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Die Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere für den bemannten Betrieb.
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Im Stand der Technik sind verschiedenste Konfigurationen von Flugzeugen für den senkrechten Start und die senkrechte Landung bekannt.
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Die
US 2021/0253233 A1 betrifft in diesem Zusammenhang ein faltbares Rotorsystem für einen Drehflügler, umfassend eine Rotoranordnung, die ein oder mehrere faltbare Rotorblätter umfasst, die konfiguriert sind, um sich zwischen einer ausgefahrenen Position und einer gefalteten Position zu bewegen; einen Hilfs-Fan, der dazu konfiguriert ist, Schub für ein Flugzeug zu erzeugen; und ein Proprotorgetriebe, das konfiguriert ist, um selektiv entweder mit der Rotoranordnung oder mit dem Hilfs-Fan gekoppelt zu werden.
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Die
US 2021/0053676 A1 betrifft ferner ein elektrisches Leistungsanbindungs-System für ein Flugzeug mit einem vertikalen Start- und Landeflugmodus, einschließlich einer Startphase und einer Schwebephase, wobei das System Folgendes umfasst: Eine Erdoberflächenenergiequelle; und eine Leistungsanbindung mit einem Erdoberflächenende, das zum Koppeln mit der Erdoberflächenenergiequelle konfiguriert ist, und mit einem Flugzeugende, das zum Koppeln mit dem Flugzeug konfiguriert ist. Die Leistungsanbindung ist dabei dazu ausgelegt, um Energie von der Erdoberflächenenergiequelle an das Flugzeug in der Startphase und der Schwebephase zu übertragen; ferner ist das Energiehalteseil lösbar, um die Erdoberflächenenergiequelle von dem Flugzeug als Reaktion auf ein Energiehalteseil-Freigabeereignis während des Fluges zu entkoppeln.
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Die
WO 2020/105045 A1 betrifft schließlich ein Luftfahrzeug, das dazu konfiguriert ist, im Vektorflugmodus und im Motorflugmodus betrieben zu werden, und Folgendes umfasst: Eine Flugzeugzelle mit Flügeln, um den Betrieb des Luftfahrzeugs im Motorflugmodus zu ermöglichen; und ein Antriebssystem, das zum Bereitstellen von Schub für das Luftfahrzeug in dem Motorflugmodus und dem Vektorflugmodus und zum Gewährleisten von Stabilität und Steuerung für das Luftfahrzeug in dem Vektorflugmodus konfiguriert ist. Ferner umfasst das Luftfahrzeug einen ersten Satz von ersten Antriebseinheiten und einen zweiten Satz von zweiten Antriebseinheiten, wobei der erste Satz von ersten Antriebseinheiten mindestens drei der ersten Antriebseinheiten umfasst, wobei die ersten Antriebseinheiten in einer polygonalen Anordnung bezüglich der Flugzeugzelle angeordnet sind, und wobei die polygonale Anordnung den Schwerpunkt umschließt, wenn das Luftfahrzeug in Draufsicht betrachtet wird; die ersten Antriebseinheiten sind in Bezug auf die Flugzeugzelle nicht schwenkbar angebracht, um einen festen vertikalen Schubvektor in Bezug darauf bereitzustellen. Ferner ist der erste Satz von ersten Antriebseinheiten so konfiguriert, dass er einen gesamten vertikalen Schub bereitstellt, der ausreicht, um den Vektorflugmodus bereitzustellen. Der zweite Satz von zweiten Vortriebseinheiten umfasst mindestens drei der zweiten Vortriebseinheiten, wobei jede der zweiten Vortriebseinheiten in einer beabstandeten Beziehung in Bezug auf den Schwerpunkt in Draufsicht betrachtet angeordnet ist, und wobei der zweite Satz von zweiten Vortriebseinheiten ferner so konfiguriert ist, dass ein Bereitstellen von vektoriellen Steuermomenten für das Luftfahrzeug in drei Rotationsfreiheitsgraden erfolgt. Die zweiten Antriebseinheiten sind jeweils schwenkbar in Bezug auf die Flugzeugzelle angebracht, um eine Winkelverschiebung eines jeweiligen Schubvektors zumindest zwischen einer jeweiligen vertikalen Position und einer jeweiligen horizontalen Position in Bezug darauf zu ermöglichen. Der zweite Satz von zweiten Antriebseinheiten ist ferner so konfiguriert, dass er zumindest einen gesamten horizontalen Schub liefert, der ausreicht, um den angetriebenen Motorflugmodus zu ermöglichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Luftfahrzeug bereitzustellen, welches einen möglichst sicheren und gleichzeitig effizienten Betrieb ermöglicht.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, aufweisend einen linken Flügelteil und einen rechten Flügelteil jeweils zum Erzeugen von aerodynamischem Auftrieb während einer Vorwärtsflugphase des Luftfahrzeugs, aufweisend eine im Rumpf des Luftfahrzeugs angeordnete Verbrennungskraftmaschine, die über eine jeweilige Welle mit einer am linken Flügelteil angeordneten linken Schubgondel und mit einer am rechten Flügelteil angeordneten rechten Schubgondel verbunden ist, wobei die linke Schubgondel und die rechte Schubgondel jeweils mindestens einen Rotor oder Propeller zur Erzeugung von Schub mittels der von der Welle übertragenen Leistung aufweisen und von einer vertikalen Stellung für eine Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs in eine horizontale Stellung für die Vorwärtsflugphase schwenkbar sind, sowie aufweisend eine am linken Flügelteil angeordnete linke Schubeinheit und eine am rechten Flügelteil angeordnete rechte Schubeinheit, die jeweils mindestens einen Rotor oder Propeller aufweisen und durch elektrische Motoren angetrieben werden, die mit einem Batteriesystem elektrisch verbunden sind, und aufweisend eine Steuereinheit, die dazu ausgeführt ist, eine momentendynamische Flugregelung auszuführen, wobei Stellgrößen der Flugregelung in der Vorwärtsflugphase eine Klappensteuerung von aerodynamischen Stellflächen der Flügelteile und eines Seitenleitwerks und Höhenleitwerks umfassen, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, für die Schwebeflugphase die Schubgondeln zum Schwenken in die vertikale Stellung anzusteuern sowie die Schubeinheiten zum Erzeugen von Schub anzusteuern, und die Schubeinheiten für die Vorwärtsflugphase zumindest teilweise stillzusetzen.
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Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug ist ein sogenanntes VTOL Luftfahrzeug, wobei die Abkürzung VTOL für „vertical take-off and landing“ steht. Dies bedeutet, dass ein Start und eine Landung des Luftfahrzeugs mittels einer zumindest zeitweise und näherungsweise ausgeführten Schwebeflugphase realisiert werden (das Luftfahrzeug muss dabei nicht zwingend positionsfest schweben, sondern weist regelmäßig zumindest eine kleine Steigrate oder Sinkrate auf - dies ist flugdynamisch im Wesentlichen jedoch dem Schwebeflug zuzuordnen), während der Reiseflug durch eine Vorwärtsflugphase erfolgt, in der die Schubgondeln anders als in der Schwebeflugphase nicht primär zur Schwerkraftkompensation dienen, sondern zur Erzeugung von Schub primär zur Überwindung des aerodynamischen Widerstands.
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Die Klappensteuerung von aerodynamischen Stellflächen der Flügelteile betrifft insbesondere in ihrem Einstellwinkel veränderliche Klappen an den Flügelteilen zum Aufbringen eines Rollmoments im Vorwärtsflug des Luftfahrzeugs. Eine um eine Hochachse (=Gierachse) des Luftfahrzeugs drehbar gelagerte Klappe am Seitenleitwerk dient zum Erzeugen eines Giermoments, während um eine Querachse des Luftfahrzeugs drehbare Klappen am Höhenleitwerk ein Nickmoment im Vorwärtsflug erzeugen können. Auch können Seitenleitwerk und Höhenleitwerk miteinander in einer gemeinsamen Leitwerksvorrichtung vereint sein, beispielsweise in einem V- förmigen Leitwerk, welches aber ebenfalls Klappen mit ähnlicher Funktion wie die oben beschriebenen aufweisen kann (min. zwei Klappen sind dabei gemeinsam zur Einstellung eines Nickmoments und eines Giermoments verantwortlich).
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In einer Ausführungsform, insbesondere im Schwebeflug, umfassen die Stellgrößen der momentendynamischen Flugregelung eine Blattwinkelverstellung der Rotoren oder Propeller der linken Schubgondel und der rechten Schubgondel, insbesondere bei konstanter Drehzahl der Propeller und/oder (bzw.) Rotoren der Schubgondeln. Statt oder zusätzlich zur Blattwinkelverstellung an den Schubgonden kann eine Drehzahländerung als Stellgröße der Rotoren oder Propeller der linken Schubgondel und der rechten Schubgondel verwendet werden.
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In einer alternativen Ausführungsform, insbesondere im Schwebeflug, umfassen die Stellgrößen der momentendynamische Flugregelung eine Drehzahlanderung und/oder eine Blattwinkelverstellung der Propeller bzw. Rotoren der Schubeinheiten, während bevorzugt die Blatteinstellenwinkel und/oder die Drehzahl der Propeller bzw. Rotoren der Schubgondeln im Schwebeflug konstant bleibt. Wenn beispielsweise die vorderen Propeller oder Rotoren der Schubgondeln mit einer anderen Drehzahl oder einem anderen Blattanstellwinkel als die hinteren Propeller oder Rotoren der Schubgondeln angesteuert betrieben werden, so kann ein Nickmoment um eine Querachse des Luftfahrzeugs erzeugt werden.
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Bevorzugt sind sämtliche schuberzeugenden Elemente des Luftfahrzeugs Teil der Schubeinheiten, wahlweise der Schubgondeln. In anderen Worten sind bevorzugt alle Propeller oder Rotoren des Luftfahrzeugs an dem linken Flügelteil oder am rechten Flügelteil direkt oder indirekt (d. h. an zusätzlichen Halterungen, die am jeweiligen Flügelteil angeordnet sind, wobei der Rumpf nicht im Sinne einer Halterung zu verstehen ist) angeordnet, d. h. nicht an einem Leitwerk des Luftfahrzeugs angeordnet. In wiederum anderen Worten weist das Luftfahrzeug keine Propeller oder Rotoren an einem Leitwerk des Luftfahrzeugs auf.
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Bevorzugt ist die linke Schubgondel an der Flügelspitze des linken Flügelteils angeordnet und die rechte Schubgondel an der Flügelspitze des rechten Flügelteils angeordnet. Demnach ist bevorzugt die linke Schubeinheit zwischen der linken Schubgondel und dem Rumpf angeordnet und die rechte Schubeinheit zwischen der rechten Schubgondel und dem Rumpf angeordnet. Durch die äußere Anordnung der linken Schubgondel und der rechten Schubgondel wird vorteilhaft die Konstruktion vereinfacht, da die Schubgondeln außerhalb der Flügelspitzen schwenkbar sind. Des weiteren wird durch Ausnutzung des maximal erreichbaren Hebelarms zum Rumpf des Schubvektors der jeweiligen Schubgondel ein größeres Moment in der Rollbewegung ermöglicht.
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Die linke Schubgondel und die rechte Schubgondel sind bevorzugt unabhängig voneinander von einer vertikalen Stellung für eine Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs in eine horizontale Stellung für die Vorwärtsflugphase und umgekehrt schwenkbar. Sie können jedoch auch in einer alternativen Ausführungsform miteinander derart verkoppelt sein, dass sie nur gleichzeitig miteinander verschwenkt werden können, d. h. synchronisiert von einer vertikalen Stellung für eine Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs in eine horizontale Stellung für die Vorwärtsflugphase und umgekehrt schwenkbar sein. Die gleichen Ausführungsformen erstrecken sich bevorzugt auch auf die Schubeinheiten, sodass diese im Falle einer teilweisen Verschwenkbarkeit unabhängig voneinander oder abhängig voneinander geschwenkt werden können, je nach Ausführungsform. Sind die Schubgondeln darüber hinaus auch etwas über die Vertikale hinaus nach hinten schwenkbar, ist zudem ein Rückwärtsflug des Luftfahrzeugs möglich.
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Insbesondere sind die Schubeinheiten symmetrisch zum Rumpf bezüglich einer körperfesten Längsachse des Luftfahrzeugs angeordnet, weiterhin bevorzugt sind die Propeller oder Rotoren einer jeweiligen Schubeinheit symmetrisch bezüglich einer durch einen Schwerpunkt des Luftfahrzeugs führenden Querachse angeordnet. Ferner bevorzugt sind die Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten jeweils paarweise symmetrisch zu einer gedachten Verbindungslinie der Schubgondeln angeordnet.
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Die Begriffe „horizontal“ und „vertikal“ im Bezug auf die Stellung einer Schubgondel orientieren sich am Schubvektor der jeweiligen Schubgondel relativ zum Rumpf des Luftfahrzeugs. Befindet sich der Rumpf in einer nominalen Ausgangsorientierung, wobei die nominale Ausgangsorientierung so definiert ist, dass ein Rollwinkel und ein Nickwinkel eines körperfesten Koordinatensystems gegenüber einem lokalen erdfesten Koordinatensystem gleich Null sind, beispielsweise wenn das Luftfahrzeug auf einer flachen Ebene am Boden steht, stimmen die Begriffe „horizontal“ und „vertikal“ mit der horizontalen bzw. vertikalen Ausrichtung gegenüber der Erde überein. Diese Annahme ist für eine Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs näherungsweise immer erfüllt, da andernfalls, bei einer Neigung des Schubvektors von einer vertikalen Stellung weg, der Schubvektor eine Komponente aufweisen würde, die nicht nur gegen den Schwerkraftvektor gerichtet ist um diesen zu kompensieren, sondern eine horizontale Beschleunigung hervorrufen würde. Eine vertikal ausgerichtete Schubgondel kompensiert daher den Schwerkraftvektor, ohne (abgesehen von Ausgangssignalen einer momentendynamischen Flugregelung zum Ausgleich von äußeren Störungen wie Böen oder Korrekturen einer horizontalen Position zum Einnehmen einer vordefinierten Landeposition) horizontale Beschleunigungen und damit Positionsänderungen zu verursachen. Der Schubvektor einer Schubgondel ist also immer dann horizontal, wenn er in die körperfest definierte Längsrichtung des Luftfahrzeugs zeigt, wobei die Längsrichtung des Luftfahrzeugs von einem Heck (insbesondere aufweisend ein Höhenleitwerk und ein Seitenleitwerk) des Luftfahrzeugs zu einer Front des Luftfahrzeugs (insbesondere aufweisend die Pilotenkabine) definiert ist; rechtwinklig hierzu ist ebenfalls körperfest die Querachse des Luftfahrzeugs zwischen der Flügelspitze des linken Flügelteils und der Flügelspitze des rechten Flügelteils definiert, und wiederum rechtwinklig zur Längsachse und zur Querachse eine körperfeste Hochachse, um die typischerweise das Seitenleitwerk aerodynamisch stabilisiert.
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Die Begriffe „horizontal“ und „vertikal“ im Zusammenhang von Propellern und Rotoren beziehen sich jedoch auf die Propellerebene bzw. auf die Rotorebene, sodass ein horizontal ausgerichteter Propeller bzw. Rotor einen vertikalen Schubvektor aufweist und ein vertikal ausgerichteter Propeller bzw. Rotor einen horizontalen Schubvektor aufweist.
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Die Begriffe „Propeller“ und „Rotor“ unterscheiden sich in der Lagerung der Propellerblätter bzw. der Rotorblätter an einer Nabe einer angetriebenen Welle: Während Propellerblätter Biegemomente auf die Nabe übertragen können, sind Rotorblätter im Wesentlichen biegeweich oder vollständig gelenkig mit einer Nabe zu einer Welle verbunden, wie es bei Hubschrauberrotoren üblich ist. Bei einer biegeweichen oder gelenkigen Lagerung ist daher eine Schlagbewegung der Rotorblätter möglich, welche beispielsweise bei einer seitlich angeströmten Rotorscheibe (die Rotorblätter liegen im Wesentlichen in einer Ebene, in der auch der Geschwindigkeitsvektor des Rotors liegt) entstehen muss, um die asymmetrischen Anströmungen des vorlaufenden gegenüber dem rücklaufenden Rotorblatt auszugleichen. Eine solche Schlagbewegung macht typischerweise auch eine Schwenkbewegung in der Rotorebene für die Rotorblätter notwendig, da bei einer Schlagbewegung der Rotorblätter eine Drehimpulsänderung durch den verminderten Radius des Schwerpunkts zur Nabe hin auftreten würde, wenn nicht eine ermöglichte Schwenkbewegung diese durch veränderte Umfangsgeschwindigkeit kompensieren würde.
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Die Begriffe „Rotor“ und „Propeller“ erfüllen dennoch die gleiche Funktion und sind im Umfang der Anmeldung als funktional gleichwertig zu betrachten. Bevorzugt wird sogar für die Ausführungen der Schubgondeln eine hybride Konstruktion zwischen den oben genannten Extremen verwendet, die eine für Kipprotorflugzeuge typische Mischform aus Propeller und Rotor darstellt. Auch derartige hybride Konstruktionen sollen unter dem Ausdruck „Rotor oder Propeller“ verstanden werden.
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Im Wesentlichen erfolgt dabei durch das Verschwenken der Schubgondeln eine Schubvektorsteuerung zur Beeinflussung der Momentendynamik des Luftfahrzeugs, indem durch das Verschwenken einer Schubgondel auch das Verschwenken eines von der Schubgondel erzeugten Schubvektors um die Drehachse des Verschwenkens erfolgt. Zusätzlich können in einer weiteren Ausführungsform die von einem Hubschrauberrotor bekannten über den Umfang zyklisch eingesteuerten Änderungen eines Blattanstellwinkels in den Rotoren der Schubgondeln verwendet werden, um ein auf das Luftfahrzeug wirkendes Moment zu erzeugen. Dabei wird bevorzugt die von Hubschraubern bekannte Taumelscheibe verwendet, um die Rotorebene gegenüber der Nabe zu verkippen.
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Das erfindungsgemäße Luftfahrzeug eignet sich insbesondere für den bemannten Betrieb, d. h. es ist insbesondere ein bemanntes Luftfahrzeug. Der Begriff des „bemannten Luftfahrzeugs“ bedeutet nicht zwingend, dass es mit Personen besetzt ist (was die Ausnahme darstellt, wenn es am Boden steht), sondern dass es für den Transport von Personen geeignet ist, d. h. entsprechend konstruiert und zugelassen ist. Dies unterscheidet das erfindungsgemäße Luftfahrzeug von unbemannten Luftfahrzeugen, welche für den Transport von Personen ungeeignet sind und daher grundsätzlich andere konstruktive Merkmale aufweisen.
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Der linke Flügelteil und der rechte Flügelteil umfasst insbesondere ein Tragflächenprofil zur Umlenkung einer anströmenden Luft, die in einer Vorwärtsflugphase des Luftfahrzeugs natürlicherweise entsteht. Das Tragflächenprofil erzeugt durch seine Form Druckunterschiede zwischen Oberseite und Unterseite, um Luftmasse nach unten gerichtet senkrecht zur Anströmungsrichtung zu beschleunigen, was gemäß der bekannten Impulserhaltung zu einem aerodynamischen Auftrieb führt, dessen Betrag grundsätzlich abhängig von der Geschwindigkeit der anströmenden Luft und von dessen aerodynamischen Anstellwinkel relativ zur anströmenden Luft ist.
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Der linke und der rechte Flügelteil erzeugt daher grundsätzlich in einer Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs keinen aerodynamischen Auftrieb, da die entsprechende Anströmung der Luft im Wesentlichen ausbleibt. Zur Kompensation der Gewichtskraft des Luftfahrzeugs werden erfindungsgemäß vielmehr in der Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs der im Wesentlichen senkrecht stehende Schubvektor der linken und der rechten Schubgondel verwendet, sowie der jeweilige ebenfalls im Wesentlichen senkrecht ausgerichtete Schubvektor der jeweiligen Schubeinheit. Die Schubeinheiten werden von der Steuereinheit in der Schwebeflugphase aktiviert, um zusammen mit dem gleichgerichteten Schubvektor der Schubgondeln zur Kompensation der Gewichtskraft gegen die Richtung des Schwerkraftvektors entsprechenden Schub zu erzeugen.
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Die jeweilige Welle dient zur Drehmomentübertragung von der Verbrennungskraftmaschine, und ist vom Ausgang der Verbrennungskraftmaschine durch den linken Flügelteil und durch den rechten Flügelteil zur jeweiligen Schubgondel geführt. Dabei kann eine gemeinsame Welle zwischen der linken Schubgondel und der rechten Schubgondel verwendet werden, sodass die Bewegung der Schubgondeln immer synchronisiert wird. Bevorzugt wird jedoch ein Freilauf für die Autorotation vorgesehen. Die Welle, bzw. der jeweilige Teil der Welle, bzw. die jeweilige Welle, ist beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff wie kohlefaserverstärktem oder glasfaserverstärktem Kunststoff oder Metall wie hochfestem Stahl, Titan, Aluminium, oder aus einer Legierung aus mehreren Metallen gefertigt.
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Die momentendynamische Flugregelung dient mit ihrer inneren Schleife (auch genannt „Basisregler“) zur Beeinflussung der Momenten-Dynamik des Luftfahrzeugs zur Beeinflussung von Drehraten um körperfest definierte Koordinatensystemachsen, welche durch zeitliche Integration die aktuellen Lagewinkel (im Sinne einer Orientierung im Raum, ausgedrückt beispielsweise durch die wohlbekannten Eulerwinkel) des Luftfahrzeugs ergeben. Durch die aktuellen und durch den vergangenen Verlauf der Lagewinkel des Luftfahrzeugs ergibt sich der jeweils aktuelle Flugzustand des Luftfahrzeugs, insbesondere eine Flughöhe, eine Fluggeschwindigkeit, ein aerodynamischer Anstellwinkel, ein Hängewinkel, ein Gierwinkel.
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Insbesondere diejenigen Rotoren und Propeller der Schubeinheiten sind für den Schwebeflug optimiert (Anströmgeschwindigkeit der umgebenden Luft näherungsweise gleich null), die nicht zum Verschwenken vorgesehen sind, sondern lediglich in der Vorwärtsflugphase aktiviert werden. Werden Rotoren und Propeller der Schubeinheiten so verschwenkt, dass sie Schub zur Aufnahme von Reisegeschwindigkeit für die Vorwärtsflugphase liefern, werden sie bevorzugt mit einer Blattwinkelverstellung versehen, um die Anströmgeschwindigkeit durch die Reisegeschwindigkeit des Luftfahrzeugs gegenüber der Schwebeflugphase ausgleichen zu können.
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Eine solche Blattwinkelverstellung ist daher insbesondere an den Rotoren oder Propeller (je nachdem welche Art verwendet wird) der Schubgondeln vorgesehen, da die Schubgondeln sowohl in der Schwebeflugphase als auch in der Vorwärtsflugphase des Luftfahrzeugs Schub liefern.
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Bevorzugt weist ein jeweiliger Rotor oder Propeller der Schubeinheiten genau zwei Rotorblätter bzw. Propellerblätter auf. Die Rotorblätter und Propellerblätter derjenigen Rotoren und Propeller der Schubeinheiten, die nicht in der Vorwärtsflugphase verwendet werden, werden dann bevorzugt entlang einer Längsachse des Luftfahrzeugs ausgerichtet, die in der Vorwärtsflugphase näherungsweise mit dem aerodynamischen Geschwindigkeitsvektor kollinear ist, sodass der aerodynamische Widerstand durch die nicht benutzten Rotorblätter bzw. Propellerblätter der Schubeinheiten im Vorwärtsflug minimiert wird.
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Bevorzugt wird die Blattwinkelverstellung der Propeller bzw. Rotoren der Schubgondeln zusätzlich zu einer tieffrequenten Änderung über die Vorwärtsgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs zwischen Schwebeflugphase und Vorwärtsflugphase hochfrequent (im relativen Sinne zur oben genannten tieffrequenten Änderung) in der Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs für die momentendynamische Flugregelung verwendet. Wird der aerodynamische Anstellwinkel der Rotorblätter bzw. Propellerblätter einer Schubgondel im Vergleich zur anderen Schubgondel vergrößert, so wird durch die Schubgondel mit dem vergrößerten Anstellwinkel ihrer Rotorblätter bzw. Propellerblätter mehr Schub erzeugt, wodurch ein Moment um die Längsachse des Luftfahrzeugs erzeugt wird, wodurch wiederum eine Winkelbeschleunigung in einer Rollbewegung des Luftfahrzeugs erfolgt wird und somit der Hängewinkel des Luftfahrzeugs verändert werden kann.
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Demgegenüber werden bevorzugt die Propeller bzw. Rotoren der Schubeinheiten durch Drehzahländerung angesteuert zur Anwendung der oben beschriebenen momentendynamische Flugregelung, oder in ihrer Drehzahl grundsätzlich konstant belassen, sodass sie dann insbesondere nicht mehr (wesentlicher) Teil der momentendynamischen Flugregelung sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine komplementäre Filterung angewendet, gemäß der hochfrequente Frequenzanteile der Stellgrößen der momentendynamischen Flugregelung an die Schubgondeln übertragen werden, um in kurzen Zeitskalen insbesondere einen Rollwinkel des Luftfahrzeugs in seiner Schwebeflugphase zu beeinflussen, und gemäß der niederfrequente Frequenzanteile an die Schubeinheiten geführt werden, um mit deren veränderten Drehzahlen von Rotoren bzw. Propellern einen niederfrequenten Anteil insbesondere zur Trimmung des Luftfahrzeugs in seiner Schwebeflugphase vorzunehmen.
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Insbesondere die Steuereinheit ferner dazu ausgeführt, die Schubeinheiten zum Erzeugen von Schub anzusteuern, wenn im Übergang zwischen der Schwebeflugphase und der Vorwärtsflugphase und im umgekehrten Übergang die Gefahr eines Wirbelringstadiums besteht.
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Die Verbrennungskraftmaschine ist bevorzugt eine Gasturbine, betrieben mit fossilem oder synthetischem Kraftstoff wie Kerosin, Diesel, Benzin o. ä.; unter der Verbrennungskraftmaschine können auch andere Vorrichtungen für die Gewinnung von Energie aus chemischen Prozessen verstanden werden, wie eine Brennstoffzelle oder ein Verbrennungsmotor mit Wasserstoff als Reduktor und Luftsauerstoff als Oxidator.
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Es ist eine vorteilhafte Wirkung der Erfindung, dass die Vorteile eines elektrischen Antriebs sowie einer Verbrennungsmaschine kombiniert werden, da der elektrische Antrieb durch Verwendung der Batterien mit ihrer im Verhältnis zu Kraftstoffen wie Kerosin, Diesel, Benzin oder ähnlichem geringen Energiedichte nur relativ kurz eingesetzt wird, aber die hohen Drehmomente der Elektromotoren ausgenutzt werden, um die leistungsintensive Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs mit hoher Schubkraft zu unterstützen. In der Vorwärtsflugphase dienen primär die Flügelteile zur Erzeugung von aerodynamischem Auftrieb, während die nach vorne (horizontal) geschwenkten Schubgondeln zur Kompensation des aerodynamischen Widerstands dienen und die hohe Dauerleistung und damit die große Reichweite der Verbrennungskraftmaschine ausnutzen, während die Schubeinheiten zumindest teilweise still gesetzt sind. Ferner weist die erfindungsgemäße Konfiguration Vorteile im Übergang zwischen der Schwebeflugphase und der Vorwärtsflugphase bezüglich des wohlbekannten gefährlichen Wirbelringstadiums auf, insbesondere dann, wenn bereits in diesem Übergang die Schubeinheiten zur Erzeugung von Schub angesteuert werden. Das Wirbelringstadium bezeichnet dabei einen besonders für Kipprotorflugzeuge gefährlichen Zustand, bei dem die induzierte Geschwindigkeit der Kipprotoren (die bei dem erfindungsgemäßen Luftfahrzeug den Schubgondeln entsprechen) ein ähnliches Niveau erreichen wie die Sinkgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs, sodass eine klare Durchströmungsrichtung der Propeller bzw. Rotoren an den Kipprotoren (Schubgondeln) ausbleibt und eine chaotische Strömung mit vielen Wirbeln entsteht und die Steuerbarkeit des Luftfahrzeugs signifikant vermindert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die jeweilige Schubeinheit genau zwei hintereinander angeordnete Rotoren oder Propeller auf, wobei der jeweilige vordere Rotor oder Propeller vorderhalb des jeweiligen Flügelteils und der jeweilige hintere Rotor oder Propeller hinterhalb des jeweiligen Flügelteils angeordnet ist.
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Zu diesem Zweck sind an jedem Flügelteil vorteilhaft Pylonen angeordnet, die die Flügeltiefe in ihrer Länge übersteigen und somit die Flügelvorderkante und die Flügelhinterkante überragen. Bevorzugt an den Enden der Pylonen sind die Rotoren bzw. Propeller angeordnet, sodass eine ungestörtere Abströmung der Rotoren bzw. Propeller erreicht wird.
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Alternativ dazu werden nur einzelne Propeller bzw. Rotoren je Flügelteil verwendet, wobei jeder Propeller bzw. Rotor auch ein koaxial angeordnetes Propellerpaar bzw. Rotorpaar sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die vorderen Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten insbesondere unabhängig voneinander von einer vertikalen Stellung für die Schwebeflugphase in eine horizontale Stellung für die Vorwärtsflugphase schwenkbar, um in der Schwebeflugphase sowie in der Vorwärtsflugphase Schub zu erzeugen, und wobei die hinteren Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten in einer horizontalen Stellung fixiert sind, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, für die Schwebeflugphase die hinteren Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten zum Erzeugen von Schub anzusteuern und für die Vorwärtsflugphase stillzusetzen.
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Das Deaktivieren der hinteren Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten spart vorteilhaft elektrische Energie in der Vorwärtsflugphase ein, für die demnach primär die Verbrennungskraftmaschine zur Überwindung des aerodynamischen Widerstands verwendet wird. So können vorteilhaft die mitgeführten Batterien kleiner ausgeführt werden und die Reichweite des Luftfahrzeugs erhöht werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die hinteren Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten insbesondere unabhängig voneinander von einer vertikalen Stellung für die Schwebeflugphase in eine horizontale Stellung für die Vorwärtsflugphase schwenkbar, um in der Schwebeflugphase sowie in der Vorwärtsflugphase Schub zu erzeugen, und wobei die vorderen Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten in einer horizontalen Stellung fixiert sind, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, für die Schwebeflugphase die vorderen Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten zum Erzeugen von Schub anzusteuern und für die Vorwärtsflugphase stillzusetzen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind alle Rotoren oder Propeller der jeweiligen Schubeinheit in einer horizontalen Stellung fixiert, wobei die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, alle Rotoren oder Propeller der Schubeinheiten für die Vorwärtsflugphase stillzusetzen.
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Gemäß dieser Ausführungsform sind die Rotoren bzw. Propeller der Schubeinheiten nicht schwenkbar, sondern immer in der Ebene der Längs- und Querachse des Luftfahrzeugs fixiert. Die Einsparung von Gelenken zum Schwenken spart vorteilhaft zusätzliches Gewicht und reduziert die Funktion der Schubeinheiten auf die Schwebeflugphase, welche im Vergleich zum langsamen bis mittleren Vorwärtsflug besonders energieintensiv ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Stellgrößen der Flugregelung in der Schwebeflugphase Drehzahländerungen der Rotoren oder Propeller der linken Schubeinheit und der rechten Schubeinheit bei konstantem Blattwinkel und/oder eine Blattwinkelverstellung der Rotoren oder Propeller der linken Schubeinheit und der rechten Schubeinheit.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Drehsinn eines Rotors oder Propellers der linken Schubgondel in vertikaler Stellung gleichgerichtet zum Drehsinn eines Rotors oder Propellers der linken Schubeinheit, wobei der Drehsinn des Rotors oder Propellers der rechten Schubgondel in vertikaler Stellung gleichgerichtet zum Drehsinn eines Rotors oder Propellers der rechten Schubeinheit ist.
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Die gleichgerichteten Drehsinne der geometrisch aneinander grenzenden Propeller bzw. Rotoren bewirkt, dass jeweilige Propellerblätter bzw. Rotorblätter an ihrem kürzesten Abstand ihrer jeweiligen Spitzen gegeneinander laufen anstatt die Tendenz aufweisen, ineinander zu kämmen. Dies weist aerodynamische Vorteile auf, da sich die verwirbelte Luft eines Propellers bzw. Rotors in zusätzlicher Anströmgeschwindigkeit für den jeweils anderen Propeller bzw. Rotor äußert. In anderen Worten treffen die Randgeschwindigkeiten der jeweiligen Luft-Wirbel der Propeller bzw. Rotoren an ihrem Kontaktbereichen mit gegenläufigen Geschwindigkeiten aufeinander. Somit sind vorteilhaft geringere Drehzahlen notwendig.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, in der Vorwärtsflugphase mittels der Verbrennungskraftmaschine und einem elektrischen Generator der Verbrennungsmaschine erzeugte elektrische Energie dem Batteriesystem zuzuführen, um das Batteriesystem mit elektrischer Energie aufzuladen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, in einer Autorotationsphase durch Umkehrung der Momenten-Richtung an der linken Schubgondel und der rechten Schubgondel und das über die Welle zu einem elektrischen Generator der Verbrennungsmaschine geführte Moment die dadurch erzeugte elektrische Energie dem Batteriesystem zuzuführen, um das Batteriesystem mit elektrischer Energie aufzuladen.
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Die Autorotationsphase gibt den Zustand an, in dem sich in einer entsprechenden Stellung die Schubgondeln im sogenannten Windmühlenstadium befinden (engl. „windwill-brake-state“) und durch eine klar definierbare Durchströmungsrichtung der Schubgondeln von unten nach oben die Sinkgeschwindigkeit des Luftfahrzeugs vermindern, ähnlich wie ein Fallschirm.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jeder der elektrischen Rotoren einer jeweiligen Schubeinheit einzeln mit einer jeweiligen Batterieeinheit des Batteriesystems verbunden, wobei alle Batterieeinheiten unabhängig voneinander ihrem jeweiligen elektrischen Motor elektrische Energie liefern können.
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Dies erhöht vorteilhaft die Sicherheit des ganzen Luftfahrzeugs, wenn lediglich eine Batterieeinheit des Batteriesystems ausfällt. In einem solchen Fall wird bevorzugt von der Steuereinheit elektrische Energie von den anderen Batterieeinheiten und/oder die von einem elektrischen Generator der Verbrennungskraftmaschine erzeugte elektrische Energie an den elektrischen Motor mit der ausgefallenen Batterieeinheit geleitet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, bei einem detektierten Ausfall oder Entladung einer Batterieeinheit des Batteriesystems den jeweiligen mit der ausgefallenen Batterieeinheit verbundenen elektrischen Motor durch von einem elektrischen Generator der Verbrennungsmaschine erzeugte elektrische Energie zumindest für die Schwebeflugphase zu versorgen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, bei einem detektierten Ausfall des Batteriesystems oder einer detektierten Störung des Batteriesystems die Verbrennungskraftmaschine so anzusteuern, dass mithilfe des elektrischen Generators, der mit der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, elektrische Energie erzeugt wird und zumindest für die Schwebeflugphase zu den elektrischen Motoren der Schubeinheiten geleitet wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, bei einem zumindest in der Vorwärtsflugphase detektierten Ausfall der Verbrennungskraftmaschine, nach einer Segelphase mit Hilfe des linken Flügelteils und des rechten Flügelteils und einem anschließenden bodennahen Manöver mit kontinuierlicher Vergrößerung des aerodynamischen Anstellwinkels bei gleichzeitiger Verringerung einer horizontalen Geschwindigkeit, die Schubeinheiten unmittelbar vor dem Aufsetzen des Luftfahrzeugs auf dem Boden zur Erzeugung von Schub anzusteuern.
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Das bodennahe Manöver wird bevorzugt über einer Landebahn für Flächenflugzeuge oder einer ebenen Fläche wie einer Wiese durchgeführt. Dies entspricht dem sogenannten „Flare“ Manöver, bei der der aerodynamische Anstellwinkel über die Zeit zunimmt und die Geschwindigkeit durch den reduzierten Vorwärtsschub abnimmt. Dieses Manöver kann daher in konstanter Höhe über dem Boden erfolgen, zumindest solange kein Strömungsabriss an den Flügelteilen eintritt. Einen solchen Strömungsabriss gilt es zu verhindern, sodass bevorzugt die Steuereinheit dazu ausgeführt ist, rechtzeitig vor Eintritt des Strömungsabriss die Schubeinheiten entsprechend anzusteuern, sodass der aerodynamische Anstellwinkel innerhalb vordefinierter Grenzen gehalten werden kann, und unmittelbar vor dem Aufsetzen auf den Boden durch zusätzlichen Schub durch die Steuereinheiten dafür sorgt, dass das Luftfahrzeug mit sicherer vertikaler Geschwindigkeit auf den Boden auftrifft.
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Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, insbesondere mithilfe entsprechender aerodynamischer Sensoren wie Anstellwinkelsensoren, einen bevorstehenden Strömungsabriss zu erkennen und bei einer vordefinierten Grenze vor Eintritt des Strömungsabriss die Schubeinheiten zur Erzeugung von Schub anzusteuern, sodass das Eintreten des Strömungsabriss an dem linken Flügelteil sowie an dem rechten Flügelteil vermieden wird.
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Die zuletzt genannte Ausführungsform wird insbesondere dann angewendet, wenn während der Vorwärtsflugphase ein Ausfall oder eine signifikante Störung der Verbrennungskraftmaschine detektiert wird. Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die Ausführungsform selbstständig und im Kern ohne notwendiges Zutun eines Piloten auszuführen. Bevorzugt weist die Steuereinheit hierfür eine logische Schaltung auf, mit deren Ausführung ermittelt wird, ob die Merkmale der Ausführungsform ausgeführt werden oder nicht. Die Vorwärtsflugphase wird daher bevorzugt im Rahmen dieser Ausführungsform über einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich und/oder einen vorgegebenen Höhenbereich des Luftfahrzeugs definiert, sodass sichergestellt wird, dass eine ausreichende Höhe zum Ausführen dieser Reaktionen auf den detektierten Ausfall oder die detektierte Störung der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine ausreichend große Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs über Grund zur Verfügung steht, um genügend Zeit zu haben, wie oben erläutert zu reagieren.
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Insbesondere mithilfe der Anstellwinkelsensoren kann ein jeweils aktueller aerodynamischer Anstellwinkel des Luftfahrzeugs und damit der Flügelteile ermittelt werden und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden. Unterschreitet der aerodynamische Anstellwinkel den vorgegebenen Grenzwert, so werden bevorzugt durch die Steuereinheit vollautomatisch die Schubeinheiten zum Erzeugen von Schub aktiviert und das Luftfahrzeug kann mit niedriger Sinkgeschwindigkeit auf den Boden aufsetzen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, während der Segelphase die Schubgondeln zum Schwenken in eine Autorotations-Stellung anzusteuern, um durch Umkehrung der Momenten-Richtung an der linken Schubgondel und der rechten Schubgondel und das über die Welle zu einem elektrischen Generator der Verbrennungsmaschine geführte Moment die dadurch erzeugte elektrische Energie dem Batteriesystem zuzuführen.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird zusätzlich zum Gleitflug der Segelphase des Luftfahrzeugs die Sinkgeschwindigkeit genutzt, um aus der potentiellen Energie des Luftfahrzeugs nutzbare Energie zu gewinnen und in einem Autorotationsmodus elektrische Energie durch die von der von unten nach oben durchströmten Schubgondeln im sogenannten Windmühlenstadium extern veranlasste Bewegung zu gewinnen und dem Batteriesystem zuzuführen und darin zu speichern, um sie kurz vor dem Aufsetzen des Luftfahrzeugs auf den Boden verwendbar zu machen und für die Schubeinheiten zur Verfügung zu stellen.
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Auch diese zuletzt genannte Ausführungsform wird insbesondere dann angewendet, wenn während der Vorwärtsflugphase ein Ausfall oder eine signifikante Störung der Verbrennungskraftmaschine detektiert wird. Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, die Ausführungsform selbstständig und im Kern ohne notwendiges Zutun eines Piloten auszuführen. Bevorzugt weist die Steuereinheit hierfür eine logische Schaltung auf, mit deren Ausführung ermittelt wird, ob die Merkmale der Ausführungsform ausgeführt werden oder nicht. Die Vorwärtsflugphase wird daher bevorzugt im Rahmen dieser Ausführungsform über einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich und/oder einen vorgegebenen Höhenbereich des Luftfahrzeugs definiert, sodass sichergestellt wird, dass eine ausreichende Höhe zum Ausführen dieser Reaktionen auf detektierten Ausfall oder die detektierte Störung der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine ausreichend große Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs über Grund zur Verfügung steht, um genügend Zeit zu haben, wie oben erläutert zu reagieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgeführt, bei einem in der Schwebeflugphase detektierten Ausfall oder Störung der Verbrennungskraftmaschine unmittelbar danach die Schubeinheiten für ausreichende Leistung anzusteuern, um einen harten Aufprall des Luftfahrzeugs auf dem Boden zu verhindern. Die Schwebeflugphase wird im Rahmen dieser Ausführungsform wiederum bevorzugt durch einen vorgegebenen Höhen- und/oder Geschwindigkeitsbereich definiert, sodass nicht fälschlicherweise in zu kleinen Höhen oder bei zu kleinen Vorwärtsgeschwindigkeiten ein Gleitflug mit Segelphase von der Steuereinheit eingesteuert wird, der sich wegen der zu geringen Geschwindigkeit und/oder Höhe nicht ausreichend aufbauen kann, d. h. nicht ausreichenden aerodynamischen Auftrieb des linken und des rechten Flügelteils erzeugen kann. Unterschreitet das Luftfahrzeug eine vorgegebene Höhe und/oder eine vorgegebene Geschwindigkeit oder eine Kombination aus beiden, ist das Luftfahrzeug insbesondere auf die maximale Leistung der Schubeinheiten angewiesen, sodass in einem solchen Bereich die Steuereinheit unmittelbar nach dem erkannten Ausfall oder der Störung der Verbrennungskraftmaschine in der Schwebeflugphase die Schubeinheiten zur Unterstützung bei der Kompensation der Gewichtskraft des Luftfahrzeug ausreichend ansteuert. Dies gilt für den senkrechten Start sowie auch die senkrechte Landung des Luftfahrzeugs.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1: Ein Luftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2: Das Luftfahrzeug der 1 in Seitenansicht.
- 3: Ein Luftfahrzeug gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in Seitenansicht.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt ein Luftfahrzeug 1 für den bemannten Betrieb. Es weist vier Sitzplätze in einer Kabine im Rumpf 7 auf. Zur Erzeugung von aerodynamischem Auftrieb während einer Vorwärtsflugphase dient ein linker Flügelteil 3 und ein rechter Flügelteil 5. Im Rumpf 7 des Luftfahrzeugs 1 ist ferner eine Verbrennungskraftmaschine 9 angeordnet, die über eine jeweilige Welle 11 aus kohlefaserverstärktem Kunststoff mit einer am linken Flügelteil 3 angeordneten linken Schubgondel 13 und mit einer am rechten Flügelteil 5 angeordneten rechten Schubgondel 15 verbunden ist. Die Verbrennungskraftmaschine 9 umfasst dabei eine Wellen-Gasturbine zur Erzeugung von Drehmoment an der Welle 11. Die linke Schubgondel 13 und die rechte Schubgondel 15 weisen jeweils einen Rotor zur Erzeugung von Schub mittels der von der Welle 11 übertragenen Leistung auf. Sie sind ferner von einer vertikalen Stellung für eine Schwebeflugphase des Luftfahrzeugs 1 in eine horizontale Stellung für die Vorwärtsflugphase unabhängig voneinander schwenkbar. Zwischen den Schubgondeln 13,15 und dem Rumpf sind an den Flügelteilen 3,5 eine linke Schubeinheit 17 und eine rechte Schubeinheit 19 angeordnet, die jeweils zwei hintereinander angeordnete Propeller aufweisen. Die Schubeinheiten 17,19 weisen daher insgesamt vier symmetrisch zum Rumpf 7 angeordnete Propeller aus kohlefaserverstärktem Kunststoff auf. Die Propeller der Schubeinheiten 17,19 werden von elektrischen Motoren 21 angetrieben, die wiederum mit einem Batteriesystem 23 elektrisch verbunden sind. Der jeweilige vordere Propeller ist vorderhalb des jeweiligen Flügelteils 3,5 angeordnet und von der horizontalen Stellung in eine vertikale Stellung für den Vorwärtsflug schwenkbar. Der jeweilige hintere Propeller ist hinterhalb des jeweiligen Flügelteils 3,5 angeordnet und in einer horizontalen Stellung fixiert. In der 1 sowie in der 2 sind die jeweils vorderen Propeller in der vertikalen Stellung gezeichnet. Eine Steuereinheit 25 führt eine momentendynamische Flugregelung mit Hilfe eines PID-Basisreglers aus. Der PID-Basisregler stützt sich insbesondere in der Schwebeflugphase auf die Sensorsignale einer inertialen Messeinheit, insbesondere Drehwinkelraten bezüglich eines körperfesten Koordinatensystems und Lagewinkel gegenüber der Erde. Hierbei erfolgt eine Lagewinkelstabilisierung und eine Drehwinkelratendämpfung. Als Ausgang des Basisreglers werden Stellgrößen für Aktoren des Luftfahrzeugs 1 erzeugt. Die Stellgrößen umfassen eine Blattwinkelverstellung der Rotoren der linken Schubgondel 13 und der rechten Schubgondel 15 bei annähernd konstanter Drehzahl in der Schwebeflugphase. Die Drehzahl der Schubgondeln 13,15 wird lediglich abhängig vom Flugzustand angepasst, und im Wesentlichen für den Übergang zwischen der Schwebeflugphase und der Vorwärtsflugphase mit der IAS (engl. Für „indicated airspeed“) geändert. In der Schwebeflugphase wird die Drehzahl der Rotoren der Schubgondeln 13,15 jedoch näherungsweise konstant beibehalten. In diesem Übergang erfolgt auch ein Schwenken der Schubgondeln 13,15 von der vertikalen in eine horizontale Stellung durch die Steuereinheit 25. Im umgekehrten Übergang von der Vorwärtsflugphase in die Schwebeflugphase werden dabei die Schubgondeln 13,15 von der horizontalen zurück in eine vertikale Stellung durch die Steuereinheit 25 überführt. Die Steuereinheit 25 steuert ferner die elektrischen Motoren 21 der hinteren Propeller in der Schwebeflugphase zur Erzeugung von Schub an und überführt diese in der Vorwärtsflugphase in den Stillstand. Hierbei ist jeder der elektrischen Motoren 21 einer jeweiligen Schubeinheit 17,19 einzeln mit einer jeweiligen Batterieeinheit eines Batteriesystems 23 verbunden, wobei alle Batterieeinheiten unabhängig voneinander ihrem jeweiligen elektrischen Motor 21 elektrische Energie liefern können. Die vorderen Propeller werden von der Steuereinheit 25 für die Vorwärtsflugphase aus der horizontalen Stellung in die vertikale Stellung für horizontalen Schub geschwenkt, um zusammen mit den in die horizontale Stellung geschwenkten Schubgondeln 13,15 Schub zur Kompensation des aerodynamischen Widerstands zu gewinnen. Die Steuereinheit 25 bewegt jedoch bei erreichter Reisehöhe ebenfalls die vorderen Propeller in die horizontale Lage und setzt sie still, und überführt sie in eine aerodynamisch günstige Position zur Minimierung des aerodynamischen Widerstands. Die hinteren und vorderen Propeller der Schubeinheiten 17,19 werden erst im Übergang von der Vorwärtsflugphase in die Schwebeflugphase in ihrer horizontalen Stellung (mit senkrechtem Schubvektor) aktiviert zur Erzeugung von Schub. Ferner sind in der Steuereinheit 25 folgende Notfallprozeduren hinterlegt:
- - Wird ein Ausfall oder Entladung einer Batterieeinheit des Batteriesystems 23 erkannt, wird dem jeweiligen mit der ausgefallenen Batterieeinheit verbundenen elektrischen Motor 21 durch von einem elektrischen Generator der Verbrennungsmaschine 9 erzeugte elektrische Energie zumindest für die Schwebeflugphase zugeführt.
- - Wird ein Ausfall der Verbrennungskraftmaschine 9 in der Vorwärtsflugphase innerhalb eines Bereichs mit einer von einer Vorwärtsgeschwindigkeit abhängigen Mindesthöhe erkannt, werden die Schubgondeln 13,15 zum Schwenken in eine Autorotations-Stellung angesteuert, zusammen mit einer Warnung an den Piloten ein automatischer Gleitflug mit Segelphase unterstützt durch die Flügelteile 3,5 eingeleitet, und die Schubeinheiten 17,19 unmittelbar vor dem Aufsetzen des Luftfahrzeugs 1 auf dem Boden zur Erzeugung von Schub angesteuert, noch bevor ein Strömungsabriss durch ein ausgedehntes, vom Piloten oder von der Steuereinheit 25 eingeleitetes, Flare-Manöver erfolgt.
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2 zeigt das Luftfahrzeug 1 in Seitenansicht, welches in 1 von oben gezeichnet dargestellt ist.
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3 zeigt eine alternative Ausführung des Luftfahrzeugs 1, wobei im Unterschied zu dem in 1 und 2 gezeigten alle Propeller der jeweiligen Schubeinheit 17,19 in einer horizontalen Stellung fixiert sind. Die Steuereinheit 25 setzt dann alle Propeller der Schubeinheiten 17,19 für die Vorwärtsflugphase still, ohne sie für die Vorwärtsflugphase zu verschwenken. Die Stellgrößen der Flugregelung umfassen in diesem Fall Drehzahländerungen der Propeller der linken Schubeinheit 17 und der rechten Schubeinheit 19 bei konstantem Blattwinkel, sowie die oben genannten der Schubgondeln 13,15.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftfahrzeug
- 3
- linker Flügelteil
- 5
- rechter Flügelteil
- 7
- Rumpf
- 9
- Verbrennungskraftmaschine
- 11
- Welle
- 13
- linke Schubgondel
- 15
- rechte Schubgondel
- 17
- linke Schubeinheit
- 19
- rechte Schubeinheit
- 21
- elektrische Motoren
- 23
- Batteriesystem
- 25
- Steuereinheit
