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Ausgangspunkt dieser Erfindung ist die Hybridversion des von mir früher vorgeschlagenen und gemeinsam mit einem Partner als Gebrauchsmuster angemeldete Entwurf eines bemannten Quadrocopters, der unter Gebrauchsmusternummer 20 2013 008 284.4 eingetragen und darin genau beschrieben ist. Ziel dieses Vorschlages war es, einen einfachen und leicht zu fliegenden UL-Hubschrauber mit annähernd auch für Starrflüglerpiloten gewohntem Steuerverhalten auf mechanischer Basis zu schaffen und der auch notlandetauglich ist. Der jetzige Erfindungsvorschlag betrifft dagegen eine funktionell völlige Neukonzeption eines bemannten UL-Multicopters geringer Rotorzahlanordnung, der ähnlich gute Fluglagestabilitäten und gutes Steuerverhalten aufweist, wie die unbemannten Quadrocopter.
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Die bisher aus Sicherheitsgründen nur als unbemannte Kleinflugzeuge gefertigten und zum Einsatz gekommenen Quadrogeräte waren alle ohne mechanische Steuertechnik. Sie verfügten über räumlich verteilte Elektroantriebe, die elektronisch und über Funk beeinflussbar waren und damit auch zur Steuerung genutzt werden konnten. Es handelte sich dabei um das Prinzip der fliegenden Plattform. Im ungezwungen durchführbaren Praxisbetrieb über Funk bis an die Betriebsgrenzen erkannte man, dass das Quadroprinzip in Verbindung mit den Elektroantrieben ein geradezu hervorragendes Fluglagestabilitäts- und Manövrierfähigkeitspotential hat. Zu dessen Nutzung wurde eine aufwändige und ständig aktualisierte Steuerelektronik mit Lage- und Beschleunigungssensorik entwickelt, die eine nach Bedarf präzis dosierte Einzel-, Misch- oder Gesamtansteuerung der vier Rotorantriebsmotoren gewährleistet, um genau abgestimmte Steuerbewegungen um die Quer-, Längs- und Hochachse ausführen zu können. Darüber hinaus erfasst und kompensiert diese Störeinflüsse, z. B. durch Wind, und hält das Fluggerät trotzdem Standort stabil. Diese Fluggeräteeigenschaften sind so günstig, dass man in jüngster Zeit in der Logistikbranche nachdachte, kleine Quadrocopter zur Paketzustellung über bewohntem Gebiet einzusetzen. Es gab diesbezüglich auch schon Praxisversuche.
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Diese anspruchsvolle und hoch präzis wirkende Technik dieser kleinen Drohnen ist allerdings auf ein bemanntes Multicoptersystem geringer Rotorenanzahl nicht einfach übertragbar, denn bei Ausfall eines der Triebwerke oder der Steuerelektronik bedeutet dies den Totalverlust eines solchen Fluggerätes. Dabei wäre es zur Lösung vieler Spezialaufgaben, wie z. B. zur Überprüfung von Hochspannungsfreileitungen oder Außenanlagen von Kernkraft- oder anderen Werksanlagen, ein hoch willkommendes Hilfsmittel, hätte man dazu solch einen Mann tragenden kleinen Multicopter mit dem genannten Potential der unbemannten Drohnen.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit Hilfe zweier erdachter Zusatzeinrichtungen für bemannte Geräte zur Gewährleistung eines Flugslagestabilisierungsmanagements der kombiniert wirkenden ”Rotorebenen- und Einstellwinkeltrimmvorrichtungen” eines Zentralrotors (1), welche im Verbund mit der Nutzung der genannten Ansteuertechnologie der äußeren vier Rotorantriebe bedient wird, nach Ansprüchen 1 bzw. 2 gelöst. Es erfordert dazu jedoch ein UL-Drehflüglerkonzept, welches durch eine gezielte Zusammenlegung dreier unterschiedlicher Flugprinzipien, nämlich das der ”Fliegenden Plattform”, das des kleinen einrotorigen Hub- und des Gyrogleiters, entstand. Der dazu erforderliche Grundaufbau eines solchen vorgeschlagenen Gerätes entspricht dem eines klassischen Quadrocopters in X-Anordnung, allerdings in entsprechender Größenausführung. Dieser wird durch den stabilen Flugrahmenunterbau mit zusätzlichem Quer- als Achsrohr für die Fronträder (3) sowie zur Festigkeitssteierung und einem Kielrohr, dessen Ausleger nach hinten als Träger für ein Seitenleitwerk (2) dient und überdies ein Spornrad (3a) lenkbar befestigt ist, gebildet. An den X-Ausläufern sind die vier Brushless-E-Motoren mit ihren Propeller angebracht. Aus Sicherheitsgründen, als Berührungsschutz und zur Effizienzsteigerung sind diese Propeller möglichst ringförmig ummantelt (ist in Figur nicht mit eingezeichnet). Der Pilotensitz (6) befindet sich im Schnittpunkt des stabilen X-förmigen Trägergestelles und ist mit diesem verschraubt. Die Rückseite der Sitzkonstruktion ist mit einem dort aufrecht montierten und am Kielrohr befestigten Mast (5) verbunden. Dieser Mast dient als Trägersystem für einen fünften, dem Zentralrotor (1) mit größerem Durchmesser, der wie bei einigen einrotorigen Ul-Helicoptern aus Einfachheitsgründen an dessen oberen Ende über eine mechanisch bedienbare Kopf-Kipp-Steuerung (7) angelenkt ist. Dessen Antrieb erfolgt rein mechanisch in bekannter Weise durch einen bzw. zwei Verbrennungsmotor(en) (8), welcher hier hinter dem Sitz am Mast und dem Grundgestell befestigt ist. Der Kraftfluss zu dem Zentralrotor verläuft dabei über eine senkrecht montierte Gelenkwelle (9) und einem Rotorendabtrieb mit integriertem Freilauf (10). Dieses hinter dem Sitz angeordnete Zentral- oder Tandemtriebwerk treibt zudem ein oder zwei Generatoren (8a) an, die die Brushless-Motoren (4) mit Elektroenergie versorgen. Aus Gründen der Rationalität und zur Gewichtseinsparung wurde auf eine Auslegung auch für reinen Batterieflug verzichtet. Nur ein kleiner Batteriesatz mit Hauptschalter (11) sorgt dabei zur störspitzenfreien Versorgungsspannung für die Ansteuerelektronik der Elektroantriebe. Um das Rückdrehmoment des größeren Zentralrotors (1) zu kompensieren, drehen diese Quadroantriebe (4) alle dessen Drehrichtung entgegen. Zusätzlich sind diese mit etwa 5 Grad Rotorebenenneigung in Drehrichtung des Zentralrotors am Grundgestell anmontiert. Zur Verbesserung der Steuerwirksamkeit um die Längs- und Querachse durch die angewandte Propellerdifferenzzugsteuerung sind diese Antriebe auch leicht nach außen neigend befestigt.
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Die Blatteinstellwinkel des über Kopf befindlichen Zentralrotors sind im Gegensatz zu denen auf der X-Grundplatte an den Quadroantriebsmotoren angebrachten kleinen Rotoren (Luftschrauben) mit Festeinstellwinkel verstellbar. Dies erfolgt, wie bei Helicoptern allgemein üblich, über den Blattverstellhebel (12) vom Pilotensitz aus, der dazu über eine entsprechend gestaltete mechanisch wirkende Gestängefernbedienung (13), die im Endbereich rotationsentkoppelt durch die Zentralrotorachse bis an die Rotorblätterverstellanschlüsse führt. Diese sogenannte Kollektivverstellung erhält nach Anspruch 1 der Erfindung folgende Zusatzeinrichtung.
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Als Anschlussstück zwischen Blattverstellhebel und Steuergestänge ist ein kleiner Brushless-Getriebemotor (14) mit einer Gewindespindel als Wellenabgang angelenkt. Auf dieser Spindel ist als Gegenstück eine Gewindehülse (15) zu etwa 50% ihrer Länge aufgeschraubt und ist als Bestandteil des verdrehungsgesicherten Steuergestänges und deshalb mit diesem fest verbunden.
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Die rein mechanische Bedienbarkeit der Blattverstellung über den Blatthebel bleibt dabei erhalten, der integrierte Motor (14) ersetzt hier nur die erforderliche Originallänge des verkürzt gehaltenen Steuergestänges. Dieses Helikonzept vereint, wie bereits erwähnt, drei Drehflüglerprinzipien, die situationsbedingt und vorwiegend gestaffelt bzw. sich gegenseitig ergänzend genutzt werden, wobei der Quadromodus als Hauptbetriebsart vorgesehen ist. Zur steuertechnischen Optimierung und zur konstruktiven Vereinfachung wurde das Gerät als funktionelle Einheit entworfen. Dazu gehört auch der elektrisch betriebene Stellmotor (14). Dieser ist mit der Steuerelektronik des integrierten Quadrocopters verbunden und dient nicht zur Auftriebsregulierung, denn diese wird durch dementsprechende und gleichzeitige Leistungsreduzierung oder -steigerung der Quadroantriebe konstant gehalten, sondern zur Erzeugung eines genau dosierten Giermomentes zur Steuerung um die Hochachse und diese wird über zwei Eingabevorrichtungen (Potentiometer), die in der Seitenruderpedalanordnung (17) integriert sind, bedient. Die erforderlichen Blattwinkelveränderungen dazu sind äußerst gering (ca. 1,5 Grad Plus/Minus) und der Spindeltrieb ist zur Sicherheit dementsprechend durch Anschläge begrenzt ausgelegt.
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Neben dieser Zusatztechnik zur Gewährung einer Hochachsensteuerung durch Differenzierung der Drehmomente des mechanisch angetriebenen Zentralrotors, durch Belastungsveränderungen über Blattwinkelverstellungen gegenüber der gleichwertigen und gleichzeitigen Antriebsleistungsveränderung der entgegengesetzt drehenden Quadroantriebe, ist eine weitere Zusatzeinrichtung nach Anspruch 1 bzw. 2 der Erfindung vorgesehen. Es ist die hydraulisch wirkende Verriegelungsvorrichtung der Zentralrotorebene um die Längs- und auch Querachse. Sie besteht aus zwei kleinen doppelt wirkenden Hydraulikzylindern (19) mit Differentialkolben, deren Kolbenstangen auf beiden Seiten des Steuerarmes (20) der Kopf-Kipp-Steuerung (7) neben deren Steuergestängeanschlüssen über Schwenkverbindungen und die gegenüberliegenden Zylindergehäuse ebenfalls über daran eingearbeitete Schwenklager die beiderseits des Rotormastes befestigt sind. Die durch ihre Scheibenkolben getrennten zwei Zylinderräume beider Zylinder sind jeweils über ihre Anschlüsse durch Schlauchleitungen mit dazwischen eingebundenem Zweifachabsperrventil (je Zylinder 1 Ventil) verbunden und als geschlossenes System vollständig mit Hydraulikflüssigkeit befüllt. Vorteilhafter, weil betriebssicherer, ist ein offenes System unter Beibehaltung des Wirkprinzipes. Dazu ist ein parallel schaltbares Vierfachabsperrventil und ein kleiner Hydraulikflüssigkeitsvorratsbehälter erforderlich, der möglichst in Nähe der Zylinderkammern anzuordnen ist. Beide vorgeschlagenen Systeme sind geeignet, die Rotorebene des Zentralrotors in einer vom Piloten ermittelten (getrimmten) Optimalstellung (Neutralpunkt) für eine saubere stabile Fluglage sowohl in Bezug auf die Längs- und auch auf die Querachse zu fixieren.
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Die ansich bekannte Kopf-Kipp-Steuereinheit (7) des integrierten Einrotorhelicoptersystems bestimmt bei entsprechend über den Steuerknüppel (16) eingeleitetem Neigen der Zentralrotorebene um die Querachse die Flugrichtung. Die Quersteuerung erfolgt durch Neigen der Rotorebene um die Längsachse. Dieses System wurde hauptsächlich mit integriert, weil es die Voraussetzungen erbringt, das Gerät für evtl. Notsituationen autorotationstauglich auszulegen, um in diesen Fällen Notlandungen ausführen zu können. Für solche Ausnahmefälle ist auch die Seitenruderanordnung mit vorgesehen worden.
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Darüber hinaus konnten damit unter Mithilfe durch genannte Zusatzeinrichtungen der Rotor ebenen- und Einstellwinkeltrimmvorrichtungen für dieses Drehflüglerwandelsystem weitere Vorteile hausgefiltert werden. Damit ist es möglich, nachdem der Pilot diesen Multicopter bei etwa mittlerer Pitcheinstellung wie einen einrotorigen UL-Helicopter über die enthaltene Kopf-Kipp-Steuerung des Zentralrotors mit Unterstützung des in diesem Betriebsmodus gleichmäßig gesteuerten Auftriebes des Quadrosystems gestartet hat, diese gezielt verriegeln zu können. Nach dem Start wird dazu das Fluggerät in geringer Höhe über dem Boden im Schwebeflug (Hovern) horizontal ausballanciert. Dazu gehört auch, dass der Blattwinkel nur so weit erhöht wird, dass sich die Rotordrehmomente nahezu gegenseitig aufheben. Ist der saubere Schwebeflugzustand erreicht, wird die Kopf-Kipp-Steuerung in dieser Stellung und damit die Zentralrotorebene vom Piloten durch Schließen genannter Absperrventilvorrichtungen fixiert und es wird dabei über eine Kontaktschließung eines an der Ventilkombination installierten Schalters zum fluglagestabilen präzis zu steuernden Quadroflugmodus gewechselt. Nach diesem erfolgten Fluglagestabilisierungsmanagements wird über die Steuerelektronik zusätzlich zur permant elektronisch betriebenen Hochachsensteuerung ab dort auch die der Längs- und Querachse bedient.
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Durch die Rotorebenenfixierung ist damit auch der Steuerknüppel (16) etwa in Mittelstellung blockiert. Die Bedienelemente (24) für die elektronische Steuerung (23) sind an der rechten Armlehne des Sitzes ergonomisch günstig angebracht, über welche ab diesem Zeitpunkt der UL-Hybridmulticopter weiter und bequem im Präzisionsquadromodus zusätzlich zur permant elektrisch betriebenen Hochachsensteuerung bedient werden kann.
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Eine Ausführungsgestaltung nach Anspruch 1 und 2 wird anhand der 1 bis 4 aufgezeigt.
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In der 1 ist der mögliche Grundaufbau eines solchen Kombinationsdrehflüglers dargestellt.
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In 2 ist auszugsweise die Zentralrotorebenen-Fixiereinrichtung gegenüber der Längs- und Querachse dargestellt.
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3 zeigt eine grobe Übersichtsdarstellung zur möglichen Verknüpfung des bewährten Fluglage- und Steuerprinzipes unbemannter Multicopter in angepasster Form an diesen Drehflüglervorschlag mit mechanischen Bedienelementen.
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Die mechanische Bedienvorrichtung betrifft die Pitcheinstellung über den Blattverstellhebel (12), dessen Bewegungen über die Gestängewegstrecke, bestehend aus dem Getriebemotor (14) mit der Spindelverbindung (15) und Gestänge mit Hebelübersetzungen (13), besteht. Doppelt wirkende Bedienelemente sind der Drehgasversteller (27) und die Seitenruderpedalanordnung (17). Diese sind mechanische Einrichtungen mit zusätzlichem elektrischen Abgriff.
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Der elektrisch/elektronische Teil besteht aus dem Generator (8a), dem Akkumulator mit Hauptschalter (11), den Motorsteuereinheiten (25) und den Brushless-Antrieben (4).
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Dazu kommt das Mikrocontroller-Steuer- und Überwachungssystem (23), welches die Bediensignale vom Drehgasversteller (27), den Potentiometern (18) und nach Kontaktschließung des Schalters (22) auch die über das Bedienpult (24) eingegangenen erhält, diese mit dem zusätzlich über die Fluglagesensorik (26) vergleichend verarbeitet und an die Motorregler (25) zur präzisen Ansteuerung der Motorantriebe (4) weiter gibt.
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In 4 ist eine mechanisch flexibel ausgelegte Übergangsstelle dargestellt, die es erlaubt, die ankommenden Kollektiv-Verstellbewegungen der starren Gestängefernsteuerung (13) über einen nachfolgenden Bowdenzug (29) auf den Rotorkopf (7) trotz dessen Steuerschwenkbewegungen unverfälscht übertragen zu können. Alternativ und dabei gleichzeitig vorteilhaft kann auch eine hydraulische Bewegungsübertragungseinrichtung, ähnlich wie für Flüssigkeitsbremssysteme, dazu installiert werden.
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Rein technisch gesehen kann ein solches Gerät, wenn es im verriegelten Zustand und Quadromodus gelandet wurde, danach bei entsprechender Zuladung als ”Pilotenersatz” sogar unbemannt über eine dementsprechende Funkfernbedienung weiter genutzt werden. Dies wäre z. B. für gefährliche Sondereinsätze vortelhaft.
