DE202017006138U1

DE202017006138U1 - Universalfluggerät mit Elektroantrieb

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Publication number: DE202017006138U1
Application number: DE202017006138.4U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2027-11-29

Abstract

Universalfluggerät mit Elektroantrieb
– mit einer Fluggastkabine (1)
– mit elektrisch betriebenen Windkraftrotoren (2),
– mit airodynamischen Tragflächen (3) links und rechts der Fluggastkabine (1),
– mit anteiligen Kippflügeln (4) (sog. Tilflügel), an denen die Windkraftrotoren (2) befestigt sind (sog. Tiltrotoren),
– mit Verstellwellen (5), an denen die Tilflügel (4) und Tiltrotoren (2) drehbar befestigt sind,
– mit Verstellorganen (6) zum gesteuerten Schwenken der Windkraftrotoren (2) aus der wagrechten Position,
– mit einer elektronischen Regelung (7) für die Drehzahlen und
die Schwenkpositionen der Windkraftrotroren (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fluggastkabine (1) aus zwei Hälften (9, 10) besteht, die je links und rechts mit Tragflächenansätzen (11) versehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein bemanntes Fluggerät mit mindestens zwei Fluggästen und rein elektrischem Antrieb. Bekannt sind Konstruktionen mit drohnenartiger Ausbildung der senkrechten Lastübernahme durch Drehflügel, wie sie aus den Windkraftalagen bekannt sind. Die Tragkraft solcher Fluggeräte hängt ausschliesslich vom Axialschub der Windrotoren ab mit einem verhältnismässig grossem Aufwand an Antriebsleistung. Soll ein solches Fluggerät zusätzlich zu seiner Fähigkeit, die Last in einer gewissen Höhe in der Schwebe zu halten, auch vorwärts kommen, müssen die Axialkräfte zusätzlich eine Kraftkomponente in Richtung der Fluggeschwindigkeit haben, eine wagrechte. Komponente. Diese Komponente der Drehflügel muss mindestens so gross sein wie der Luftwiderstand des gesamten Systems in Flugrichtung. Die Folge ist, dass das Flugerät sich in Flugrichtung nach vorne neigen muss, um diese Luftwiderstandkraft zu erzeugen. Man kann dies bei jedem Helikopter beobachten. Diese haben allerdings zusätzlich eine zyklische Blattverstellung, weshalb diese Fluggeräte ziemlich aufwendige Konstruktionen sind.
Für einen reinen Elektroantrieb aus einem Batteriesystem kommen solche Lösungen nicht infrage wegen des hohen Leistungsaufwands.
Bekannt sind sehr sinnvolle Fluggeräte mit einer Kombination aus Windkraftrotoren und den in der Flugtechnik bekannten, äusserst zuverlässigen und leistungssparenden Tragflügeln. Der Luftwiderstand eines gut ausgelegten, mit grossem Auftrieb möglichen Tragflügel ist viel kleiner. Mit den sogenannten ”Tiltflügel” und den an diesen befestigten ”Tiltrotoren” (tilting heisst neigend, bekannt aus den ”tilting pads” bei Turbinenlager) ist eine sinnvolle Trennung des Steigfluges und des Geschwindigkeitsfluges möglich.
Die Erfindung nutzt dieses vorteilhafte Prinzip für einen wirtschaftlichen Flugbetrieb bei reinem Elektroantrieb. Für eine grosse Reichweite der Batteriekapazität ist es möglich, dass im Geschwindigkeitsflugbetrieb der notwendige Auftrieb von den Tragflügeln übernommen wird. Die Tiltrotoren müssen dann nur noch die Flugleistung aufbringen als Produkt aus Luftwiderstand mal der Fluggeschwindigkeit. Diese ist dann weniger als 20% der Steigleistung mit Windkraftrotoren.
Erfindungsgemäss wird eine Fluggastkabine vorgeschlagen, die aus zwei Hälften besteht mit Ansätzen für die Befestigung der Tragflügel. Diese Ansätze haben genau die Profilform der angeschlossenen Tragflügel und gehören zur rechnerischen Fläche der Flügel dazu. Die Konstruktion der beiden Kabinen halfen berücksichtigt die technologische Forderung für das Kunstoffspritzverfahren, wie man sie aus der jüngsten Entwicklung der Elektrofahrzeuge kennt. Somit besteht die Möglichkeit, als Werkstoff die hochfesten faserverstärkten Spritzgusskunststoffe zu verwenden. Diese Technik ermöglicht das Konstruieren von Bauteilen mit kleinstmöglichem Gewicht. Beim Erfindungsgegenstand ist dies von ausschlaggebender Bedeutung.
Hierbei ist es wichtig, dass die Spritzgusswerkzeuge dieser Grössenordnung möglichst einfach im Aufbau sind ohne Hinterschneidungen und somit ohne Schieber. Aus Gewichtsgründen müssen die Wanddicken möglichst klein und die Festigkeit des Kunstoffmaterials optimiert sein.
Es versteht sich von selbst, dass nicht der ganze Tragflügel gekippt werden kann. Man wird deshalb nur einen Teil der Tragfläche kippbar machen, an dem der Elektromotor des Windrotors befestigt ist. Für das vorliegende 2 – Mann – Fluggerät mit einer Batteriekapazität von ca. 60 KWh ergibt sich ein ungefähreres Gesamtgewicht von 700 kg. Rechnerisch sind 4 Rotoren notwendig, von denen je zwei rechts und zwei links der Fahrgastkabine angeordnet sind, aufgeteilt in einen Front- und einen Heckrotor. Aus Gründen der Flugstabilität sind beim Geradeausflug die Frontrotoren im Einsatz. Selbstverständlich kann dieses elektrisch betriebene Fluggerät auch zum reinen Frachttransport genutzt werden mit autonomer Steuerung.
Ebenso aus Flugstabilitätsgründen ist es vorteilhaft, wenn der Schwerpunkt des System möglichst tief unter der Auftriebskraft der Tragflächen liegt. Ebenso ist es von Vorteil, wenn in senkrechter Richtung gesehen dieser direkt unter dem Auftriebsvektor der Tragfläche liegt. Deshalb sind die Fluggäste und die schweren Batterien möglichst zentral angeorgnet.
Da dieses Flugerät keinen verlängerten Rumpf und somit kein wirksames Höhen und Seitenleitwerk besitzt, ist es wichtig, dass als Ersatz dafür die Tiltflügel und die Tiltrotoren vollkommen getrennt bezüglich des Schwenkwinkels als auch bezüglich der Rotordrehzahlen elektronisch stabilisierend geregelt weren können.
Bei Elektrofahrzeugen mit reinem Batteriebetrieb ist eine Kühlung der Batterien, insbesondere bei Lithiumbatterien, sehr wichtig und notwendig. Noch viel wichtiger ist diese Kühlung bei batteriebetriebenen Luftfahrzeugen, weil hier im Falle der Überhitzung oder gar eines Brandes meistens keine Fluchtmöglichkeiten für die Fluggäste besteht.
Aus Gewichtsgründen ist eine Luftkühlung für die Batterien wünschenswert. Genügend Luft steht bei der Fliegerei im Grunde zur Verfügung. Diese kann mittels Ventilatoren umgewälzt werden, die dann von der Batterie mit Strom versorgt werden mit entsprechender Reduzierung der Reichweite. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die im aerodynamischen Geschwindigkeitbetrieb entstehenden Luftdruckdifferenzen für eine Kühluftumwälzung zu nutzen. Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, den unteren Bereich der Fluggastkabine so zu gestalten, dass im Bereich der Batterien sehr niedriger dynamischer Luftdruck an der Aussenwand entsteht, der dann für eine Luftumwälzung für die Batteriekühlung genutzt wird. Durch sinnvoll angeordnete Luftschlitze an diesen Stellen kann dann ein Kühlluftdurchsatz durch die Batterieschächte erzielt werden. Denkbar ist auch eine Kombination dieser Methode zusammen mit Lüfterunterstützung oder umgekehrt.
Bei Gewittern ist jedes Fluggerät durch Blitzschlag in Gefahr. Es empfielt sich deshalb, zumindest die Fluggastkabine als Faradaykäfig auszubilden. Dazu wäre u. a. leitfähiger Phenolharz-Preßstoff geeignet, der nach chemischer Entfernung der Oberflächenhaut unmittelbar galvanisch mettalisierbar ist (Kunststoff Taschenbuch, 14. Ausgabe, Carl Hanser Verlag, Mü., Seite 102).
Weitere vorteilhafte erfinderische Merkmale sind in den zusätzlichen Unteransprüchen erwähnt.
Anhand der Zeichnung wird der Erfindungsgegenstand näher erläutert.
1 zeigt eine perspektivische Aussenansicht des Universalfkuggerätes, wobei mit 1 die Fluggastkabine und mit 2 die Windkraftrotoren bezeichnet sind. Die Tragflügel (3) rechts und links der Fluggastkabine 1 sind an den Flügelansätzen 11 der Fahrgastkabine 1 tragfähig befestigt und erzeugen zusammen mit den Fortsätzen 11 bei Fluggeschwindigkeit den erforderlichen Auftrieb für das Flugzeug. Die Fluggastkabine 1 ist von vorne nach hinten an seiner Oberfläche ebenso wie die Tragflächen 3 gewöbt ausgeführt, sodass auch die Fluggastkabine noch einen Beitrag zum Auftrieb erzeugt.
An den Tiltflügeln 4 sind die Windkraftrotoren 2 mit der Rotorflügeln 14 befestigt und sind über die Wellen 5 drehbar gelagert. Im Geradeausflug sind diese Tilfflügel 4 im Wesentlichen in der exakten Flucht mit den Tragflügeln 3, sodass sie einen vollen Flächenanteil an der Tragfähigkeit der aerodynamischen Tragkraft der Flügel 3 besitzen. Dadurch ist der Luftströmungswiderstand der Tragflächen bei seinem niedrigsten Wert. Der Luftströmungswiderstand der Fluggastkabine muss getrennt ermittelt werden und ist wesentlich höher als der der Tragflügel. (3) Aus Gründen der Flugsicherheit muss deshalb die Fluggastkabine 1 möglichst exakt in gleicher Höhe wie die Tragflügel 3 und die Windkraftrotoren 2 liegen, damit bei hoher Fluggeschwindigkeit durch den höheren Luftwiderstand der Fluggastkabine kein Störmoment entsteht. Die am äusseren Ende der Tragflügel 3 angebrachten Spoiler 23 verhindern Wirbelströme der Luft von unten nach oben infolge des statischen Druckunterschiedes bei hoher Fluggeschwindigkeit. Diese würden die Tragkraft der Flügel 3 negativ beeinflussen.
Fur den Senkrechtstart werden die Tilfflügel 4 mit den Tiltrotoren 2 senkrecht gestellt und die Drehzahlen der Windrotoren 2 mit den Flügeln 14 auf den erforderlich Wert gebracht. Die in unserem Falle 4 Windkraftrotoren 2 müssen durch ihre Axialkraft das gesamte Gewicht des Flugzeugs tragen. Die erforderliche Antriebsleistung für die Rotoren ist hier am höchsten. Die erforderliche Zeit für den Senkrechtstart hängt von der Überschussleistung zur Senkrechtbeschleunigung ab. Sie ist jedoch sehr kurz, sodass der Strombedarf aus den Batterien sehr klein ist. Für den Wagrechtflug steht somit fast die gesamte KWh-Kapazität der Batterien zur Verfügung, weshalb die Reichweite sehr gross ist.
2 zeigt eine Seitenansicht des Universalfluggerätes, in der in gestrichelter Darstellung die Senkrech-Startposition der Windkraftrotoren 2 dargestellt ist. Für den schnellen Start am Boden in der Ebene steht je nach Bedarf die Beschleunigungskraft aller 4 Windkraftrotoren zur Verfügung, die das Fluggerät in wenigen sekunden auf die Höchstgeschwindigkeit beschleunigt. In diesem Fall müssen die Heckrotoren 15 ihre Drehrichtung ändern und auf Schub gestellt werde, was bei den Elektromotoren kein Problem darstellt.
3 zeigt einen Schnitt durch die Fluggastkanine entlang der Schnittlinie A im Wesentlichen im Bereich der Batterien. Durch die bauchige Gestaltung der Aussenwand verdichten sich die Stromlinien der Luft bei hoher Geschwindigkeit im Bereich der Batterien, sodass dort ein extrem niedriger statischer Druck herrscht. Dieser saugt dann aus den Innenräumen der Kabine die Luft zur Kühlung ab durch entsprechend angeordnete und gestaltete Luftschlitze.
4 Zeigt einen Querschnitt durch die Drehachsen der Tiltflügel 4 und damit auch der Windkraftrotoren 2. Diese sind hier in gestrichelter Darstellung in der Startpodition gezeichnet. Man kann hier die getrennten Wellen 5 erkennen zusammen mit den Verstellorganen 6, sodass es möglich ist, für die Steuerung des Universalfluggerätes jede erforderliche Stellung der 4 Tiltflügel einzustellen.
Man kann hier auch die Schrauben 20, 21 und 22 erkennen zum Verbinden der beiden Halbschalen 12 und 13 der Fluggastkabine. Bemerkenswert ist die Schraube 21, die im Zugbereich für die Statik der Tragfähigkeit der Tragflügelteile 11 und 3 angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kunststoff Taschenbuch, 14. Ausgabe, Carl Hanser Verlag, Mü., Seite 102 [0012]

Claims

Universalfluggerät mit Elektroantrieb – mit einer Fluggastkabine (1) – mit elektrisch betriebenen Windkraftrotoren (2), – mit airodynamischen Tragflächen (3) links und rechts der Fluggastkabine (1), – mit anteiligen Kippflügeln (4) (sog. Tilflügel), an denen die Windkraftrotoren (2) befestigt sind (sog. Tiltrotoren), – mit Verstellwellen (5), an denen die Tilflügel (4) und Tiltrotoren (2) drehbar befestigt sind, – mit Verstellorganen (6) zum gesteuerten Schwenken der Windkraftrotoren (2) aus der wagrechten Position, – mit einer elektronischen Regelung (7) für die Drehzahlen und die Schwenkpositionen der Windkraftrotroren (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Fluggastkabine (1) aus zwei Hälften (9, 10) besteht, die je links und rechts mit Tragflächenansätzen (11) versehen sind.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluggastkabine (1) in der der Mitte geteilt ist und aus zwei schalenförmigen Teilen (12, 13) besteht, die exakt gegensymmetrisch ausgebildet sind.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden mit Tragflächenansätzen (11) versehenen Hälften (12, 13) der Fluggastkabine (1) im Kunststoff-Spritzverfahren hergestellt sind.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gegensymmetrischen Hälften (9, 10) der Fluggastkabine (1) natur ohne Hinterschnitte aus der Spritzgussform ausformbar sind.
Universalfluggerät mit Elektroantriebb nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material dieser Kunststoffteile (9, 10) aus faserverstäktem Polyester oder ähnlichem Kunststoff besteht, der sich zur Faserverstärkung eignet.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass rechts und links der Fluggastkabine (1) je ein kippbarer Front- und Heck-Windkraftrotor (2) vorgesehen ist.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugten schweren Lithiumbatterien (8) im zentralen vertikalen Schwerpunktsbereich des Fluggerätes z. B. unter den Fluggastsitzen untergebracht sind
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt nur zwei Personen als Fluggäste vorgesehen sind und diese Rücken an Rücken gesetzt sind.
Universalfluggerät mit Elektroabtrieb nach Ansüruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrgastkabine (1) als als reiner Frachtraum ausgebildet und das Fluggerät ausschliesslich autonom gesteuert ist.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Flugstabilisierung jeder Tiltflügel (4) und jeder Tiltrotor (2) für sich sowohl bezüglich der Kippstellung als auch bezüglich der Rotordrehzahl getrennt elektronisch regelbar ist.
Univertsalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieschächte (17) unter den Sitzen (16) der Fluggäste nach aussen zum Austausch zugänglich sind.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftrotoren (2) nur zwei Flügel (14) aufweisen.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für den Start und die Landung am Boden ein Fahrwerk (18) vorgesehen ist.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich (A) der Fluggastkabine (1) bauchig gestaltet ist, sodass im Bereich der Batterien (8) an der Aussenwand ein niedriger statischer Luftdruck herrscht und dass an diesen Stellen entsprechende Luftschlitze (23) angeordnet sind.
Universalfluggerät mit Elektroantrieb nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluggastkabine (1) als Faradaykäfig ausgeführt ist, indem die schalenförmigen Wände (12, 13) z. B. aus leitfähigem Phenolharz-Preßstoff ausgeführt ist und die Aussenhaut galvanisch metallisiert ist.