DE19715827A1 - VTOL-Fluggerät - Google Patents

Description

Der von MAGNUS schon 1850 entdeckte Effekt bezieht sich auf einen rotierenden Zylinder in einer strömenden Flüssigkeit. Dabei verdichten sich die Stromlinien auf der Oberfläche des Zylinders in der Drehrichtung und es kommt zu einer quer zur Strömung gerichteten Kraft. Dies wird in Zeichnung 1 (Abb. I) dargestellt.

Der Magnuseffekt ist zu Beginn des 20. Jahrhunderts von FLETTNER als Ersatz für das Schiffssegel benutzt worden. Es gab Schiffe mit senkrecht rotierenden Flettner-Zylindern, die als Segel ar­ beiteten. Es gab auch Flugzeuge, bei denen horizontal drehende FLETTNER-Zylinder dem Auftrieb dienten. Dem Vortrieb des Flettner­ flugzeugs diente schließlich ein sich vorn am Rumpf befindlicher Propeller, um hinreichend Anströmung zu erreichen. Beide Nutz­ ungen sind ebenfalls in der Zeichnung 1 (Abb. II und III) sche­ matisch abgebildet.

Soweit ist der Einsatz von Flettnerzylindern in der See-und Luftfahrt grundsätzlich nicht neu. Neu dagegen ist die Nutzung des MAGNUS-Effekts mit FLETTNER-Zylindern im Verbund mit einem Rotorsystem für ein senkrecht startend- und landendes Fluggerät (VTOL-Hubschrauber).

Das hier grundlegende Prinzip des erfindungsgemäßen Fluggeräts liegt in der Anordnung von sich selbständig drehenden Flettner­ zylindern an einem gemeinsamen Rotorkreuz, das sich wie beim einem klassischen Hubschrauber in horizontaler Ebene dreht.

Im Einzelnen wird die grundsätzliche Ausführungsform in der Zeichnung 2 dargestellt. Die Eigenbewegung der Flettnerzylinder steht dabei immer so gegen die Rotordrehung, daß sich auf der Unterseite der Flettnerzylinder nach dem Magnus-Effekt ein Über­ druck und auf der Oberseite der Zylinder ein Unterdruck ausbildet. Beide Effekte zusammen addieren sich zum Auftrieb des Fluggeräts.

Die Auftriebskraft steht bei richtiger Koordination der Dreh­ bewegung der Flettnerzylinder zur Drehung des Hauptrotors senk­ recht zur horizontalen Drehfläche nach oben (aus der Zeichnungs­ ebene heraus). Wird die vertikale Achse des Hauptrotors eines solcherart konstruierten Fluggerätes um 5-20% geneigt, so läßt sich das Gerät in jede beliebige Flugrichtung bringen.

Zweckmäßigerweise wird die Oberfläche der Flettnerzylinder mit einem rauhen Belag versehen, damit der Magnus-Effekt be­ sonders intensiv wird. Auch Nuten oder Kämme auf der Ober­ fläche haben eine verbessernde Wirkung.

Das Fluggerät kann auch in Form eines Systems mit Spitzenantrieb über die Flettnerzylinder gebaut werden. Eine solche Konstruktion ist jedoch technisch komplizierter und hier nicht weiter ausge­ führt.

Der Hauptantrieb für den Zentralrotor findet mit einem diesel­ elektrischen Maschine oder Turbine statt. Der Generator ist da­ bei auf einer senkrecht stehnden Achse angekoppelt. Der Generator liefert den Strom für die elektrischen Antriebe der Flettner­ zylinder und einen kleineren Heckrotor mit klassischen Flügeln.

Bei Ausfall des Hauptrotormotors wird Autoratation möglich, wenn das Rotorkreuz so zum Stillstand gebracht wird, daß zwei Flettner­ zylinder quer zur Flugzuglängsachse festgehalten werden und der elektrische Antrieb der Zylinder so geschaltet wird, daß jetzt beide Zylinder gleichsinnig drehen und als starre Flügel wirken. Die elektrische Energie kommt für diesen Notfall aus einer Hilfs­ batterie.

Im Gegensatz zum Flugzeug mit Flettner-Zylindern (Ersatzflügel) wo sich die starren, über eine Achse laufenden Zylinder immer gleichsinnig drehen, drehen sich die Zylinder bei dem erfind­ ungsgemäßen VTOL-Fluggerät im Normalbetriebsfall jeweils gegen die Richtung der Rotordrehbewegung, das heißt in der Aufsicht gegensinnig, aber jeweils mit der "Anströmung". In Bezug auf die Gesamtrotation drehen sich die Flettner-Zylinder dann für den Magnus Effekt entsprechend immer richtig, um den Auftrieb des VTOL-Fluggeräts zu gewährleisten.

Die Anströmung der Flettner-Zylinder geschieht nicht durch den in Flugrichtung auftretenden Gegenwind oder einen Frontflügel, sond­ ern durch die schnelle Drehung des Rotorkreuzes. Der Magnus-Effekt bleibt kohärent, womit sichergestellt ist, daß die Drehung der Flettnerzylinder in der Aufsicht jeweils mit der Rotorkreuzdreh­ ung oben gleichsinnig und unten gegensinnig läuft.

Das bedeutet bei einem Hubschrauber mit zwei Flettnerzylindern, daß die beiden Zylinder selbst eine unabhängige Eigendrehung haben müssen. Die Drehung der Flettnerzylinder wird durch die Elektromotoren erreicht. So kann auch der Gleichlauf der Dreh­ richtung der Flettnerzylindern bei Stillstand quer zur Flug­ richtung für die Notsituation des Gleitfluges einfach durch elek­ trische Umschaltung erreicht werden. Der Generator des Haupt­ rotors liefert die Energie für die Eigenbewegung der Flettner­ zylinder. Zur Übertragung der elektrischen Energie auf die An­ triebsmotoren der Flettnerzylinder sind entsprechende Schleif­ kontakte vorgesehen.

An den äußeren Enden der Flettner-Zylinder sind jeweils Scheiben oder Scheibenringe angebracht. Damit wird verhindert, daß die Luftströmung bei der Drehbewegung des Hauptrotors durch Zentri­ fugalkräfte nach außen abströmt und damit den Auftrieb verring­ ert. Diese Scheiben haben einen größeren Durchmesser als die Flettnerzylinder selbst.

Zeichnung 2 zeigt eine schematische Gesamtaufsicht des erfindungs­ gemäßen VTOL-Fluggeräts mit zwei Flettner-Zylindern (A) und (A'), 2 Elektromotoren für den Zylinderantrieb (B) und (B'), den Haupt­ rotorantrieb C), die Kanzel (D), die Standkufen (E) und den klein­ en Flügelrotor am Heck zur Stabilisierung des Fluggeräts (F).

Der technische Fortschritt des VTOL-Fluggeräts liegt in folgen­ den Fakten:

• a) Die für den klassischen Hubschrauber bei Rotation der Flügel notwendige ständige Veränderung des Anstellwinkels der Rotor­ blätter und die damit komplizierte und störungsanfällige Steu­ erung wird überflüssig.
• b) Die durch den Magnus-Effekt eintretende Auftriebskraft läßt sich durch Regelung der Rotation und Drehung der Flettner­ zylinder für Steig-und Sinkflug elektrisch ideal regeln.
• c) Das Fluggerät ist in seinem Flugverhalten nicht mehr so empfindlich abhängig von seitlichen Böen und Auf-oder Ab­ winden.
• d) Bei Fixierung der Rotordrehung in Querstellung zum Rumpf wirken die synchronisierten Flettnerzylinder wie Flügel so, daß das Fluggerät beispielsweise im nahezu lautlosen Gleit- oder Sinkflug gehalten werden kann.
• e) Die Mitführung einer Notstrombatterie macht das Fluggerät zwar etwas schwerer, garantiert aber selbst bei Totalausfall des Hauptmotors noch die Drehung der Flettnerzylinder und damit eine sichere Notlandung.
• f) Die Gesamtkosten für den Bau des Fluggeräts liegen voraus­ sichtlich unter denen eines konventionellen Hubschraubers.
• g) Das Fluggerät ist bei richtig geführter Dämpfung des Haupt­ antriebsmotors leiser als ein konventioneller Hubschrauber.
• h) Bei einer erfindungsgemäßen Konstruktion mit einem Spitzen­ antrieb kann die Stabilität und die Auftriebskraft des erfindungsgemäßen VTOL-Fluggerätes gesteigert werden.

Claims (11)

1. VTOL-Fluggerät, dadurch gekennzeichnet, daß für den Auftrieb ein horizontal drehendes System mit Flettner-Rohrzylindern benutzt wird.

2. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Hauptantrieb eine dieselelektrisch arbeitenden Maschine eingesetzt wird.

3. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eigenantrieb der Flettner-Zylinder durch Elektromotore er­ folgt.

4. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Achse des horizontalen Hauptdrehsystems um 5-20° nach vorn, hinten oder seitwärts geneigt werden kann.

5. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigendrehung der Flettner-Rohre, oben mit der Drehrichtung und unten gegen die Drehrichtung des horizontal laufenden Haupt­ rotors, das heißt insgesamt gleichsinnig arbeiten, um den Magnuseffekt im erfindungsgemäßen Sinn für jede Rotorstellung ausnutzen zu können.

6. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei fixiertem Rotorkreuz die Drehbewegung der Flettner-Rohre im Notfall so geschaltet wird, daß sie aerodynamisch wie Flügel wirken.

7. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Totalausfall der Hauptantriebsquelle die Drehbewegung der Rotorachse durch einen druckgas-gestützten Spitzenantrieb er­ folgt und auch die Eigendrehung der Flettnerzylinder für diesen Notfall gesichert ist.

8. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedenfalls zur Aufrechterhaltung der Eigendrehung der Flettner­ zylinder eine starke Notstrombatterie an Bord ist.

9. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flettnerzylinder auf ihrer Außenfläche eine rauhe Beschicht­ ung, Nuten oder Kämme in Längs- oder Querrichtung zur Drehbewegung der Flettnerzylinder haben.

10. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Außenenden der Flettnerzylinder Scheiben oder Scheiben­ ringe angebracht sind, deren Durchmesser größer ist, als der der Flettnerrohre.

11. VTOL-Fluggerät nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der Längsachse des Fluggerätes am Heck ein ebenfalls elektrisch angetriebener, kleiner Flügelrotor ange­ bracht ist.