DE19512816C2 - Segelflugzeug mit Hilfsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Segelflugzeug mit einem Hilfstriebwerk, das einen Elektromotor, eine Batterieeinrichtung zur Energieversorgung des Elektromotors und einen durch den Motor antreibbaren Propeller aufweist.

Ein derartiges Segelflugzeug ist aus der DE-OS 24 14 704 bekannt. Solche Segelflugzeuge sind zum einen weitgehend von Startpersonal unabhängig. Zum anderen reduziert sich bei derartigen Segelflugzeugen die Außenlandegefahr erheblich. Aus diesen Gründen kann mit diesen Segelflugzeugen in der Regel die Zahl der Flugstunden und die Zahl der geflogenen Überlandkilometer vervielfacht werden.

Weiterhin sind Segelflugzeuge mit Hilfstriebwerk bekannt, in denen hauptsächlich Zweitaktmotoren, die sich durch relativ geringes Gewicht und kleine Abmessungen auszeichnen, als Triebwerke eingesetzt werden.

Ein Nachteil dieser Motoren ist jedoch ihre erhebliche Lärmemission.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Flugeigenschaften, also insbesondere die Flugleistungen, der herkömmlichen Segelflugzeuge mit Hilfstriebwerken zu verbessern.

Diese Aufgabe wird für ein Segelflugzeug der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Batterieeinrichtung als nicht tragendes Teil in den Tragflächen angeordnet ist.

Durch die Anordnung der Batterieeinrichtung in den Tragflächen können die erwünschten Flugleistungen, also insbesondere eine erforderliche Steiggeschwindigkeit von mindestens 2 m/sec und eine maximale Steighöhe von über 1800 m, erzielt werden. Weiterhin kann durch Verwendung des Elektromotors die Lärmemission des Hilfstriebwerks erheblich re­ duziert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ein Elektromotor mit einem Wirkungsgrad, der größer oder gleich 70% ist, verwendet. Ein hoher Wirkungsgrad des Motors bedeutet bei gleicher Batterieeinrichtung eine höhere Motorleistung und somit auch eine höhere Flugleistung. Diese erhöhte Flugleistung spiegelt sich in einer erhöhten Steiggeschwindig­ keit und einer vergrößerten maximalen Steighöhe wider.

Vorteilhafterweise kann ein Asynchron-Drehstrommotor verwendet werden. Diese spezielle Form eines Elektromotors kann einen Wirkungsgrad, der größer oder gleich 90% ist, auf­ weisen. Darüber hinaus kann dieser Asynchron-Drehstrommotor mit einem Gewicht, das kleiner oder gleich 30 kg ist, ausgebildet werden. Durch diesen hohen Wirkungsgrad und das geringe Motorgewicht lassen sich die oben genannten Flugleistungen weiter verbes­ sern.

Außerdem hat sich gezeigt, daß die Batterieeinrichtungen vorteilhafterweise im vorderen Tragflächenbereich angeordnet werden können. Hierdurch kann eine günstigere Gewichts­ verteilung des Segelflugzeugs während des Flugs erzielt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann die Batterieeinrichtung zwei Batteriestränge aufweisen, die jeweils in einer Tragfläche angeordnet werden können. Weiterhin können die Batteriestränge parallel geschaltet und derart ausgelegt werden, daß sie voneinander ge­ trennt abschaltbar sind. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß mit einem verbleibenden Batteriestrang bis zum Erreichen einer ausreichenden Sicherheitshöhe weitergeflogen wer­ den kann, falls es aufgrund einer Störung notwendig sein sollte, einen Batteriestrang abzu­ schalten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche die Batterieeinrichtung und den Elektromotor mittels eines Mikropro­ zessors steuert.

Außerdem können vorteilhafterweise ein oder mehrere Detektoren zur Detektion der Span­ nung und der Temperatur des Batteriestrangs und/oder ein Detektor zur Detektion der Temperatur des Elektromotors und/oder ein Detektor zur Detektion einer Fehlfunktion der Steuereinrichtung vorgesehen werden. Mittels der durch diesen Detektor erfaßten Meß­ werte können Fehlfunktionen der Batterieeinrichtung, der Steuereinrichtung und des Motors erkannt werden und gegebenenfalls ein Batteriestrang, beispielsweise über eine Sicherung, abgeschaltet werden. Dadurch kann mit dem verbleibenden Batteriestrang noch bis zu einer ausreichenden Sicherheitshöhe weitergeflogen werden.

Als Fehlfunktion der Batterieeinrichtung sind beispielsweise eine Unterspannung der Batte­ rie bzw. ein Zellenausfall oder eine Übertemperatur der Batterie denkbar. Als Fehlfunktion des Motors und der Steuereinrichtung lassen sich eine Übertemperatur des Motors bzw. eine Übertemperatur oder ein Kurzschluß in der Steuereinrichtung angeben.

Vorteilhafterweise kann die Steuereinrichtung eine Leistungselektronik umfassen, da der anzusteuernde Motor im Niederspannungsbereich arbeitet und demnach durch die Steu­ erung sehr hohe Ströme geschaltet werden müssen. Unter Leistungselektronik wird vorlie­ gend eine Einrichtung zur Umwandlung der von der Batterie zugeführten Energie in eine für den Elektromotor geeignete Form verstanden. Diese Umwandlung umfaßt ein Schalten, ein Steuern und ein Umformen der elektrischen Energie unter Verwendung von Stromrich­ terventilen und schließt die dazugehörige Meß-, Steuer- und Regelungstechnik ein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist eine Batterie für Fluginstrumente vorge­ sehen, die als Notstromversorgung für die Steuereinrichtung betätigbar ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, daß bei völliger Erschöpfung oder Ausfall der Batterieeinrichtung eine Stromversorgung für die Steuereinrichtung zur Verfügung steht, so daß ein unkontrol­ liertes Verhalten der Motorsteuerung aufgrund eines Zusammenbruchs der Mikropro­ zessorsteuerung verhindert werden kann.

Dadurch ist es auch im Falle eines völligen Ausfalls der Batterieeinrichtung möglich, das Hilfstriebwerk in die Stellung zu bringen, die es während des Segelflugbetriebs einnimmt, und somit das Flugzeug kontrolliert im Segelflug zu steuern.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform kann ein Propeller mit einem Wirkungsgrad, der größer oder gleich 75% ist, versehen werden. Ebenso wie ein hoher Wirkungsgrad des Motors lassen sich hierdurch ebenfalls die Flugleistungen, insbesondere die erforderlichen Steigleistungen, verbessern.

Außerdem kann der. Propeller als lärmarmer Propeller vorgesehen werden. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Lärmemission.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Segelflugzeug in Leichtbauweise unter weit­ gehender Verwendung von Kohlefaser und/oder Hochmodul-Kohlefaser ausgebildet. Hier­ durch kann ebenfalls eine Gewichtsersparnis erzielt werden, die sich wiederum in erhöhten Flugleistungen widerspiegelt.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und zusätzliche Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann darüber hinaus aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Segelflugzeugs mit Hilfstriebwerk gemäß einer Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Segelflugzeug mit Hilfstriebwerk gemäß der Ausfüh­ rungsform, und

Fig. 3 eine Blockschaltbild zur Erläuterung einer Steuerung einer Batterieeinrichtung gemäß der Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine Seitenansicht des Segelflugzeugs mit Hilfstriebwerk dargestellt. Das Hilfstriebwerk ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Es umfaßt einen Motor 2 und einen Propeller 3.

In Fig. 1 ist ein Klapptriebwerk gezeigt. Zum Motorflug wird das während des Segelflugs im Rumpf untergebrachte Triebwerk aus demselben herausgeklappt.

Neben der gezeigten sind auch andere Anordnungen des Triebwerks möglich. Beispiels­ weise kann das Triebwerk im Bug- oder Heckbereich des Segelflugzeugs vorgesehen wer­ den.

Als Propeller 3 ist gemäß Fig. 1 ein starrer Propeller, der in Längsrichtung in dem Rumpf aufgenommen werden kann, vorgesehen. Es sind jedoch auch andere Propellerformen einsetzbar. Beispielsweise kann ein Schwenkpropellersystem, in dem beide Propellerblätter im wesentlichen parallel zueinander gestellt werden können, verwendet werden. Dieses System eignet sich insbesondere, wenn im Rumpf nicht genügend Platz zur Verfügung steht, um einen starren Propeller aufzunehmen. Als weitere Propellerform ist der Gelenk­ propeller bekannt, der insbesondere geeignet ist, wenn das Triebwerk im Bugbereich des Segelflugzeugs vorgesehen werden soll.

Weiterhin sind in Fig. 1 Abdeckeinrichtungen 7 gezeigt, die dafür sorgen, daß bei eingefah­ renem Triebwerk ein glattflächiger Rumpf entsteht, um so die Segelflugeigenschaften des Segelflugzeugs nicht zu beeinträchtigen.

Der Propeller 3 ist in Form eines lärmarmen Propellers mit einem Wirkungsgrad, der größer oder gleich 75%, vorzugsweise größer oder gleich 80%, ist, ausgebildet.

Der Elektromotor ist derart ausgebildet, daß er einen Wirkungsgrad, der größer oder gleich 70% ist, aufweist. Vorzugsweise kann ein Asynchron-Drehstrommotor eingesetzt werden. Mit diesem Motor kann ein Wirkungsgrad, der größer oder gleich 90% ist, sowie ein Ge­ wicht, das kleiner oder gleich 30 kg ist, realisiert werden. Die Leistung des Motors beträgt ungefähr 32 kW.

Der Rumpf und die Tragflächen des Segelflugzeugs sind in Leichtbauweise unter weitge­ hender Verwendung von Kohlefaser, auch Hochmodul-Kohlefaser, hergestellt. Dadurch ergibt sich einerseits ein geringes Gewicht des Flugzeugs und andererseits eine ausrei­ chende Stabilität des Flugzeugs.

Durch die hohen Wirkungsgrade des Elektromotors 2 und des Propellers 3, durch das ge­ ringe Gewicht des Motors 2, sowie durch die Leichtbauweise der Tragflächen und des Rumpfs können die Flugleistungen, die den mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren er­ zielten entsprechen, erreicht werden. Mit dem dargestellten Segelflugzeug kann eine min­ dest erforderliche Steiggeschwindigkeit von mehr als 2 m/sec erzielt werden. Die maximale Steiggeschwindigkeit beträgt über 3 m/sec. Damit ist es auch möglich bei schwierigen Wetterbedingungen und/oder bei kurzen Flugplätzen sicher zu starten. Die maximale Steighöhe liegt über 1800 m. Damit ist es einerseits möglich, die erforderliche Startüber­ höhung zu erreichen, um in einigen alpinen Flugplätzen zum Thermikeinstieg zu gelangen. Im Flachland lassen sich mit 1800 m Steighöhe, beispielsweise bei einem Start auf 600 m Höhe eine überbrückbare Distanz von 90 km erreichen. Dadurch ist in vielen Fällen sogar eine Rückkehr zum Heimatflugplatz möglich, wenn beispielsweise eine Wetterverschlechte­ rung eintritt.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf das Segelflugzeug aus Fig. 1 gezeigt. Die schraffierten Flächen bezeichnen die Bereiche, in denen die Batterieeinrichtung 4 vorgesehen werden kann. Mit dem Bezugszeichen 8 sind die Steuerflächen des Segelflugzeugs bezeichnet. Vorzugsweise kann die Batterieeinrichtung 4 allerdings in bezug auf die Flugrichtung im vorderen Tragflächenbereich angeordnet werden. Dadurch kann eine günstigere Gewichts­ verteilung für den Flug erzielt werden.

Die Batterieeinrichtung 4 weist mindestens eine Energiedichte von 40 Wh/kg, vorzugsweise eine Energiedichte von mindestens 49 Wh/kg, auf. Weiterhin besteht die Batterieeinrich­ tung 4 aus zwei Batteriesträngen (10 und 10' in Fig. 3), die parallel zueinander geschaltet sind. Jeder Strang umfaßt 60 Batteriezellen, so daß sich bei Verwendung von Metallhydrid- Zellen eine Systemspannung von ca. 62 V ergibt. Sollte es bei dieser Anordnung aufgrund einer Störung notwendig sein, einen Strang abzuschalten, so kann mit dem verbleibenden Strang bis zum Erreichen einer ausreichenden Sicherheitshöhe weitergeflogen werden.

Die Anzahl und die Art der Batteriezellen sind lediglich beispielhaft zu verstehen; entspre­ chend können auch andere Anordnungen mit vergleichbarer Energiedichte, vergleichbarem Gewicht und vergleichbarer Spannung bzw. bei Verwendung eines anderen Elektromotors eine Batterieeinrichtung mit Kenndaten, die an diesen Motor angepaßt sind, verwendet werden.

Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Steuerung der Batterieeinrichtung dar. Dieses System umfaßt, wie bereits erwähnt, zwei Batteriestränge 10 und 10'. Zur Sicherung der Batteriestränge sind jeweils eine Sicherung 11 und 11' vorgesehen. Diese Sicherungen können bei Erfüllung bestimmter Abschaltkriterien eine Leistungselektronik einer mikropro­ zessorgesteuerten Steuereinheit 12 entsprechend abschalten. Als Abschaltkriterien sind eine Unterspannung der Batterie bzw. ein Zellenausfall, eine Übertemperatur der Batterie­ einrichtung, eine Übertemperatur des Elektromotors, eine Übertemperatur der Elektronik, sowie ein Kurzschluß vorgesehen.

Zur Überprüfung, ob diese Kriterien erfüllt sind oder nicht, sind Batteriedetektoren 14 und 14', ein Detektor zur Aufnahme der Motortemperatur und ein Detektor, der eine Fehlfunk­ tion der Steuereinrichtung erfaßt, vorgesehen.

Die Batteriedetektoren 14 und 14' bestehen jeweils aus sechs Modulen in jedem Flügel, die an je zehn Zellen die Spannung und die Zellentemperatur messen. Die Anzahl der Detek­ toren ist lediglich beispielhaft und kann, falls eine genauere Detektion erwünscht oder eine andere Batterieeinrichtung verwendet wird, entsprechend angepaßt werden. Der Detektor zum Detektieren der Motortemperatur, sowie der Detektor zum Detektieren einer Fehlfunk­ tion der Steuereinheit sind von herkömmlicher Natur.

Die gemessenen Parameter werden schließlich in der Steuereinrichtung 12 ausgewertet. Entsprechend dieser Auswertung werden dann die Sicherungen 11 und 11' abgeschaltet.

Weiterhin sind für jeden Batteriestrang ein Lüfter 15 bzw. 15' vorgesehen.

Die Steuereinrichtung 12 dient unter anderem zur Ein- und Ausfahrsteuerung des Motors. Das Ein- und Ausfahren des Motors wird in herkömmlicher Weise durch einen Spindeltrieb 23, der durch die Steuereinrichtung angesteuert wird, realisiert. Das Eingangssignal für die Ein- und Ausfahrsteuerung erhält die Steuereinrichtung 12 über einen Triebwerksbedien­ handgriff 26.

Neben der Ein- und Ausfahrsteuerung übernimmt die Steuereinrichtung 12 auch die Steue­ rung des Aufladevorgangs der Batteriestränge 10 und 10'. Hierzu wird die Steuereinrich­ tung 12 an ein externes Ladegerät 20 angeschlossen, das seinerseits an die Batterie­ stränge 10 und 10' angeschlossen wird.

Weiterhin führt die Steuereinrichtung 12 eine Datenübertragung zu einem PC zu Diagnose­ zwecken über eine PC-Schnittstelle 25 durch. Darüber hinaus werden von der Steuerein­ richtung 12 auch die Lüfter 15 und 15' für die Batteriestränge 10 und 10' gesteuert.

Die Steuereinrichtung umfaßt, wie bereits erwähnt, eine Leistungselektronik zur Steuerung des Asynchron-Drehstrommotors 2. Diese Leistungselektronik ist erforderlich, da das System im Niederspannungsbereich arbeitet und demnach hohe Ströme geschaltet werden müssen. Hierzu können SIPMOS-Leistungstransistoren oder Relais verwendet werden. Die Steuereinrichtung kann vorzugsweise auf die dem Fachmann bekannte Art und Weise ge­ gen elektromagnetische Störeinflüsse abgeschirmt werden.

Der Asynchron-Drehstrommotor umfaßt einen Resolver 24. Dieser Resolver 24 erfaßt die Stellung des Rotors und dient außerdem der Leistungselektronik zur phasenrichtigen An­ steuerung der einzelnen Wicklungen, sowie zum Positionieren des Propellers vor dem Einfahren des Triebwerks.

Zur Abfuhr der in der Leistungselektronik entstehenden Wärme können dem Fachmann bekannte Einrichtungen, beispielsweise Ventilatoren, Kühlrippen und dergleichen, verwen­ det werden.

An die Steuereinrichtung 12 ist ein Display 27 angeschlossen. Über dieses Display 27 kön­ nen die Betriebsparameter des Systems dargestellt werden.

Neben den Batteriesträngen 10 und 10' ist eine herkömmliche Batterie 21 für die Flugin­ strumente 22 vorgesehen. Hierzu kann eine herkömmliche 12 V Batterie im Leitwerk ange­ ordnet werden.

In der dargestellten Anordnung dient diese Batterie 21 zusätzlich als Notstromversorgung der Steuereinrichtung 12 mit automatischer Umschaltung bei völliger Erschöpfung oder Ausfall der Batteriestränge 10 und 10'. Hierdurch kann ein unkontrolliertes Verhalten der Motorsteuerung, die aus dem Zusammenbruch der Mikroprozessorsteuerung resultieren könnte, verhindert werden.

Claims (17)

1. Segelflugzeug mit einem Hilfstriebwerk (1), das einen Elektromotor (2), eine Batterieein­ richtung (4) zur Energieversorgung des Elektromotors und einen durch den Elektromotor (2) antreibbaren Propeller (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterieeinrichtung (4) als nicht tragendes Teil in den Tragflächen angeordnet ist.

2. Segelflugzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Asynchron-Drehstrommotor ist.

3. Segelflugzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterieeinrichtung (4) in bezug auf die Flugrichtung im vorderen Tragflächenbereich vor­ gesehen ist.

4. Segelflugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterieeinrichtung (4) zwei Batteriestränge (10, 10') aufweist.

5. Segelflugzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Batteriestrang (10, 10') mehrere Module umfaßt, die jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen.

6. Segelflugzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle eine Metall­ hydrid-Zelle umfaßt.

7. Segelflugzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriestränge (10, 10') parallel geschaltet und voneinander getrennt abschaltbar sind.

8. Segelflugzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß je­ weils eine Sicherung (11, 11') zum Abschalten des entsprechenden Batteriestrangs (10, 10') vorgesehen ist.

9. Segelflugzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Batteriestrang (10, 10') jeweils ein oder mehrere Detektoren (12, 12') zur Detektion der Spannung und der Temperatur des Batteriestrangs oder der Module des Batteriestrangs vorgesehen sind.

10. Segelflugzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor zur De­ tektion der Temperatur des Elektromotors (2) vorgesehen ist.

11. Segelflugzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Steuereinrichtung (12) vorgesehen ist, die die Batterieeinrichtung (4) und den Elektromotor (2) mittels eines Mikroprozessors steuert.

12. Segelflugzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrich­ tung (12) eine Leistungselektronik umfaßt.

13. Segelflugzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor zur Detektion einer Fehlfunktion der Steuereinrichtung (12) vorgesehen ist.

14. Segelflugzeug nach Anspruch 11 oder 12 in Verbindung mit Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12) so ausgelegt ist, daß die Sicherungen (11, 11') bei Überschreitung einer vorbestimmten Temperatur oder bei Unterschreitung einer vorbestimmten Spannung des Batteriestrangs oder der Module des Batteriestrangs betä­ tigbar sind.

15. Segelflugzeug nach Anspruch 11 oder 12 in Verbindung mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12) so ausgelegt ist, daß die Sicherungen (11, 11') bei Überschreitung einer vorbestimmten Temperatur des Elektromotors (2) betätigbar sind.

16. Segelflugzeug nach Anspruch 11 oder 12 in Verbindung mit Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12) so ausgelegt ist, daß die Sicherungen (11, 11') bei Detektion einer Fehlfunktion der Steuereinrichtung (12) betätigbar sind.

17. Segelflugzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Batterie (13) für Fluginstrumente vorgesehen ist, die als Notstromversorgung für die Steuereinrichtung (12) betätigbar ist.