solchen Hubeinheit Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt eine Hubeinheit für ein Luftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: einem Propeller (11), einem axial zum Propeller (11) versetzten Motorlager (12) und einem zylindrischen Elektromotor (13) mit einer vom Motorlager (12) eingefassten Mantelfläche.Die Erfindung stellt ferner ein Luftfahrzeug bereit.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubeinheit für ein Luftfahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Luftfahrzeug mit einer solchen Einheit.
  • Stand der Technik
  • Als VTOL wird in der Luft- und Raumfahrttechnik sprachübergreifend jedwede Art von Flugzeug, Drohne oder Rakete bezeichnet, welche die Fähigkeit besitzt, im Wesentlichen senkrecht und ohne Start- und Landebahn abzuheben und wieder aufzusetzen. Dieser Sammelbegriff wird nachfolgend in einem weiten Sinne verwendet, der nicht nur Starrflügelflugzeuge mit Tragflächen, sondern ebenso Drehflügler wie Hub-, Trag-, Flugschrauber und Hybride wie Verbundhub- oder Kombinationsschrauber sowie Wandelflugzeuge einschließt. Erfasst seien des Weiteren Luftfahrzeuge mit der Fähigkeit, auf besonders kurzen Strecken zu starten und zu landen (short take-off and landing, STOL), auf kurzen Strecken zu starten, aber senkrecht zu landen (short take-off and vertical landing, STOVL) oder senkrecht zu starten, aber horizontal zu landen (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).
  • CN210284604U offenbart einen mittels eines Bolzens am Flügel eines unbemannten Luftfahrzeuges befestigten Motor.
  • CN211033019U schlägt vor, den Motorsockel mittels einer Schraube mit einem unbemannten Luftfahrzeug zu verbinden.
  • CN211167430U beschreibt ein Motorgehäuse, welches über radiale Stege mit einem unbemannten Luftfahrzeug verbunden ist.
  • CN211996121U diskutiert, einen fest mit dem Motor verbundenen Block radial über eine Schraube an der Stützstange zu befestigen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt eine Hubeinheit für ein Luftfahrzeug und ein mit einer solchen Einheit ausgestattetes Luftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Dem erfindungsgemäßen Ansatz liegt hierbei die Einsicht zugrunde, dass ein in urbanen Umgebungen einsetzbares VTOL-Luftfahrzeug Antriebseinheiten benötigt, die in der Lage sind, jede Flugphase (Start, Übergang, Reiseflug und Landung) zu bewältigen, gleichzeitig jedoch den strengen Konstruktionsprinzipien des Struktur- und Systemleichtbaus Genüge leisten sollen.
  • Herkömmlicherweise wird zu diesem Zweck ein Elektromotor auf einem Motorlager angebracht. Diese Lösung birgt zwar aerodynamische Vorteile, resultiert aber in einer Hubeinheit von beträchtlicher Höhe (siehe 1 bis 3). Im Falle eines begrenzten Bauraumes ist dieser Nachteil nicht hinnehmbar.
  • Um eine besonders flache Hubeinheit zu schaffen, ohne die Höhe des eigentlichen Motors einzuschränken, wird erfindungsgemäß dessen Träger von der Unterseite an den Umfang des Motors verlegt. Ein weiterer Vorzug dieser Lösung liegt darin, dass sie die Belastung, welcher die Lagerstellen durch die Propellerdynamik ausgesetzt sind, durch eine Verkürzung des Hebelarms zum Propeller senkt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So können anstelle eines freifahrenden Rotors etwa in die Tragfläche integrierte, durch Lamellen abdeckbare Mantelpropeller (ducted fans) vorgesehen sein, wie sie abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt sind. Das den jeweiligen Hubrotor umgebende zylindrische Gehäuse, der sogenannte Mantelring, vermag dabei die bei herkömmlichen Propellern infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen auftretenden Schubverluste zu mindern.
  • Ferner kann eine stromlinienförmige Verkleidung der Propellernabe in Gestalt eines sogenannten Spinners vorgesehen sein. In einer entsprechenden Ausführungsform lässt sich eine aus Motor, Propeller, Spinner, Motorlager sowie ober- und unterseitiger Lamellenanordnung zusammengesetzte Hubeinheit derart kompakt konstruieren, dass sie selbst in einer Tragfläche von geringer Bauhöhe Platz findet.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die Nase des Luftfahrzeuges einen Hohlraum aufweist, aus welchem die Hubeinheit bei Bedarf ausgefahren werden kann. Dank der flachen Bauform der erfindungsgemäßen Hubeinheit ist auch diese Variante mühelos umsetzbar.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die Hubeinheit radial zum Elektromotor gerichtete Scherbolzen aufweist, welche das Motorgehäuse drehstarr mit dem Motorlager verbinden und somit die durch das Motordrehmoment, den aerodynamischen Auftrieb und die Vibrationen verursachten Lasten tragen. Anzahl und Platzierung dieser Bolzen lassen sich problemlos der Belastung anpassen, wobei bereits drei Bolzen zur statischen Bestimmtheit des Motors genügen.
  • Schließlich kann der Motorträger in die aerodynamische Struktur des Luftfahrzeuges integriert werden, um schubmindernde Luftverwirbelungen zu vermeiden.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
    • 1 bis 3 zeigen senkrechtstartfähige Luftfahrzeuge nach dem Stand der Technik.
    • 4 zeigt die Druntersicht einer Flügelhubeinheit gemäß einer Ausführungsform.
    • 5 zeigt einen Längsschnitt der Flügelhubeinheit entlang der Propellerachse.
    • 6 zeigt eine Einzelheit der Flügelhubeinheit in einer 5 entsprechenden Darstellung.
    • 7 zeigt die Druntersicht einer Nasenhubeinheit gemäß einer Ausführungsform.
    • 8 zeigt eine Seitenansicht der Nasenhubeinheit in einem Hohlraum des Luftfahrzeugs.
    • 9 zeigt eine Einzelheit der Nasenhubeinheit in einer Schnittdarstellung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Ein Luftfahrzeug ist mit zwei freifahrenden und einklappbaren Hubrotoren beiderseits der Nase - im Folgenden: „Nasenhubeinheiten“ -, insgesamt sechs ummantelten und mit Lamellen versehenen Hubrotoren in den beiderseitigen Flügeln - im Folgenden: „Flügelhubeinheiten“ - sowie zwei heckseitigen Propellern mit langgestreckten Mänteln - im Folgenden: „Reiseschubeinheiten“ - ausgestattet. (In diesem Zusammenhang wird der Begriff „Propeller“ stets in einem weiten Wortsinn verwendet, der die vorrangig dem Vortrieb dienenden Reiseschubeinheiten einerseits und die vorrangig dem Auftrieb dienenden Nasen- und Flügelhubeinheiten andererseits gleichermaßen einschließt; entsprechend werden ummantelte Schub- und Hubeinheiten gleichermaßen als „Mantelpropeller“ bezeichnet.) In der Reiseflug- und Bodenkonfiguration sind die Lamellen der Flügelhubeinheiten geschlossen und die Nasenhubeinheiten unter oder in den Rumpf eingeklappt; beim Schweben hingegen sind die Lamellen der Flügelhubeinheiten geöffnet und beide Nasenhubeinheiten seitwärts ausgeklappt.
  • 4 illustriert die Lagerung des Elektromotors einer der Flügelhubeinheiten (10). Das Motorlager (12) wird in dieser Ausgestaltung durch ein aus carbon- oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigtes Leitgitter (12) gebildet, welche den Elektromotor (13) in achsen- und drehsymmetrischer Anordnung von gegenüberliegenden Seiten abstützt. Zwei Streben des Leitgitters (12) verlaufen parallel zueinander in der Anströmrichtung des - hier in seiner Gesamtheit nicht dargestellten - Flügels und flankieren den zugehörigen Elektromotor (13) tangential. Je zwei an diese Wangen gefügte Balken ergänzen sich mit den diametral zum Motor gegenüberliegenden Balken der jeweils anderen Wange zu einem Andreas- oder Schrägkreuz und steifen den Elektromotor (13) derart aus, dass das Leitgitter (12) alle Horizontalkräfte in der Motorebene aufnimmt.
  • Wie 5 erkennen lässt, weisen die Streben des Leitgitters (12) eine Breite auf, welche annähernd der Höhe des Elektromotors (13) entspricht. Dieser trägt vorliegend einen axial zum Motorlager (12) versetzten, mit einem stumpfen Spinner (15) verkleideten Propeller (11). Ein- und Auslauf des Propellermantels sind in der dargestellten Konfiguration durch stirnseitige Lamellenbaugruppen (14) verschlossen, die jedoch über einen - zeichnerisch lediglich angedeuteten - Antrieb nach Bedarf geöffnet werden können.
  • 6 beleuchtet die Anbindung des Elektromotors (13) am Auflagepunkt einer der Streben des Leitgitters (12 - vgl. 3). Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, definiert das Motorgehäuse (16) in der gezeigten Ausführungsform die Mantelfläche des zylindrischen Motors, welche vom integral mit dem Fahrzeugaufbau (18) ausgeführten Motorlager (12) eingefasst wird. Mit letzterem ist das Motorgehäuse (16) durch einen radial zum Elektromotor (13) gerichteten Brech- oder Scherbolzen (17) verbunden, welcher bei einem größeren Schaden der Hubeinheit (10) unter starker Vibration nachgibt und einen kontrollierten Abwurf des Elektromotors (13) erlaubt.
  • 7 veranschaulicht die entsprechende Ausgestaltung einer der Nasenhubeinheiten (10), deren Motorlager (12) ringförmig ausgebildet ist. Wie 8 erkennen lässt, weist die Nase des Luftfahrzeuges einen Hohlraum (19) auf, welcher die Hubeinheit (10) aufnimmt, bei Bedarf jedoch ihr seitliches Ausfahren ermöglicht. Auch hier sind Motorlager (12) und Motorgehäuse (16) durch einen radial zum Elektromotor (13) gerichteten Scherbolzen (17) verbunden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist der Elektromotor (13) als luftgekühlter Innenläufer mit integrierter Steuerung ausgeführt. Es versteht sich, dass in einer alternativen Ausgestaltung zum Beispiel ein Außenläufer oder eine Flüssigkeitskühlung zum Einsatz kommen mögen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Weitere exemplarische Optionen offenbart etwa DUFFY, Michael, et al. Propulsion scaling methods in the era of electric flight. In: 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS). IEEE, 2018. S. 1-23.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • CN 210284604 U [0003]
    • CN 211033019 U [0004]
    • CN 211167430 U [0005]
    • CN 211996121 U [0006]

Claims (10)

  1. Hubeinheit (10) für ein Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - einen Propeller (11), - ein axial zum Propeller (11) versetztes Motorlager (12) und - einen zylindrischen Elektromotor (13) mit einer vom Motorlager (12) eingefassten Mantelfläche.
  2. Hubeinheit (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Hubeinheit (10) umfasst einen Propellermantel und Lamellenbaugruppen (14) und - zumindest eine der Lamellenbaugruppen (14) ist stirnseitig am Propellermantel angeordnet.
  3. Hubeinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Hubeinheit (10) umfasst einen Spinner (15) und - der Propeller (11) trägt den Spinner (15) auf einer dem Elektromotor (13) abgewandten Seite.
  4. Hubeinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Elektromotor (13) weist ein hohlzylindrisches Motorgehäuse (16) auf und - die Mantelfläche des Elektromotors (13) wird vom Motorgehäuse (16) definiert.
  5. Hubeinheit (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Hubeinheit (10) weist radial zum Elektromotor (13) gerichtete Scherbolzen (17) auf und - die Scherbolzen (17) verbinden das Motorgehäuse (16) drehstarr mit dem Motorlager (12).
  6. Luftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - eine Hubeinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und - einen das Motorlager (12) umfassenden Fahrzeugaufbau (18).
  7. Luftfahrzeug nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Hubeinheit (10) ist an einer Nase des Luftfahrzeuges angeordnet.
  8. Luftfahrzeug nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Nase weist einen die Hubeinheit (10) aufnehmenden Hohlraum (19) auf und - die Hubeinheit (10) ist aus dem Hohlraum (19) ausfahrbar.
  9. Luftfahrzeug nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Hubeinheit (10) ist in einer Tragfläche des Luftfahrzeuges angeordnet.
  10. Luftfahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - das Motorlager (12) ist ringförmig oder - das Motorlager (12) wird durch ein den Elektromotor (13) umrahmendes Leitgitter (12) gebildet.
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