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Die
Erfindung betrifft ein Fluggerät,
welches mittels zweier gegenläufiger
Rotorsysteme sowohl senkrechte als auch waagerechte Flugbewegungen durchführen kann.
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Senkrecht
startende Flugzeuge und insbesondere Hubschrauber sind beispielsweise
aus US-A-4 796 836 oder aus US-A-3 409 249 bekannt. Hierbei handelt
es sich einerseits um ein VTOL-Flugzeug, welches mit einem Hubtriebwerk
mit verstellbaren Rotorblättern
ausgestattet ist, andererseits um das von Sikorsky-Hubschraubern
bekannte System der gegenläufigen
Rotoren mit variabler Blattverstellung zur Steuerung des Hubschraubers
um die vertikale Achse. Des weiteren finden sich Ausführungen im
Hinblick auf die Vorteile senkrecht startender Fluggeräte in zahlreichen
Veröffentlichungen.
Hierbei sei der Artikel von Rudolf Weißhart „Fliegen ohne Flugplatz: Senkrechtstart" in der deutschen
Zeitschrift „Soldat
und Technik", Ausgabe
12/1964, S. 688 bis 692, angeführt.
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Zum
allgemeinen Stand der Technik sei auch auf weitere Dokumente, wie
DE 26 28 274 A1 ,
2 234 524 A1 ,
US 4 709 882, 4 955 560 ,
DE 94 19 688 U1 ,
DE 24 14 704 A1 ,
DE 44 39 791 A1 ,
DE 197 45 492 B4 ,
DE 197 52 758 C2 ,
DE 691 07 677 T2 ,
EP 004 06 36 ,
DE 10 2004 001 002 A1 sowie
DE 44 39 073 C1 verwiesen.
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Einerseits
existieren somit Fluggeräte
in Form von Flugzeugen, welche durch schwenkbare oder durch mehrere
unabhängige
Antriebssysteme einen Senkrechtstart und einen Horizontalflug ermöglichen.
Andererseits existieren Fluggeräte
in Form von Hubschraubern, bei denen die Manövrierfähigkeit in senkrechter Richtung
im Vordergrund steht, der Horizontalflug jedoch nur mit relativ
geringer Geschwindigkeit und unter Verwendung komplexer Rotorverstellung
bzw. durch Einsatz von weiteren Antriebstechniken möglich ist.
In der Summe lassen sich beim momentanen Stand der Technik folglich
nur Fluggeräte
finden, welche speziell für
den Senkrechtsstart bzw. für
den Horizontalflug geeignet sind, oder einen durch aufwendige Technik
initialisierten Kompromiss zwischen beiden Flugbewegungen darstellen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zum
Stand der Technik in Form eines Fluggerätes zu bieten, welches mit
einem unkomplexen Antriebssystem beide Flugbewegungen, den Vertikal-
und den Horizontalflug, mit hoher Geschwindigkeit und exzellenter
Manövrierfähigkeit ermöglicht.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe liegt in einem senkrecht startenden Fluggerät, welches
mit zwei gegenläufigen,
an einer Kipp- und Antriebswelle (9) befestigten Rotorsystemen
ausgestattet ist.
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Die
Rotorsysteme bestehen aus starr an einen Zahnkranz montierte Rotorblätter (3, 4, 6, 7),
wobei die Rotorblätter
infolge ihrer Formgestaltung den Auftrieb des Fluggerätes bewirken.
Die beiden Zahnkränze
(3, 6) der Rotorsysteme werden über zwei Zahnräder angetrieben,
welche über
Wellen mit jeweils einer an einem inneren (2) und einem mittleren Stützkranz
(5) gelagerten Riemenscheibe verbunden sind. An beiden
Enden der Antriebswelle sind Kegelräder montiert (13),
welche mittels zweier Antriebsriemen die Riemenscheiben und somit
die Zahnkränze bzw.
die Rotorsysteme antreiben. Die Übersetzungsverhältnisse
der beiden Zahnrad-Zahnkranz-Verbindungen sind dabei so gewählt, dass
sich die Drehbewegungen des inneren und des äußeren Rotorsystems ausgleichen
und somit eine unbeabsichtigte Kreiselbewegung des Fluggerätes um seine
vertikale Achse verhindert wird. Die Antriebswelle ist am inneren
und am mittleren Stützkranz
gelagert (14) und wird durch einen Motor (12) angetrieben,
welcher auf der im Zentrum des Fluggerätes positionierten Antriebsplattform
montiert ist. Die Art des verwendeten Motors (Elektro- oder Verbrennungsmotor)
ist dabei frei wählbar.
Dadurch, dass die Antriebswelle in beide Horizontalrichtungen des
Fluggerätes
ausgelegt ist, können
die beiden Rotorsystem gegenläufig über dieselbe
Welle betrieben werden, was wiederum die unkomplexe und gewichtssparende
Bauweise des Fluggerätes
bedingt.
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Die
Kraftübertragung
von Motor auf Antriebswelle erfolgt dergestalt, dass durch Variation
der Motordrehzahl die Umdrehungsgeschwindigkeit der Antriebswelle
und somit der Rotorsysteme verändert werden
kann. Darüber
hinaus ist die Antriebswelle axial in beide Richtungen verschiebbar.
Durch die damit verbundene Verschiebung der an den beiden Enden
der Antriebswelle montierten Kegelräder ändert sich der wirkende Radius
auf die Antriebsriemen, was zu Folge hat, dass bei gleichbleibender
Wellenumdrehung die Geschwindigkeiten der Zahnkränze und somit der Rotorsysteme
in umgekehrter Abhängigkeit
zueinander variiert werden kann. Durch gezielten Einsatz unterschiedlicher
Rotationsgeschwindigkeiten von innerem und äußerem Rotorsystem lässt sich
das Fluggerät
gezielt in eine Kreiselbewegung nach rechts und links versetzen,
und somit um seine vertikale Achse drehen. Die Veränderung
der Flughöhe
erfolgt dagegen durch Variation der Umdrehungsgeschwindigkeit der
beiden Rotorsysteme.
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Für die Einleitung
einer horizontalen Flugbewegung wird das Rotorsystem gegenüber der
Cockpit- und Antriebsplattform (1) verkippt. Diese Verkippung
wird durch ein am inneren Stützkranz
positioniertes, zuschaltbares Untersetzungsgetriebe ermöglicht.
Als Antriebseinheit des Getriebes dient wiederum die Antriebswelle,
auf welcher zu diesem Zweck an entsprechender Position ein Zahnrad
montiert ist. Infolge der beidseitigen Kippbarkeit des Rotorsystems
kann das Fluggerät
gleichermaßen
in zwei horizontale Flugrichtungen (Vor- und Rückwärtsrichtung) bewegt werden.
Darüber
hinaus kann die horizontale Fluggeschwindigkeit in Abhängigkeit von
Kippwinkel und Rotorendrehzahl stufenlos variiert werden. Hierbei
sind bei großen
Kippwinkel und hoher Rotorendrehzahl auch hohe horizontale Fluggeschwindigkeiten
möglich.
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Zur
Stabilisierung des äußeren Rotorsystems
und damit des gesamten Fluggerätes
sind dessen Rotorblätter
an ihren Enden mit einem äußeren, mitrotierenden
Stützkranz
(8) verbunden.
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Die
Steuerung des Fluggerätes
erfolgt von der über
der Antriebsplattform (11) befindlichen Cockpitplattform
(10). Innerhalb dieses Plattformsystems können weitere
Bereiche für
den Passagier- und Gütertransport
ausgewiesen werden.
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Hierbei
zeigen sich für
das Fluggerät
weitere Vorteile. Durch seinen unkomplexen Aufbau ist es problemlos
möglich,
größenmäßig sehr
unterschiedliche Typen, z.B. Kleinfluggeräte für den privaten Gebrauch bis
hin zum reinen Großraumfluggerät für den Gütertransport,
zu fertigen. Auch für
einen Einsatz als Drohne ist das Fluggerät bestens geeignet.
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In
der Folge ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Form von
Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
hierbei eine Draufsicht auf das Fluggerät, 2 zeigt eine
dreidimensionale Ansicht mit gekippten Rotorsystemen, 3 zeigt
eine Seitenansicht mit Cockpit und Antriebssystem.
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Das
in 1 dokumentierte Fluggerät basiert auf der Idee zweier
gegenläufiger
Rotorsysteme. Der tragflügelförmige Querschnitt
der Rotorblätter
bewirkt bei Drehung der Rotorsysteme, dass die umgebende Luft auf
der Unterseite der Rotorblätter schneller
vorbeiströmt
als auf der Oberseite, wodurch sich auf der Oberseite ein Unterdruck
bzw. Sog bildet, welcher das Fluggerät in eine Aufwärtsbewegung
(vergleichbar einem Hubschrauber) versetzt.
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Jeweils
vier Rotorblätter
(4, 7) sind an einem inneren und einem äußeren Antriebskranz
(3, 6) befestigt. Die Antriebskränze werden über eine
gemeinsame Antriebswelle (9) angetrieben. Durch die vom Zentrum
des Fluggerätes
nach beiden Seiten ausgelegte Antriebswelle wird ermöglicht,
mit demselben Antrieb beide Antriebskränze in eine gegenläufige Drehbewegung
zu versetzen. Hierzu sind zwischen Antriebswelle und Rotorsystemen
zwei Zahnrad-Antriebsriemensysteme (13) als Kraftübertragungselemente
vorgesehen. Die Kraftübertragungselemente sind
dergestalt übersetzt,
dass die beiden Rotorsysteme im ungelenkten Fall (d.h. im Geradeausflug
und bei geradem Senkrechtflug) mit synchronen Geschwindigkeiten
gegenläufig
rotieren. Hierdurch wird das Fluggerät gegenüber einer Kreisbewegung um seine
Vertikalachse stabilisiert.
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Die
statische und dynamische Stabilität der beiden Antriebskränze werden über einen
inneren (2), einen mittleren (5) und einen äußeren Stützkranz (8)
gewährleistet.
Hierbei sind der innere und der mittlere Stützkranz als Rotationslager, ähnlich dem Nadel-
oder Gleitlagerprinzip, ausgelegt, an welchen die beiden Antriebskränze befestigt
sind. Der äußere Stützkranz
dient der Stabilität
des äußeren Rotorsystems
und ist fest mit den Rotorblättern
verbunden.
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2 erklärt in Form
einer dreidimensionalen Darstellung das Steuerungsprinzip für den Horizontalflug.
Neben der bereits beschriebenen Stützfunktion hat der innere Stützkranz
(2) die Aufgabe, die Rotorsysteme gegenüber der Cockpit- und Antriebsplattform
(1) für
den Horizontalfluges zu verkippen. Hierzu ist an der Abtriebswelle
ein Zahnrad montiert, welches vom Piloten bei Bedarf zugeschaltet
werden kann. Das Zahnrad überträgt nach
Zuschaltung die Umdrehung der Antriebswelle auf ein am inneren Stützring befestigtes
Untersetzungsgetriebe und bewirkt somit ein langsames Verkippen
der Rotorsysteme.
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Durch
das Verkippen der Rotorsysteme wird in der Folge der kontrollierte
Horizontalflug eingeleitet. Darüber
hinaus ist durch ein Verkippen der Rotorsysteme in beiden Richtungen
auch ein vorwärts
und ein rückwärts gerichteter
Horizontalflug möglich. Flughöhe und Fluggeschwindigkeit
können
durch Variation der Motordrehzahl und somit durch Variation der
Umdrehungsgeschwindigkeit der Rotorsysteme bestimmt werden.
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3 verdeutlicht
die Krafterzeugung und Kraftübertragung
des Fluggerätes.
Die Erzeugung der Antriebskraft erfolgt durch einen in der Antriebsplattform
(11) eingebauten Motor (12). Hierbei ist die Auswahl
der Motorenart (Verbrennungs- oder Elektromotor) frei wählbar. Die
Antriebskraft wird über
die Kipp- und Antriebswelle (9) auf die Rotorsysteme (3, 4, 6, 7) übertragen.
An den beiden Enden der Kipp- und Antriebswelle ist jeweils ein
Kegelrad (13) montiert, welches über einen Keilriemen die Antriebskraft auf
ein am inneren (2) bzw. am mittleren Stützkranz (5) befestigtes
Riemenrad überträgt. Die
beiden Riemenräder
wiederum sind über
Wellen mit zwei Zahnrädern
verbunden, welche den inneren (3) und den äußeren Antriebskranz
(6) antreiben.
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Durch
die vom Piloten initiierbare axiale Verschiebung (in beiden Richtungen
möglich)
der am inneren und am äußeren Stützkranz
gelagerten (14) Antriebswelle ändern sich die wirkenden Radien
der Kegelräder
auf die Keilriemen, d.h. die Übersetzungsverhältnisse
zwischen den Kegelrädern
an der Antriebswelle und den Riemenrädern an den Stützkränzen werden
verändert.
In deren Folge werden die Umdrehungsgeschwindigkeiten des inneren
und des äußeren Rotorsystems
gegeneinander verschoben. Es kommt zu einer von der Verschiebungsrichtung
der Antriebswelle abhängigen
Kreiselbewegung des Fluggerätes
nach rechts oder nach links. Das Fluggerät ist somit um seine vertikale
Achse steuerbar. Über
der Antriebsplattform befindet sich das Cockpit (10) des
Fluggerätes.
Beide sind durch kuppelförmige
Abdeckungen geschützt.
Neben der Aufnahme von Motor und von Führerstand für den Piloten findet sich hier
weiterer Raum für
den Transport von Passagieren und Gepäck bzw. Gütern.