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Die Erfindung betrifft ein modulares Flugsystem zur Beförderung von Objekten in der Luft. Das Flugsystem weist eine Transportkapsel und zumindest ein an die Transportkapsel reversibel koppelbares Antriebsmodul auf. Das Antriebsmodul ist dazu ausgebildet, in einem an die Transportkapsel gekoppelten Zustand diese vertikal und/oder horizontal in der Luft zu befördern. Zumindest bei einem Vertikalflug des Flugsystems ist eine Oberseite der Transportkapsel in Vertikalrichtung oberhalb einer gegenüberliegenden Unterseite der Transportkapsel angeordnet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen modularen Flugsystems zur Beförderung von Objekten in der Luft.
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Ein Flugsystem ist typischerweise dazu ausgebildet, ein Objekt, wie beispielsweise ein Frachtgut und/oder eine Person, in der Luft zu befördern und somit zu bewegen. Hierbei befindet sich das Flugsystem in Vertikalrichtung von einer Erdoberfläche entfernt, das heißt in einem Flugzustand, in dem es keinen direkten Kontakt mit der Erdoberfläche aufweist.
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Die
US 10 196 143 B2 zeigt ein unbemanntes modulares Flugsystem, das ein Elternmodul sowie mehrere Kindermodule aufweist. Die Kindermodule sind in einer Querrichtung des Flugsystems am Elternmodul angeordnet und können mittels eines Andockmechanismus einzeln mit dem Elternmodul gekoppelt werden.
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Die
US 2019/0210724 A1 zeigt ein modulares Fahrzeugsystem, das ein Körpermodul mit zumindest einer Körperverbindungsschnittstelle aufweist, an der verschiedenartige Flugmodelle angeordnet sein können. Ein Ankoppeln des jeweiligen Flugmoduls wird von einer Bodencrew am Boden und nicht während eines Flugs des modularen Fahrzeugsystems durchgeführt.
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Die
US 2019/0100307 A1 zeigt Systeme und Verfahren, die eine Hubdrohne und eine Trägerdrohne zum Transport einer Nutzlast umfassen. Die Hubdrohne kann die Nutzlast vertikal allein oder mit der Trägerdrohne vertikal zu einem Übergabeort Ort bringen.
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Die
US 2018/0086460 A1 zeigt System für den Transfer einer Nutzlast zwischen Drohnen während eines Fluges.
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Die
WO 2021/037463 A1 zeigt ein Verfahren zur autonomen Übergabe einer Last von einem ersten Luftfahrzeug an ein zweites Flugfahrzeug während eines Fluges. Sowohl das erste Flugfahrzeug als auch das zweite Flugfahrzeug umfassen einen Rahmen mit einer vertikalen Öffnung zur Aufnahme der Last.
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Die
US 10 173 777 B1 zeigt Systeme und Verfahren, bei denen Multirotor-Lifter eingesetzt werden, um Starrflügelflugzeuge auszusetzen und/oder anzukoppeln. Es können beispielsweise ein oder mehrere unbemannte Multirotor-Lifter ein unbemanntes Starrflügelflugzeug ergreifen, das Starrflügelflugzeug vertikal auf eine gewünschte Höhe navigieren und dann das Starrflügelflugzeug loslassen, damit das Starrflügelflugzeug einen Flugplan einleiten kann.
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Die
US 2019/0199534 A1 zeigt eine Übertragung eines Pakets während des Flugs zwischen einem unbemannten Ausgangsluftfahrzeug und einem Zielluftfahrzeug.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels derer ein vielseitig einsetzbares Flugsystem bereitgestellt wird.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein modulares Flugsystem zur Beförderung von Objekten in der Luft. Das Flugsystem weist eine Transportkapsel und zumindest ein an die Transportkapsel reversibel koppelbares Antriebsmodul auf. In einem gekoppelten Zustand, in dem das zumindest eine Antriebsmodul an die Transportkapsel angekoppelt ist, kann das Flugsystem als Fluggerät bezeichnet werden. Die Transportkapsel ist beispielsweise dazu ausgebildet, zumindest ein Objekt aufzunehmen, wie beispielsweise eine Person und/oder ein Frachtgut, beispielsweise in Form von zumindest einem Paket und/oder Behälter. Die Transportkapsel kann beispielsweise zumindest eine Öffnung aufweisen, durch die das zumindest eine Objekt in die Transportkapsel eingeführt und/oder aus dieser herausgeführt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Transportkapsel ohne angekoppeltes Antriebsmodul nicht flugfähig ist. Der Begriff „modular“ bezieht sich hierbei darauf, dass die einzelnen Antriebsmodule reversibel koppelbar sind, das heißt wie in einem Modulsystem ausgewählt und an die Transportkapsel gekoppelt oder von dieser entkoppelt werden können.
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Das reversibel ankoppelbare Antriebsmodul kann zum Beispiel als selbstfliegendes Antriebsmodul ausgebildet, das heißt das Antriebsmodul kann sich selbst unabhängig von der Transportkapsel in der Luft befördern. Das Antriebsmodul ist dazu ausgebildet, in einem an die Transportkapsel gekoppelten Zustand diese vertikal und/oder horizontal in der Luft zu befördern. Das Antriebsmodul ist also dazu ausgelegt, eine ausreichende Flugleistung bereitzustellen, sodass es alleine oder beispielsweise im Zusammenspiel mit zumindest einem weiteren Antriebsmodul die Transportkapsel in der Luft befördern kann. Das Antriebsmodul kann hierfür beispielsweise für einen Vertikalflug und/oder einen Horizontalflug ausgerichtet sein. Das Antriebsmodul kann beispielsweise als Triebwerk einen Propeller aufweisen, sodass es beispielsweise als Multikopter ausgebildet sein kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Antriebsmodul beispielsweise eine Turbine aufweisen, die beispielsweise an zumindest einem Starrflügel angeordnet ist. Wenn das Antriebsmodul von der Transportkapsel entkoppelt wird, ist diese Entkopplung zerstörungsfrei für das Antriebsmodul und die Transportkapsel, das heißt das Antriebsmodul kann immer wieder an die Transportkapsel angekoppelt werden oder wieder von dieser entkoppelt werden. Das Ankoppeln des Antriebsmoduls an die Transportkapsel ist somit reversibel. Das modulare Flugsystem ist daher beispielsweise nicht als Rakete zu verstehen, bei der einzelne Antriebsmodule abgekoppelt und beispielsweise im Rahmen eines Startfluges irreversibel abgeworfen werden.
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Zumindest bei einem Vertikalflug des Flugsystems ist eine Oberseite der Transportkapsel in Vertikalrichtung oberhalb einer gegenüberliegenden Unterseite der Transportkapsel angeordnet. Mit anderen Worten weist die Transportkapsel eine klar definierte Ober- und Unterseite auf, die eindeutig von seitlichen an die Ober- und Unterseite angrenzenden Wänden, das heißt zum Beispiel einer Vorderseite und Rückseite in einer Längsrichtung und einer linken Seite und rechten Seite in einer Querrichtung der Transportkapsel, zu unterscheiden sind. Die Oberseite und Unterseite sind also in einer Höhenrichtung der Transportkapsel gegenüberliegend angeordnet. Der Vertikalflug ist ein Flug, der im Wesentlichen in einer Höhenrichtung relativ zu einer Erdoberfläche erfolgt, wobei die Höhenrichtung senkrecht zur Erdoberfläche angeordnet ist. Der Vertikalflug muss nicht zwangsläufig senkrecht zu einer Horizontalebene, die parallel zur Erdoberfläche angeordnet ist, verlaufen, sondern es können beispielsweise Flugbewegungen, die in einem Winkel von 0 Grad bis 70 Grad zur Horizontalebene angeordnet sind, als Vertikalflug bezeichnet werden. Bei einem Vertikalflug erfolgt also eine Hauptbewegungsrichtung des Flugsystems in der Höhenrichtung relativ zur Erdoberfläche sowie zur Transportkapsel. Die Anordnung der Oberseite und Unterseite bedeutet ferner, dass eine Längsachse der Transportkapsel in der Längsrichtung, die senkrecht zur Höhenrichtung der Transportkapsel angeordnet ist, auch im Vertikalflug horizontal zur Erdoberfläche angeordnet ist. Die Transportkapsel wird also nicht in eine Schrägstellung relativ zur Horizontalebene bewegt, während der Vertikalflug durchgeführt wird. Demgegenüber erfolgt der Horizontalflug im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Vertikalflugs. Beim Horizontalflug erfolgt also der Flug im Wesentlichen in einer Horizontalrichtung, die senkrecht zur Höhenrichtung und parallel zur Erdoberfläche angeordnet ist. Es können hierbei auch Flugbewegungen mit beispielsweise einem Winkel von 0 Grad bis 70 Grad zur Vertikalen als Horizontalflug bezeichnet werden.
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An der Oberseite und Unterseite der Transportkapsel ist jeweils zumindest ein Koppelelement angeordnet. Mittels des Koppelelements ist das zumindest eine Antriebsmodul während der Beförderung des Flugsystems in der Luft an die Transportkapsel koppelbar und/oder von dieser entkoppelbar. Mit anderen Worten weist die Transportkapsel an ihrer Ober- und Unterseite jeweils eine fest vorgegebene Koppelvorrichtung auf, die hier als Koppelelement bezeichnet wird, die fest mit der Transportkapsel verbunden ist und an der das Antriebsmodul angekoppelt, das heißt mit anderen Worten angedockt, werden kann. Das Koppelelement kann als Komponente der Transportkapsel aufgefasst werden. Mit anderen Worten kann die Transportkapsel die zwei Koppelelemente, das heißt das Koppelelement an der Oberseite und das Koppelelement an der Unterseite, aufweisen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass beispielsweise an der Oberseite und/oder der Unterseite jeweils mehrere einzelne Koppelelemente angeordnet sind, sodass dort beispielsweise mehrere separate Antriebsmodule an- beziehungsweise entkoppelt werden können. Bevorzugt ist auf der Oberseite sowie auf der Unterseite jeweils genau ein einzelnes Koppelelement angeordnet. In diesem Fall kann die Transportkapsel an der Oberseite und an der Unterseite mit einem jeweiligen Antriebsmodul gekoppelt werden. Der Begriff „koppeln“ bezeichnet im Rahmen der Erfindung eine zumindest temporäre feste Verbindung zwischen dem zumindest einen Antriebsmodul und der Transportkapsel, die bevorzugt als mechanische Verbindung bereitgestellt durch das Koppelelement ausgebildet ist.
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Beispielsweise befindet sich bereits vor Beginn der Beförderung der Transportkapsel in der Luft zumindest ein mittels des Koppelelements angekoppeltes Antriebsmodul an der Transportkapsel angekoppelt. Während das derartige Flugsystem in der Luft befördert wird, kann das eine angekoppelte Antriebsmodul beispielsweise durch ein anderes Antriebsmodul ausgetauscht werden und/oder ein zweites Antriebsmodul kann an das aktuell freie Koppelelement, das heißt an ein unbelegtes Koppelelement der Transportkapsel, angekoppelt werden, sodass letztendlich anstelle zuvor nur einem Antriebsmodul nun zwei oder gegebenenfalls sogar mehr Antriebsmodule an die Transportkapsel gekoppelt sind.
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Mit anderen Worten ist ein modulares Fluggerät in Form des modularen Flugsystems zur Beförderung von Frachten, das heißt von Objekten, in der Luft vorgesehen, das die Transportkapsel sowie das modulare Antriebsmodul umfasst. Das Antriebsmodul kann spezifisch für horizontalen und/oder vertikalen Flug ausgebildet ist. Mehrere Antriebsmodule können in einer beliebigen Kombination an die Transportkapsel angekoppelt werden, wobei dies am Boden, aber auch in einer Flugphase möglich ist, das heißt während der Beförderung des Flugsystems in der Luft. Der Gedanke hierbei ist, dass einzelne Antriebsmodule jeweils individuelle Vor- und Nachteile hinsichtlich ihrer Leistungs- und Energiekapazität sowie bezüglich ihrer Funktion aufweisen können. Jede beliebige Kombination von Antriebsmodulen für die Transportkapsel ergibt somit ein individuelles System mit Vor- und Nachteilen gegenüber einer anderen Kombination von Antriebsmodulen. Es ist also letztendlich möglich, über eine vorausschauende Kombination der Antriebsmodule beziehungsweise eine vorausschauende Wahl des zumindest einen Antriebsmoduls im Wesentlichen nur Vorteile des jeweiligen Antriebsmoduls zu nutzen und die Nachteile zu reduzieren und damit gesamtsystemisch Vorteile gegenüber einem konventionellen und klassischen Betrieb eines Flugsystems zu schaffen. Da hierdurch beispielsweise bei einem Horizontalflug ein für den Vertikalflug ausgelegtes Antriebsmodul von der Transportkapsel entkoppelt werden kann und somit nicht weiter befördert werden muss, ist ein derartiges modulares Flugsystem besonders ressourcensparsam, da beispielsweise ein Energieverbrauch reduziert werden kann, da nicht mehr benötigte Antriebsmodule entkoppelt und somit von der Transportkapsel entfernt werden können. Es ist beispielsweise möglich, dass, sobald ein Energiespeicher eines Antriebsmoduls einen kritischen Lade- oder Energiezustand erreicht hat, dieses Antriebsmodul durch ein Ersatzantriebsmodul in der Luft, das heißt während der Beförderung des Flugsystems in der Luft, ausgetauscht wird und/oder ein neues Antriebmodul neu an die Transportkapsel angekoppelt wird, sodass beispielsweise ein längerer Flug mittels des Flugsystems möglich ist, als dies ohne reversibel ankoppelbares Antriebsmodul der Fall wäre. Insgesamt wird also ein vielseitig einsetzbares Flugsystem bereitgestellt.
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Die Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine Antriebsmodul als Vertikalantriebsmodul zur vertikalen Beförderung in der Luft ausgebildet ist. Ein Energiewandler eines Antriebsstrangs des Vertikalantriebsmoduls, der beispielsweise als Elektromaschine ausgebildet ist, ist hier beispielsweise auf alle möglichen Flugphasen ausgelegt, das heißt beispielsweise auf einen Steigflug, einen horizontalen Flug, einen Sinkflug und/oder einen Schwebeflug. Ein wesentliche Unterschied zu einem Energiewandler eines beispielsweise reinen Horizontalantriebsmoduls besteht in einer deutlich höheren Maximalleistung. Ein Energiespeicher des jeweiligen Antriebsstrangs, der beispielsweise als Batterie ausgebildet ist, ist auf eine kurze Flugphase, das heißt lediglich auf den Vertikalflug sowie einen kurzen horizontalen Flug mit Beschleunigungsvorgang, ausgelegt. Ein wesentlicher Unterschied zu einem Energiespeicher des Horizontalantriebsmoduls besteht in einer deutlich geringeren gespeicherten Energiemenge. Ein Schub für das Vertikalantriebsmodul wird über zumindest ein Triebwerk erzeugt, das als Propeller und/oder Turbine ausgebildet sein kann. Das zumindest eine Triebwerk kann zum Zweck der Manövrierfähigkeit sowie für horizontale Beschleunigungsvorgängen schwenkbar ausgebildet sein. Das Vertikalantriebsmodul kann beispielsweise sogar ohne angekoppelte Transportkapsel flugfähig sein.
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Alternativ oder zusätzlich zum Vertikalantriebsmodul kann das Antriebsmodul als Horizontalantriebsmodul zur horizontalen Beförderung in der Luft ausgebildet sein. Ein Energiewandler des Antriebsstrangs des Horizontalantriebsmoduls, beispielsweise dessen Elektromaschine, ist allein auf den horizontalen Flug mit beispielsweise nur moderater Beschleunigung und einen Sinkflug ausgelegt. Ein wesentlicher Unterschied zum Energiewandler des Vertikalantriebsmoduls besteht in einer im Vergleich dazu geringeren Maximalleistung. Ein Energiespeicher des Horizontalantriebsmoduls für den Antriebsstrang, also beispielsweise eine Batterie des Horizontalantriebsmoduls, ist beispielsweise auf eine lange Flugphase, insbesondere den horizontalen Flug, ausgelegt. Der wesentliche Unterschied zum Energiespeicher des Vertikalantriebsmoduls besteht in einer größeren Energiemenge, die mittels des Energiespeichers des Horizontalantriebsmoduls speicherbar ist. Mit anderen Worten weist das Horizontalantriebsmodul bevorzugt eine größere Batterie auf als das Vertikalantriebsmodul. Der Schub für das Horizontalantriebsmodul wird ebenfalls über zumindest ein Triebwerk erzeugt, das als Propeller und/oder Turbine ausgebildet sein kann. Das Horizontalantriebsmodul kann beispielsweise ohne Kopplung an die Transportkapsel flugfähig sein. Es gibt ferner zwei beispielhafte Möglichkeiten, das Horizontalantriebsmodul im Detail auszugestalten: Es kann entweder zumindest einen Starrflügel aufweisen, an dem zumindest ein nicht schwenkbares, horizontal ausgerichtetes Triebwerke angeordnet ist. Diese Möglichkeit zeichnet sich durch eine besonders hohe Flugeffizienz aus. Es sind jedoch nur hohe Fluggeschwindigkeiten möglich. Der Aufbau mit dem zumindest einen Starrflügel eignet sich daher vor allem für Langestreckenflüge mittels des Flugsystems. Die zweite Möglichkeit sieht einen Multikopter vor, das heißt zumindest einen Bikopter, der beispielsweise analog zum Vertikalantriebsmodul ausgebildet sein kann. Diese Möglichkeit zeichnet sich durch eine im Vergleich zur Ausgestaltung mit dem zumindest einen Starrflügel geringe Flugeffizienz aus, wobei nur langsame Fluggeschwindigkeiten möglich sind. Diese Möglichkeit eignet sich daher vor allem für Kurzstreckenflüge, wobei dann eine Landung eigenständig und sogar ohne Vertikalantriebsmodul möglich sein kann.
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Beispielsweise ist es möglich, dass ein Kombiantriebsmodul vorgesehen ist, das sowohl zur vertikalen als auch zur horizontalen Beförderung in der Luft ausgebildet ist. In diesem Fall ist das Antriebsmodul also sowohl Vertikalantriebsmodul als auch Horizontalantriebsmodul. In diesem Fall ist der Antriebsstrang auf alle Flugphasen, das heißt auf Steigflug, horizontalen Flug, Sinkflug und Schwebeflug ausgelegt. Der Schub wird über zumindest ein Triebwerk erzeugt, das wieder als Propeller oder Turbine ausgebildet ist. Das zumindest eine Triebwerk ist zum Zwecke der Manövrierfähigkeit sowie für horizontale Beschleunigungsvorgänge beispielsweise schwenkbar ausgebildet. Ein derartiges Kombiantriebsmodul ist bevorzugt nur für Kurzstrecken ausgelegt.
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Es wird also deutlich, dass mittels des Flugsystems durch geeignete Wahl des zumindest einen Antriebsmoduls diverse Flugarten bedient werden können, sodass ein besonders vielseitig einsetzbares Flugsystem bereitgestellt wird.
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Ein von der beanspruchten Erfindung abweichender Aspekt sieht vor, dass insbesondere vor der Beförderung des Flugsystems in der Luft mittels des Koppelelements an der Oberseite das Horizontalantriebsmodul und mittels des Koppelelements an der Unterseite das Vertikalantriebsmodul an die Transportkapsel gekoppelt ist. In einem Ausgangszustand vor dem Befördern des Flugsystems in der Luft werden somit bevorzugt bereits zwei Antriebsmodule an die Transportkapsel gekoppelt. Dies erfolgt über die zumindest zwei Koppelelemente. Es kann alternativ dazu vorgesehen sein, dass an der Oberseite das Vertikalantriebsmodul und an der Unterseite das Horizontalantriebsmodul angekoppelt sind. Ein derartiges Flugsystem ist besonders vielseitig einsetzbar, da sowohl ein Vertikalflug als auch ein Horizontalflug durchführbar ist.
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Ferner sieht es die Erfindung vor, dass nur an der Oberseite mittels des dortigen Koppelelements das Horizontalantriebsmodul an die Transportkapsel gekoppelt ist und die Transportkapsel ein Fahrmodul aufweist. Das Fahrmodul weist einen Radaufbewahrungsraum und zumindest ein Rad auf. Das Rad ist dazu ausgebildet, zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Stellung relativ zum Radaufbewahrungsraum bewegt zu werden. Mit anderen Worten ist am Unterboden, das heißt an der Unterseite der Transportkapsel, neben dem dortigen Koppelelement ein System für die Landung aus dem Horizontalflug installiert. Das Flugsystem ist dazu ausgebildet, in der ausgefahrenen Stellung des zumindest einen Rads des Fahrmoduls ein Starten in einen Horizontalflug oder ein Landen aus dem Horizontalflug durchzuführen. Es wird also zumindest ein Rad, bevorzugt mindestens drei Räder, aus einem eigens dafür vorgesehen Bauraum in der Transportkapsel, der als Radaufbewahrungsraum bezeichnet wird, für die Landung herausgefahren. Während der Beförderung des Flugsystems in der Luft wird das zumindest eine Rad zum Zwecke eines verringerten Luftwiderstands und einer höheren Energieeffizienz eingefahren, das heißt in die eingefahrene Stellung bewegt und in dieser im Radaufbewahrungsraum verstaut. Der Radaufbewahrungsraum weist bevorzugt eine Verschließeinrichtung auf, die in der eingefahrenen Stellung geschlossen und in der ausgefahrenen Stellung geöffnet ist. Falls das Fahrmodul nicht vorgesehen ist, das heißt nicht in die Transportkapsel integriert ist, ist nur ein Landen in vertikaler Richtung möglich, das heißt es ist stets ein Vertikalantriebsmodul erforderlich, damit das Flugsystem gelandet werden kann. Letztendlich kann auch bei reiner Verwendung des Horizontalantriebsmoduls das Flugsystem mittels des Fahrmoduls zuverlässig und komfortabel gestartet beziehungsweise gelandet werden.
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Ferner sieht es ein Ausführungsbeispiel vor, dass das zumindest eine Antriebsmodul entweder sowohl gekoppelt als auch entkoppelt oder nur gekoppelt selbstgesteuert und somit selbstkontrolliert flugfähig ist. Es ist also möglich, dass das Antriebsmodul komplett selbstständig flugfähig ist, egal, ob es beispielsweise an die Transportkapsel gekoppelt ist oder nicht. Bevorzugt steuert sich das Antriebsmodul selbst mittels einer Steuervorrichtung. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Antriebsmodul ferngesteuert werden, das heißt von einer externen Einrichtung bereitgestellte Steuerbefehle empfangen und umsetzten. Es kann außerdem der Fall sein, dass das Antriebsmodul nur in einem gekoppelten Zustand mit der Transportkapsel flugfähig ist. Der Grund hierfür kann beispielsweise sein, dass eine Energieversorgung, wie beispielsweise die Batterie des entsprechenden Antriebsmoduls, nicht im Antriebsmodul selbst angeordnet ist, sondern beispielsweise in der Transportkapsel, zum Beispiel in einer räumlichen Nähe zur Oberseite oder zur Unterseite der Transportkapsel, sodass nur im gekoppelten Zustand die für den geplanten Flug ausreichende Energieversorgung des Antriebsmoduls gewährleistet ist. In einem solchen Fall muss das Antriebsmodul entweder am Boden an die Transportkapsel gekoppelt werden oder es kann während der Beförderung in der Luft lediglich abgeworfen werden, ohne selbstgesteuert wieder zu landen oder zur Transportkapsel zurückfliegen zu können.
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Das Antriebsmodul ist insbesondere anstelle an die Transportkapsel an eine Leerflugkapsel koppelbar. Die Leerflugkapsel kann alternativ als Dummy-Kapsel bezeichnet werden. Es kann beispielsweise der Fall sein, dass das Horizontalantriebsmodul und/oder das Vertikalantriebsmodul nur dafür ausgebildet sind, die Transportkapsel mit den darin angeordneten Objekten an einem Zielort abzuliefern. Es kann geplant sein, dass daraufhin beispielsweise das Antriebsmodul ohne jegliche Fracht, das heißt sogar ohne die Transportkapsel, weiterfliegen soll. In diesem Fall kann das Antriebsmodul entweder, falls es dazu ausgebildet ist, komplett selbstständig, das heißt ohne mittels des Koppelelements an eine Kapsel, wie die Transportkapsel, angekoppelt zu sein, weiterfliegen oder es kann mit der Leerflugkapsel gekoppelt sein und mit dieser weiterfliegen. Das nur an die Leerflugkapsel gekoppelte und somit flugfähige Antriebsmodul kann also ohne die Transportkapsel verwendet werden, indem die Leerflugkapsel bereitgestellt wird. Die Leerflugkapsel kann beispielsweise einen Energiespeiche für das Antriebsmodul aufweisen. Ein Flug mit der Leerflugkapsel kann ferner für das Antriebsmodul, das sowohl gekoppelt als auch entkoppelt selbstständig flugfähig ist, sinnvoll sein, beispielsweise um eine Reichweite des derartige ausgebildeten Antriebsmoduls zu erweitern, indem durch den in der Leerflugkapsel bereitgestellten zusätzlichen Energiespeicher das Antriebsmodul zusätzlich mit Energie versorgt wird. Die Leerflugkapsel dient also bevorzugt als energetisches Hilfsaggregat. Bevorzugt weist die Leerflugkapsel zumindest eine und beispielsweise zwei Koppelelemente auf, die analog zu den Koppelementen der Transportkapsel angeordnet sind, das heißt an einer Oberseite und/oder einer Unterseite der Leerkapsel. Ferner kann die Leerflugkapsel das Fahrmodul aufweisen. Hierdurch wird die Einsatzmöglichkeit für das Flugsystem weiter erweitert.
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Außerdem sieht es ein Ausführungsbeispiel vor, dass das jeweilige Koppelelement dazu ausgebildet ist, die Transportkapsel und das Antriebsmodul zerstörungsfrei voneinander lösbar aneinander zu verankern oder ineinander zu verrasten. Der Koppelmechanismus des Koppelelements basiert also bevorzugt auf einer mechanischen Kopplung. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine magnetische Kopplung vorgesehen sein. Das Koppelelement kann beispielsweise zumindest ein Verankerelement und/oder Verrastelement aufweisen, deren entsprechendes jeweiliges Gegenstücke vom Antriebsmodul umfasst wird. Die jeweiligen Koppelelemente sind insbesondere derart ausgelegt, dass sie bei für die Beförderung in der Luft typischem Wind, Temperatur und/oder andere Umgebungsbedingung die Kopplung zwischen der Transportkapsel und dem Antriebsmodul bereitstellen beziehungsweise lösen können. Es kann hierfür vorgesehen sein, dass sowohl das Antriebsmodul als auch die Transportkapsel, insbesondere das Koppelelement, eine jeweilige Kommunikationsschnittstelle aufweist, sodass ein Datenaustausch zwischen dem angekoppelten und/oder zu entkoppelnden Antriebsmodul und der Transportkapsel, insbesondere dem Koppelelement, bereitgestellt werden kann. Hierdurch kann beispielsweise das Koppeln beziehungsweise Entkoppeln geplant oder gesteuert werden.
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Ein Aspekt der Erfindung kann eine Bodenstation zum Betreiben des modularen Flugsystems betreffen. Die Bodenstation kann überall dort angeordnet sein, wo das zumindest eine Objekt, das mittels des Flugsystems transportiert wird oder transportiert werden soll, vom Boden aufgenommen oder an den Boden abgegeben werden kann. Die Bodenstation kann daher beispielsweise auf einem Dach eines Gebäudes, wie einem Hochhaus, für beispielsweise Personentransport und/oder als beispielsweise auf dem Boden angeordnete Logistikstation für einen Güterverkehr ausgebildet sein. Die Bodenstation weist bevorzugt eine Tank- und/oder Lademöglichkeit für das Antriebsmodul auf. Ferner kann eine Koppelstation vorgesehen sein, die das An- oder Entkoppeln des zumindest einen Antriebsmoduls von der Transportkapsel am Boden unterstützt. Ferner kann eine Aufnahmestation für eine Transportkapsel vorgesehen sein, die mittels des Flugsystems zum Boden gebracht wurde. Die Bodenstation weist außerdem beispielsweise zumindest einen stationären Energiespeicher sowie unterschiedliche Service- und Wartungseinheiten für die einzelnen Antriebsmodule, die Transportkapsel und/oder die Leerflugkapsel auf. Optional kann die Bodenstation eine Landebahn aufweisen, die analog zu einer konventionellen Landebahn an einem Flughafen ausgebildet ist. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn eine eigenständige Landung des Horizontalantriebsmoduls mit zumindest einem Starrflügel erwünscht ist, wobei diese mittels des Fahrmoduls unterstützt wird.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines modularen Flugsystems zur Beförderung von Objekten in der Luft. Das Flugsystem weist eine Transportkapsel und zumindest ein an die Transportkapsel reversibel koppelbares Antriebsmodul auf. An einer Oberseite und einer gegenüberliegenden Unterseite der Transportkapsel ist jeweils ein Koppelelement angeordnet. Zumindest bei einem Vertikalflug des Flugsystems in gekoppeltem Zustand ist die Oberseite in Vertikalrichtung oberhalb der Unterseite angeordnet. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Es erfolgt ein Befördern der Transportkapsel vertikal und/oder horizontal in der Luft mittels des zumindest einen Antriebsmoduls. Mit anderen Worten erfolgt ein Befördern des Flugsystems vertikal und/oder horizontal in der Luft mittels des zumindest einen Antriebsmoduls, falls dieses im gekoppelten Zustand an die Transportkapsel gekoppelt ist, das heißt mit dieser verbunden ist. Ferner sieht ein Verfahrensschritt vor, dass für das zumindest eine Antriebsmodul ein Koppeln an die Transportkapsel und/oder Entkoppeln von der Transportkapsel während der Beförderung des Flugsystems in der Luft durchführbar und somit möglich ist. Es ist zudem vorgesehen, dass das zumindest eine Antriebsmodul als Vertikalantriebsmodul zur vertikalen Beförderung in der Luft und/oder als Horizontalantriebsmodul zur horizontalen Beförderung in der Luft ausgebildet ist und nur an der Oberseite mittels des dortigen Koppelelements das Horizontalantriebsmodul an die Transportkapsel gekoppelt ist und die Transportkapsel ein Fahrmodul aufweist, das einen Radaufbewahrungsraum und zumindest ein Rad aufweist, das dazu ausgebildet ist, zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Stellung relativ zum Radaufbewahrungsraum bewegt zu werden. Das Verfahren umfasst ein Durchführen eines Startens in einen Horizontalflug und/oder ein Landen aus dem Horizontalflug in der ausgefahrenen Stellung des Rads.
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Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen modularen Flugsystem beschriebenen einzelnen Ausführungsbeispiele sowie eine Kombination der Ausführungsbeispiele gelten entsprechend, sofern anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenfalls als jeweilige vorteilhafte Ausführungsbeispiele, insbesondere auch in ihrer Kombination miteinander, des erfindungsgemäßen modularen Flugsystems anzusehen sind.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens sieht weitere Schritte vor, die nacheinander durchgeführt werden: Vor dem Befördern in der Luft erfolgt ein Durchführen des Koppelns eines Horizontalantriebsmoduls als Antriebsmodul an die Oberseite und eines Vertikalantriebsmoduls als Antriebsmodul an die Unterseite der Transportkapsel mittels des jeweiligen Koppelelements oder umgekehrt. Mit anderen Worten wird die Transportkapsel mit dem Horizontalantriebsmodul sowie mit einem Vertikalantriebsmodul gekoppelt. Ferner kann im Rahmen dieses Verfahrensschritts beziehungsweise davor oder danach die Transportkapsel mit zumindest einem zu befördernden Objekt befüllt werden. Das Objekt kann eine Person und/oder ein Gegenstand, das heißt ein Frachtgut, sein. Ist die Transportkapsel zum Transport von zumindest einer Person ausgebildet, kann sie beispielsweise in einem Innenraum der Transportkapsel komfortabel gestaltet sein, das heißt zumindest eine Sitzgelegenheit aufweisen. Für den Transport von Frachtgut beziehungsweise Gütern kann der Innenraum der Transportkapsel als Aufbewahrungsraum gestaltet sein, sodass in diesem beispielsweise eine Aufbewahrungsvorrichtung für das oder die zu transportierenden Objekte angeordnet sein kann, zum Beispiel ein Regal und/oder ein Haltegurt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Befördern des Flugsystems in einer Zielflughöhe mittels des Vertikalantriebsmoduls. Mit anderen Worten wird mittels des Vertikalantriebsmoduls das Flugsystem in die gewünschte Zielhöhe befördert. Das Horizontalantriebsmodul ist dabei bevorzugt nicht in Verwendung, das heißt es ist beispielsweise deaktiviert und folglich inaktiv. Nach Erreichen der Zielflughöhe erfolgt ein Durchführen eines Antriebswechsels vom Vertikalantriebsmodul zum Horizontalantriebsmodul. An dem Ende des Antriebswechsels wird mittels des Horizontalantriebsmoduls ein Horizontalflug des Flugsystems ohne Beitrag des Vertikalantriebsmoduls durchgeführt. Es ist hierbei zu unterscheiden, wie das Horizontalantriebsmodul ausgebildet ist. Ist das Horizontalantriebsmodul mit zumindest einem Starrflügel ausgebildet, wird dieses in Betrieb genommen, wodurch ein horizontaler Schub erzeugt wird. Während einer Beschleunigungsphase, in der das Horizontalantriebsmodul den Flugbetrieb nicht alleine aufrechthalten kann, unterstützt das Vertikalantriebsmodul mit vertikalem Schub. Es muss nun eine vergleichsweise hohe Horizontalgeschwindigkeit erreicht werden, bevor tatsächlich ohne Beitrag des Vertikalantriebsmoduls der Horizontalflug mittels des Horizontalantriebsmoduls alleine und ohne Verlassen der Zielflughöhe durchführbar ist. Falls das Horizontalantriebsmodul als Multikopter ausgebildet ist, wird dieses in Betrieb genommen und erzeugt zunächst ebenfalls zusätzlich zu einem horizontalen Schub einen vertikalen Schub. Gleichzeitig wird ein Schub des Vertikalantriebsmoduls reduziert. Eine Steuereinrichtung des Flugsystems kann beispielsweise die jeweiligen Schubkräfte der beiden Antriebsmodule derart aneinander anpassen, dass keine Vertikalbewegung des Flugsystems als Ganzes mehr ausgeführt wird. Dies erfolgt solange, bis eine vertikale Schubkraft des Vertikalantriebsmoduls der Schubkraft entspricht, die dieses benötigt, um sich alleine ohne Transportkapsel in der Luft halten zu können, wobei der horizontale Schub des Horizontalantriebsmoduls bis zu einem gewünschten Zielschub für die horizontale Beförderung der Transportkapsel in der Luft gesteigert wird. Letztendlich findet ein kontinuierlicher Übergang der Erzeugung des für die Beförderung benötigten Schubs vom Vertikalantriebsmodul zum Horizontalantriebsmodul statt.
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Während des Durchführens des Horizontalflugs, das heißt, wenn das Vertikalantriebsmodul nicht mehr zum Aufrechterhalten des Horizontalflugs benötigt wird, erfolgt ein Entkoppeln des Vertikalantriebsmoduls mittels des entsprechenden Koppelelements. Hierbei koppelt sich das Vertikalantriebsmodul bevorzugt selbstständig von der Transportkapsel und somit vom restlichen Flugsystem ab. Daraufhin kann das Horizontalantriebsmodul den Horizontalflug eigenständig durchführen und beispielsweise in Richtung eines Zielorts bewegt werden. Das Horizontalantriebsmodul als Multikopter kann beispielsweise bei einer Passagierbeförderung eine Horizontalgeschwindigkeit von 100 bis 300 Kilometer pro Stunde erreichen. Bei einer kleiner ausgestalteten Transportkapsel zum reinen Pakettransport kann die Maximalgeschwindigkeit wegen Luftwiderstand, Größe der Transportkapsel und der typischerweise im Vergleich zur Passagierbeförderung geringeren Masse zu weniger Auftriebskräften führen, sodass zum Beispiel Geschwindigkeiten von bis zu 100 Kilometer pro Stunde erreicht werden können. Bei der Inbetriebnahme des Horizontalantriebsmoduls als Multikopter wird auf schwenkbare Rotoren zurückgegriffen, sodass mittels des Horizontalantriebsmoduls als Multikopter ein vertikaler Schub erzeugt werden kann. Mittels des Horizontalantriebsmoduls mit dem zumindest einen Starrflügel können im Vergleich zu der Ausgestaltung als Multikopter deutlich höhere Geschwindigkeiten erreicht werden. Es ist also letztendlich möglich, dass das Vertikalantriebsmodul nur dann mit dem Flugsystem mitgeführt wird, wenn es tatsächlich benötigt wird, das heißt für den Vertikalflug sowie die Übergangsphase zur Übernahme der Beförderung mittels des Horizontalantriebsmoduls. Daraufhin muss das Vertikalantriebsmodul nicht mehr mitgeführt werden, wodurch das Flugsystem leichter wird und letztendlich ressourcensparsamer wird, da weniger Energie benötigt wird, was wiederum die Reichweite bei gleichbleibendem Energiespeicher des Flugsystems erhöht.
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Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Landen des Flugsystems an einem Zielort mittels des Horizontalantriebsmoduls und einem Fahrmodul das Flugsystem ein Landeanflug auf einer Landebahn durchgeführt wird. In dem Fall, dass eine Landebahn vorhanden ist, kann also ohne erneutes Ankoppeln des Vertikalantriebsmoduls das Flugsystem mittels des Horizontalantriebsmoduls alleine gelandet werden. Hierfür wird auf das bereits oben beschriebene Fahrmodul zurückgegriffen, dessen zumindest eine Rad für einen Landeanflug beziehungsweise für das Landen in die ausgeklappte Stellung bewegt wird. Das Flugsystem landet dann auf der Landebahn analog zum Landen eines klassischen Flugzeugs.
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Alternativ dazu kann das Vertikalantriebsmodul mittels eines unbelegten Koppelelements wieder an das Flugsystem gekoppelt werden, und zwar an die Transportkapsel. Das unbelegte Koppelelement ist das Koppelelement, an dem aktuell kein Antriebsmodul gekoppelt ist, sodass es letztendlich frei und für das Ankoppeln des Antriebsmoduls bereitsteht. Mittels des Vertikalantriebsmoduls kann dann das Flugsystem gelandet werden. Dies erfolgt insbesondere, nachdem der Antriebswechsel vom Horizontalantriebsmodul zum Vertikalantriebsmodul durchgeführt wurde, sodass am Ende des Antriebswechsels mittels des Vertikalantriebsmoduls ein Vertikalflug des Flugsystems ohne Beitrag des Horizontalantriebsmoduls durchgeführt wird. Ist das Horizontalantriebsmodul beispielsweise als Horizontalantriebsmodul mit dem zumindest einen Starrflügel ausgebildet und keine Landebahn vorhanden, koppelt sich an die Transportkapsel kurz vor dem Erreichen des Zielorts das Vertikalantriebsmodul an. Der Antrieb des Horizontalantriebsmoduls wird dann zum Beispiel ausgeschaltet und somit außer Betrieb genommen, wobei gleichzeitig das Vertikalantriebsmodul das Fluggerät abbremst und es zu Boden bringt, indem es auf beispielsweise der zuvor beschriebenen Bodenstation landet. Es kann hierbei ferner ein kontinuierlicher Antriebswechsel vorgesehen sein, sodass beispielsweise ein über eine Zeitdauer erfolgender Übergang vom reinen Antrieb mittels des Horizontalantriebsmoduls zum reinen Antrieb mittels des Vertikalantriebsmoduls durchgeführt werden kann, bei dem beispielweise der horizontale Schub des Horizontalantriebsmoduls immer weiter reduziert wird, bis er bei null angelangt ist. Sofern das Horizontalantriebsmodul als Multikopter ausgebildet ist, kann es der Fall sein, dass das Flugsystem auch ohne erneut angekoppeltes Vertikalantriebsmodul gelandet werden kann, da dann das Horizontalantriebsmodul letztendlich ein Kombiantriebsmodul ist und auch für einen Vertikalflug ausgebildet ist.
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Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel sieht vor, dass während des Horizontalflugs ohne angekoppeltem Vertikalantriebsmodul ein zweites Horizontalantriebsmodul mittels des unbelegten Koppelelements an die Transportkapsel gekoppelt wird. Es können also letztendlich zwei Horizontalantriebsmodule gleichzeitig, das heißt an der Oberseite und an der Unterseite der Transportkapsel, angekoppelt sein. Der Vorteil hiervon ist eine Reichweitenverlängerung und/oder ein Zeitersparnis aufgrund einer nun möglichen höheren Reisegeschwindigkeit des Flugsystems. Nach dem Steigflug, also dem Erreichen der Zielflughöhe, mit dem Vertikalantriebsmodul erfolgt beispielsweise ein Tausch zwischen dem Vertikalantriebsmodul und dem zweiten Horizontalantriebsmodul. Bei einer Landung ohne Landebahn muss sowohl die Transportkapsel mit dem ersten Horizontalantriebsmodul als gegebenenfalls zum Beispiel auch das zweite Horizontalantriebsmodul von einem entsprechenden Vertikalantriebsmodul zu Boden befördert werden. Es kann also der Fall sein, dass das zweite Horizontalantriebsmodul in diesem Fall vor dem Landen wieder entkoppelt und dann entweder selbstständig oder unterstützt von einem anderen Vertikalantriebsmodul zu Boden gebracht wird, wohingegen das zuvor entkoppelte Vertikalantriebsmodul oder ein anderes Vertikalantriebsmodul wieder beispielsweise an der Unterseite oder Oberseite der Transportkapsel, je nachdem, wo sich das unbelegte Koppelelement befindet, an die Transportkapsel gekoppelt wird, um die Landung in vertikaler Richtung durchführen zu können.
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Alternativ oder zusätzlich dazu können zwei Horizontalantriebsmodule nacheinander an die Transportkapsel gekoppelt werden. Hierdurch kann ebenfalls eine Reichweitenverlängerung und/oder ein Zeitersparnis erreicht werden, da beispielsweise keine Zwischenlandung notwendig wird, um einen Weiterflug zu ermöglichen. Im Verlauf des Horizontalflugs erfolgt dann ein Wechsel des Horizontalantriebsmoduls in der Luft ohne Landung. Hierfür kann beispielsweise das neue Horizontalantriebsmodul an das unbelegte Koppelelement koppeln und/oder ein fliegender Wechsel stattfinden, der jedoch voraussetzt, dass der Koppelvorgang mittels des Koppelelements in kurzer Zeit durchführbar ist. Ein im Flug durchgeführter Wechsel des einzigen Antriebsmoduls ist nur dann möglich, wenn das Antriebsmodul selbst selbstständig flugfähig ist und somit beispielsweise die sich nun im Schwebeflug befindende Transportkapsel schnell wieder an das neue Antriebsmodul gekoppelt werden kann.
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Zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens weist das Flugsystem bevorzugt eine Steuervorrichtung auf. Die Transportkapsel, das Koppelelement und/oder das Antriebsmodul weisen jeweils zum Beispiel die Steuervorrichtung auf. Die Steuervorrichtung weist eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, ein Ausführungsbeispiel oder eine Kombination von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung das Ausführungsbeispiel oder die Kombination der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines modularen Flugsystems mit zwei angekoppelten Antriebsmodulen;
- 2 eine schematische Darstellung eines modularen Flugsystems mit einem Fahrmodul;
- 3 eine schematische Darstellung eines modularen Flugsystems mit einer Leerflugkapsel; und
- 4 in schematischer Darstellung einen Signalflussgraphen eines Verfahrens zum Betreiben eines modularen Flugsystems.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein modulares Flugsystem 1 zur Beförderung in der Luft skizziert. Das modulare Flugsystem 1 ist in einer Seitendarstellung skizziert. Eine Höhenrichtung des Flugsystems 1 entspricht einer z-Richtung, wohingegen eine Längs- und/oder Querrichtung einer x-beziehungsweise y-Richtung entspricht. Die z-Richtung, also die Höhenrichtung, entspricht einer Vertikalrichtung und die x- und y-Richtung einer Horizontalrichtung relativ zu einer Erdoberfläche. Diese Richtungsangaben sind für alle in den Fig. dargestellten modularen Flugsysteme 1 gleichbleibend.
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Das Flugsystem 1 weist eine Transportkapsel 2 und zumindest ein an die Transportkapsel 2 reversibel koppelbares Antriebsmodul 3 auf. Das in 1 gezeigte Beispiel zeigt rein exemplarisch zwei Antriebsmodule 3, und zwar als erstes Antriebsmodul 3 ein Horizontalantriebsmodul 4 und als zweites Antriebsmodul 3 ein Vertikalantriebsmodul 5. Das Vertikalantriebsmodul 5 ist zur vertikalen Beförderung in der Luft und das Horizontalantriebsmodul 4 zur horizontalen Beförderung in der Luft ausgebildet. Das Horizontalantriebsmodul 4 ist an einer Oberseite 6 der Transportkapsel 2 angeordnet, wohingegen das Vertikalantriebsmodul 5 an einer der Oberseite 6 gegenüberliegenden Unterseite 7 der Transportkapsel 2 angeordnet ist. Diese Anordnung kann in einem alternativen Beispiel umgekehrt sein, sodass das Horizontalantriebsmodul 4 an der Unterseite 7 und das Vertikalantriebsmodul 5 an der Oberseite 6 der Transportkapsel 2 angeordnet sein kann. Das jeweilige Antriebsmodul 3 ist dazu ausgebildet, in dem an die Transportkapsel 2 gekoppelten Zustand die Transportkapsel 2 vertikal und/oder horizontal in der Luft zu befördern, also in der Vertikalrichtung und/oder Horizontalrichtung. Zumindest bei einem Vertikalflug, das heißt bei einer Bewegung der Transportkapsel 2 in der z-Richtung, ist die Oberseite 6 in der z-Richtung oberhalb der gegenüberliegenden Unterseite 7 angeordnet, wie es in 1 skizziert ist.
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An der Oberseite 6 und an der Unterseite 7 ist jeweils ein Koppelelement 8 angeordnet. Das Koppelelement 8 kann als Komponente der Transportkapsel 2 oder als separate Komponente des Flugsystems 1 betrachtet werden. An der jeweiligen Seite, das heißt an der Oberseite 6 und an der Unterseite 7, können ferner mehrere Koppelelemente 8 vorgesehen sein (hier nicht skizziert). Diese können beispielsweise in der x- und/oder y-Richtung nebeneinander angeordnet sein. Mittels des jeweiligen Koppelelements 8 kann das zumindest eine Antriebsmodul 3 während der Beförderung des Flugsystems 1 in der Luft an die Transportkapsel 2 koppelbar und/oder von dieser entkoppelbar sein.
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Die Transportkapsel 2 kann ein Fenster 9 aufweisen. In der Transportkapsel 2 wird bevorzugt zumindest ein Objekt 10 angeordnet. Das Objekt 10 kann eine Fracht, das heißt ein Frachtgut, darstellen, wie hier beispielsweise ein Paket. Alternativ oder zusätzlich kann als das zumindest eine Objekt 10 eine Person mittels der Transportkapsel 2 befördert werden.
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In 1 sind ferner Triebwerke 11 des Horizontalantriebsmoduls 4 sowie des Vertikalantriebsmoduls 5 skizziert. Das Triebwerk 11 kann beispielsweise als Turbine und/oder als Propeller ausgebildet sein. Das Horizontalantriebsmodul 4 weist hier exemplarisch einen Starrflügel 12 auf. Der Propeller als Triebwerk 11 ist hier exemplarisch mittels Propellerrädern 13 für das Vertikalantriebsmodul 5 skizziert. Das Horizontalantriebsmodul 4 kann alternativ als Multikopter ausgebildet sein und beispielsweise der hier skizzierten Darstellung des Vertikalantriebsmoduls 5 ähneln beziehungsweise entsprechen. Generell kann anstelle des Horizontalantriebsmoduls 4 und/oder des Vertikalantriebsmoduls 5 ein Kombiantriebsmodul an der jeweiligen Stelle angeordnet sein, mittels dessen sowohl ein Horizontalflug als auch ein Vertikalflug möglicht ist. Das Kombiantriebsmodul umfasst somit das Horizontalantriebsmodul 4 und das Vertikalantriebsmodul 5.
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Das Vertikalantriebsmodul 5 weist eine Standeinrichtung 14 auf, die beispielsweise ein- und ausklappbar ausgebildet sein kann und auf der das Flugsystem 1 beziehungsweise das Vertikalantriebsmodul 5 bei einem Landen auf einem Boden stehen kann. Es können beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr einzelne Standbeine von der Standeinrichtung 14 umfasst werden.
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Zumindest das jeweilige Antriebsmodul 3 und bevorzugt zudem die Transportkapsel 2 weisen eine jeweilige Steuervorrichtung 15 auf. Die Steuervorrichtung 15 ist eine Recheneinrichtung, das heißt sie weist zumindest einen Mikroprozessor und/oder einen Mikrokontroller auf und ist dazu ausgebildet, beispielsweise Steuerbefehle für das Antriebsmodul 3 und/oder für das Andocken des Antriebsmoduls 3 an die Transportkapsel 2 bereitzustellen. Ferner weisen die hier skizzierten Antriebsmodule 3 eine Kommunikationsschnittstelle 16 sowie zumindest eine weitere Einrichtung 17 auf, die beispielsweise eine Sensoreinrichtung und/oder eine Leuchteinrichtung sein kann. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung eine Abstandsmessung zur Transportkapsel 2 durchführen und somit das Koppeln beziehungsweise Entkoppeln mittels des Koppelelements 8 unterstützen. Die Kommunikationsschnittstelle 16 und/oder die weitere Einrichtung 17 kann zudem von der Transportkapsel 2 und bevorzugt vom jeweiligen Koppelelement 8 umfasst werden. Die Kommunikationsschnittstellen 16 ermöglichen eine drahtlose Kommunikation zwischen der Transportkapsel 2, dem Antriebsmodul 3 und/oder dem Koppelelement 8.
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In 2 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem nur an der Oberseite 6 mittels des dortigen Koppelelements 8 das Horizontalantriebsmodul 4 an die Transportkapsel 2 gekoppelt ist. Die Transportkapsel 2 kann ein Fahrmodul 18 aufweisen. Das Fahrmodul 18 weist einen Radaufbewahrungsraum 19 sowie zumindest ein Rad 20 auf. Bevorzugt weist es mindestens drei Räder 20 auf. Das zumindest eine Rad 20 des Fahrmoduls 18 ist dazu ausgebildet, zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Stellung bewegt zu werden, wobei in der ausgefahrenen Stellung das zumindest eine Rad 20 ausgefahren ist und in der eingefahrenen Stellung das zumindest eine Rad 20 im Radaufbewahrungsraum 19 verstaut ist. Die jeweilige Stellung wird also relativ zum Radaufbewahrungsraum 19 definiert. In der ausgefahrenen Stellung des Rads 20 des Fahrmoduls 18 kann das Flugsystem 1 ein Starten in einen Horizontalflug und/oder ein Landen aus dem Horizontalflug mittels des Horizontalantriebsmoduls 4 durchführen. In diesem Fall ist also kein Vertikalantriebsmodul 5 nötig.
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In 3 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem das Antriebsmodul 3 anstelle mit der Transportkapsel 2 mit einer Leerflugkapsel 21 gekoppelt ist. Das Antriebsmodul 3 ist hier beispielhaft das Horizontalantriebsmodul 4. Ferner weist das in 3 gezeigte Beispiel das Fahrmodul 18 als Komponente der Leerflugkapsel 21 auf. Die Leerflugkapsel 21 kann zumindest an der Oberseite 6 und beispielsweise zusätzlich oder alternativ an der Unterseite 7 das Koppelelement 8 aufweisen. Es kann jedoch der Fall sein, dass nur an der Oberseite 6 das Koppelelement 8 angeordnet ist, damit die Leerflugkapsel 21 mit einem Antriebsmodul 3 koppelbar ist, wohingegen an der Unterseite 7 lediglich das Fahrmodul 18 angeordnet ist und kein Koppelelement 8 (hier nicht skizziert). Das jeweilige Antriebsmodul 3 kann also anstelle mit der Transportkapsel 2 auch mit der Leerflugkapsel 21 gekoppelt sein, wobei die Leerflugkapsel 21 bevorzugt einen Energiespeicher aufweist. Der Energiespeicher des jeweiligen Antriebsmoduls 3 kann ferner in das jeweilige Antriebsmodul 3 integriert sein oder extern von diesem, beispielsweise in der Transportkapsel 2 und/oder in der Leerflugkapsel 21, angeordnet sein (hier nicht skizziert).
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Generell kann das jeweilige Antriebsmodul 3 im gekoppelten als auch im entkoppelten Zustand selbstgesteuert und somit selbstkontrolliert flugfähig sein. Es kann jedoch alternativ dazu der Fall sein, das das Antriebsmodul 3 nur im gekoppelten Zustand selbstgesteuert und somit selbstkontrolliert flugfähig ist. In diesem Fall eignet sich für einen Leerflug ohne Fracht, bei dem die Transportkapsel 2 nicht benötigt wird, das Koppeln des jeweiligen Antriebsmoduls 3 an die Leerflugkapsel 21. Das jeweilige Koppelelement 8 kann bevorzugt mechanisch die Transportkapsel 2 und das Antriebsmodul 3 beziehungsweise die Leerflugkapsel 21 und das Antriebsmodul 3 zerstörungsfrei voneinander lösbar aneinander verankern oder ineinander verrasten.
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In 4 sind einzelne Verfahrensschritte S1 bis S6 zum Betreiben des modularen Flugsystems 1 skizziert. Alle Verfahrensschritte S1 bis S6, zeigen das Befördern des Flugsystems 1 vertikal und/oder horizontal in der Luft mittels des zumindest einen Antriebsmoduls 3. Ferner zeigen die Verfahrensschritte S3 und S4 für das zumindest eine Antriebsmodul 3 ein Entkoppeln beziehungsweise Koppeln relativ zur Transportkapsel 2 während der Beförderung des Flugsystems 1 in der Luft. Hierbei zeigt genau genommen der Verfahrensschritt S3 das Entkoppeln des Antriebsmoduls 3 von der Transportkapsel 2 und der Verfahrensschritt S4 das Ankoppeln des Antriebsmoduls 3 an die Transportkapsel 2.
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Vor dem ersten Verfahrensschritt S1, das heißt bevorzugt vor dem Befördern in der Luft, erfolgt ein Durchführen des Koppelns des Antriebsmoduls 3 an die Transportkapsel 2. Im hier gezeigten Beispiel wird das Horizontalantriebsmodul 4 an der Oberseite 6 und des Vertikalantriebsmodul 5 an der Unterseite 7 mittels des jeweiligen dortigen Koppelelements 8 an die Transportkapsel 2 gekoppelt. Dies könnte alternativ umgekehrt erfolgen. In dem nun skizzierten Verfahrensschritt S1 wird das Flugsystem 1 in eine Zielflughöhe befördert, und zwar mittels des Vertikalantriebsmoduls 5. Es findet hier also bevorzugt ein Vertikalflug statt, der im Wesentlichen in der skizzierten z-Richtung erfolgt. In 4 sind ferner jeweilige Bewegungsrichtungen 22 der einzelnen Triebwerke 11 des Horizontalantriebsmoduls 4 und des Vertikalantriebsmoduls 5 skizziert, sofern diese für den jeweiligen Verfahrensschritt aktiviert sind. In Verfahrensschritt S1 sind somit nur die Triebwerke 11 des Vertikalantriebsmoduls 5 aktiviert, sodass nur diese eine jeweilige Bewegungsrichtung 22 aufweisen. Die Propellerräder 13 oder Rotorblätter dieses als Multikopter ausgestalteten Vertikalantriebsmoduls 5 sind hier in der Horizontalebene angeordnet, also in der x-y-Ebene.
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In einem Verfahrensschritt S2 wird nach Erreichen einer Zielflughöhe ein Antriebswechsel vom Vertikalantriebsmodul 5 zum Horizontalantriebsmodul 4 durchgeführt. Am Ende des Antriebswechsels wird mittels des Horizontalantriebsmoduls 4 der Horizontalflug des Flugsystems 1 ohne Beitrag des Vertikalantriebsmoduls 5 durchgeführt. Während des Antriebswechsels sind beispielsweise die Triebwerke 11 von beiden Antriebsmodulen 3 aktiviert. Es ist ferner zu erkennen, dass sich die Propellerräder 13 des Vertikalantriebsmoduls 5 in eine Schrägstellung, die beispielsweise schräg zur Horizontalrichtung beziehungsweise Vertikalrichtung angeordnet ist, bewegen. Hierdurch wird der vertikale Schub immer weiter reduziert und somit wird zunächst zum horizontalen Schub beigetragen, bevor dieser von den beispielsweise immer stärker arbeitenden Triebwerken 11 des Horizontalantriebsmoduls 4 alleine bereitgestellt werden kann.
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In einem Verfahrensschritt S3 wird nun während des Durchführens des Horizontalflugs, der allein mittels des Schubs des Horizontalantriebsmoduls 4 erfolgt, das Vertikalantriebsmodul 5 mittels des entsprechenden Koppelelements 8 von der Transportkapsel 2 entkoppelt. Wie hier gezeigt ist, kann sich das Vertikalantriebsmodul 5 nun vom restlichen Flugsystem 1 entfernen, wobei dies in Richtung einer eingezeichneten Vertikalantriebsmodulflugrichtung 23 erfolgt.
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Daraufhin sind zwei verschiedene weitere Verfahrensschritte S4 oder S6 möglich: In einem ersten Beispiel erfolgt in einem Verfahrensschritt S4, dass das Vertikalantriebsmodul 5 zum Landen des Flugsystems 1 an einem Zielort wieder mittels des aktuell unbelegten Koppelelements 8 an die Transportkapsel 2 gekoppelt wird. Hierfür bewegt sich das Vertikalantriebsmodul 5 wieder auf die Transportkapsel 2 zu. Es kann nun (hier nicht skizziert) ein weiterer Antriebswechsel durchgeführt werden, bei dem vom Horizontalantriebsmodul 4 zum Vertikalantriebsmodul 5 gewechselt wird, sodass am Ende jegliche Beschleunigung und insbesondere der Vertikalflug des Flugsystems 1 ohne Beitrag des Horizontalantriebsmoduls 4 durchgeführt wird, und zwar mittels des Vertikalantriebsmoduls 5. In einem Verfahrensschritt S5 erfolgt dann das Durchführen des Vertikalflugs zum Landen des Flugsystems 1 am Zielort mittels des Vertikalantriebsmoduls 5.
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Alternativ zu den Verfahrensschritten S4 und S5 kann der Verfahrensschritt S6 erfolgen. Dieser sieht vor, dass kein Vertikalantriebsmodul 5 an die Transportkapsel 2 gekoppelt wird. In diesem Fall wird also nur mit dem Horizontalantriebsmodul 4 gelandet. Hierfür weist die Transportkapsel 2 das bereits beschriebene Fahrmodul 18 auf. Es kann nun ein Landeanflug auf einer Landebahn mittels des Horizontalantriebsmoduls 4 in Kombination mit dem Fahrmodul 18 durchgeführt werden.
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Es ist ferner möglich, dass während des Horizontalflugs ohne angekoppeltes Vertikalantriebsmodul 5 beziehungsweise generell bei zumindest einem unbelegten Koppelelement 8 ein weiteres, beispielsweise zweites, Horizontalantriebsmodul 4 mittels des unbelegten Koppelelements 8 an die Transportkapsel 2 gekoppelt wird. Es kann ferner ein fliegender Wechsel zwischen beispielsweise zwei Horizontalantriebsmodulen 4 während der Beförderung in der Luft erfolgen.
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Insgesamt zeigen die Beispiele ein Verfahren und ein Flugsystem 1 zur Beförderung von Frachten, das heißt Objekten 10, in der Luft mithilfe einer modularen Flugeinheit, das heißt einem modularen Flugsystem 1, bestehend zumindest aus der Transportkapsel 2 sowie den modularen spezifischen Antriebsmodulen 3 für den horizontalen und/oder vertikalen Flug. Dadurch, dass das Flugsystem 1 modular ist, kann für jede Flugphase mit einem eigens dafür ausgelegten Antriebsmodul 3 das Flugsystem 1 betrieben werden. Dadurch können unterschiedliche positive Effekte, wie eine erhöhte Effizienz des Flugbetriebs, erhöhte Flugreichweite und/oder verringerte Gesamtkosten im Systemverbund, also über eine Flotte und einen Mobilitätsservice hinweg, verzeichnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flugsystem
- 2
- Transportkapsel
- 3
- Antriebsmodul
- 4
- Horizontalantriebsmodul
- 5
- Vertikalantriebsmodul
- 6
- Oberseite
- 7
- Unterseite
- 8
- Koppelelement
- 9
- Fenster
- 10
- Objekt
- 11
- Triebwerk
- 12
- Starrflügel
- 13
- Propellerrad
- 14
- Standeinrichtung
- 15
- Steuervorrichtung
- 16
- Kommunikationsschnittstelle
- 17
- weitere Einrichtung
- 18
- Fahrmodul
- 19
- Radaufbewahrungsraum
- 20
- Rad
- 21
- Leerflugkapsel
- 22
- Bewegungsrichtung
- 23
- Vertikalantriebsmodulflugrichtung
- S1 bis S6
- Verfahrensschritte
- z
- Vertikalrichtung
- x, y
- Horizontalrichtung
