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Die Erfindung betrifft ein mit Elektroantrieb ausgerüstetes Fluggerät, das insbesondere als Flugtaxi geeignet ist, wie es den Grundzügen nach in der Gebrauchsmusterschrift Akz. 20 2017 006 138 beschrieben ist Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass das Fliegen mit Tragflügeln die weitaus wirtschaftlichste Art des Fliegens ist. Die Leistungseinsparung ist besonders beim Elektroantrieb etwa eines Lufttaxis, wie es z.Z. besonders im Großstadtverkehr geplant ist., von entscheidender Bedeutung. Man muss davon ausgehen, dass ausser innersädtischer Kurzstrecken auch größere Strecken zurükgelegt werden müssen, da Großstädte oft Geländeflächen in Anspruch nehmen von mehreren Zig Kilometern Entfernungen.
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Im Großstadtverkehr ist in jedem Falle das Senkrechtstarten eines Lufttaxis unerlässlich. Dieses Senkrechstarten erfordert bei gegebenem Eigengewicht zusammen mit Passagieren kurzzeitlich eine verhältnismäßig große Startleistung. Diese Senkrecht-Startleistung muß von senkecht wirkenden Propeller-Rotoren aufgebracht werden. Bei vielen Projekten geht man davon aus, dass diese Rotoren auch beim wagrechten Weiterflug die erforderliche Tragfähigkeit übernehmen. Das bedeutet, dass dabei der Leistunganspruch an die Rotoren aus dem Senkrechtstart auch beim Wagrechtflug erhalten bleibt. Der Wagrechtflug ist somit unwirtschaftlich und erfordert viel Energie, besonders bei längeren Flugstrecken.
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Die Lösung in dem Gebrauchsmuster nutzt das bekannte Prinzip der „Tiltrotoren“, die durch eine Tiltwinkel-Verstellbarkeit sowohl für den Senkrechtstart als auch für den Wagrechtflug mit Tragflächen-Anteil verwendet werden können. Da die Kräfte des Luftwiderstandes im Wagrechtflug nur ein Bruchteil der Gewichtslast sind und die Tragflächen äußerst leistungsparend das Flugzeuggewicht tragen können, können solche Flugzeuge weite Strecken mit wesentlich kleinerer Batteriebelastung fliegen, bis zu Hunderten von Kilömetren. Außerdem können bei gleichem Leistungsanspruch höhere Geschwindigkeiten geflogen werden.
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Die Lösung nach dem Gebrauchmuster hat eine Fülle von Nachteilen. Dadurch, dass die Fahrgastkabine in der Höhe derTragflächen angeordnet ist, wie das üblichweise bei den heutigen Flugzeugen der Fall ist, behindern die Tragflächen zumindest für viele Fluggäste die Sicht nach unten. Dies gilt zum Teil auch für den Piloten in unserem Gerät gemäß den Gebrauchsmuster.
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Ein Hauptnachteil hierbei ist jedoch, dass der rmögliche Durchmesser der Tiltpropeller beim Start auf einer Piste stark eingeschränkt ist.
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Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil dadurch, dass die Tragflächen mit den Tiltrotoren über der Fahrgastkabine angeordnet sind als sogenannter Hochdecker. Der Propellerdurchmesser kann somit wesentlich größer ausgeführt werden. Der Propellerdurchmesser hat nämlich einen großen Einfluß auf die Leistungaufnahme bei gleicher Tragkraft S nach der Gleichung:
dabei bedeuten:
- Nst die Antriebsleistung des Propellers [Watt]
- S die Tragkraft beim Senkrechtstart [N]
- d der äußere Propellerdurchmesser [m]
- Ro die spezifische Masse der Luft [Nx(s)hoch 2/(m)hoch4)
- Zeta ein dimensloser Faktor.
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Daraus ist erkennbar, dass die Leistungsaufnahme bei gegebener Tragkraft umso kleiner ist, je größer der Propellerdurchmesser gemacht werden kann. Dieser Vorteil gilt nicht nur für den Senkrechtstart, sondern auch für den Wagrechtflug. Bei gleicher Tragkraft wird dann gleichzeitig die erforderliche Propellerdrehzahl reduziert mit der Folge geringster Geräuschenwicklung, ein wesentlicher Umweltfaktor!
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Vorteilhaft ist, wenn die Vorderkante der Tragflächen im Bereich links und rechts der Tiltrotoren von der Propellerebene nach hinten abgeschrägt sind. Dadurch vergrößert sich der Abstand der Tragflächenvorderkanten von den Rotorblättern mit der Wirkung kleinerer Störeinflüsse im Luftstrom, ebenso mit der Folge geringerer Gerauschentwicklung.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass der obere Bereich des Bugs der Passagierkabine ohne Stufe in die vordere Ebene der Tragflügel übergeht. Dadurch sind starke aerodynamische Turbulenzen in diesem Bereich vermieden. Auch dies führt zu weniger Geräuschen. Außerdem wird dadurch der Luftwiderstand der Fahrgastkabine kleiner.
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Die Ausführung als Hochdecker mit systembedingt obenliegenden Propellern erfordert besondere Maßnahmen bezüglich der Flugstabilität. Durch die Lage der Fahrgastkabine tiefer als die Tragflächen und der Rotoren entsteht bei hoher wagrechter Fluggeschwindigkeit ein Luftwiderstandsvektor der Kabine mit einem Hebelarm (b) zur Tragfläche und zu den Rotorpropellern. Es herrscht dadurch ein Nickmoment bezüglich der Tragflächen nach vorne, das die Nase des Flugzeugs nach unten drückt. Die Folge ist ein negativer Anstellwinkel der Tragflächen. Der statische Druckunterschied dreht sich um. Der höhere Druck herrscht dann über dem Tragflügel, der niedrigere Druck herrscht unter dem Tragflügel. Das Flugzeug wird Richtung Boden gedrückt. Der Pilot kann ohne besondere Einrichtung diese Katastrophe nicht verhindern. Das Flugzeug stürzt ab.
Dieses Problem entschärft sich, ähnlich wie beim Paragleiter, dadurch, dass der Schwerpunkt des System um den Abstand (c) von der Tragfläche senkrecht nach unten liegt. Deshalb erweist sich als Vorteil, dass die verhältnismäßig schwere Batterie ganz unten in der Fahrgastkabine untergebracht ist.
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Bei den Tiltrotoren besteht für den Pilöten jederzeit die Möglichkeit, insbesondere die Frontrotoren durch die Tiltwinkel-Verstellbarkeit in einen ansteigenden Winkel Gamma ( ) so einzustellen, dass ein mehr oder weniger grosses Gegenmoment entsteht. So kann das Flugzeug stets in einer stabilen Fluglage gehalten werden. Je höher die Fluggeschwindigkeit wird, umso größer muss dieses Gegenmoment sein. Bei plötzlich eintretenden böenartigen Gegenwindstössen muss hier schnell reagiert werden. Hier sind dem autonomen Fliegen sicherlich Grenzen gesetzt.
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Für ein Fluggerät für 2 bis 3 Personen ergeben sich etwa folgende Flugdaten:
Gewicht zum Senkrechtstart 700 kg; 4 Startrotoren mit 3 m Durchmesser; Senkrechstartleistung ca. 72 KW; Rotordrehzahl ca. 310 U/min; Geschwindigkeit im Wagrechtflug 120 km/h; 2 wagrechte Front-Rotorpropeller im Betrieb; Propellerleistung insges. ca. 13 KW; Fortschrittszahl 2.5; Propellerdrehzahl ca 600 U/min; Batteriekapazität 60 KWh; Reichweite des Flugzeugs mit einmaligem Start und Landung 3.5 h x 120 km/h = 420 km.
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Durch diese Gestaltung des Disigns des Flugzeugs wird der elektrisch betriebene Flugbetrieb äußerst interessant und sicher.
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Anhand der Zeichnung wird die Funktion der Erfindung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Draufsicht auf das Flugzeug, wobei die nach hinten verlaufenden Vorderkanten 6 und 7 der Tragflächen sichtbar sind. Ebenso ist der glatte Übergang der Fahrgastkabine 2 in die Tragflächen 3 mit den Anteilen der Fahrgastkabine 10 und 11 kennbar. Beide Maßnahmen dienen der Geräuschminderung, wie eingangs erläutert. Die Tiltrotoren 4 mit den Propellern 5 sind etwas ausgeschwenkt nach oben dargestellt wie eingangs erläutert, damit ein Gegenmoment zum Moment des Luftwiderstandes der Fahrgastkabine ausgeglichen wird. In dieser 1 sind die Tiltrotoren in der Stellung gezeigt für den Wagrechtflug.
- 2 zeigt einen Querschnitt durch die Lagerung der Tiltrotoren 4 mit der Tiltwinkel-Verstelleinrichtung 8 zusammen mit den angeschlossenen Wellen und den zugehörigen Lagern. In der Mitte des Systems ist ein Teilquerschnit durch die Fahrgastkabine sichtbar, die in zwei Hälften 10 und 11 geteilt ist. Die Tragflächen 3 mit den Tiltrotoren 4 sind mit der Fahrgastkabine 10, 11 teils verschraubt, teils verklebt. Für die statische Tragfähigkeit sind die Verschraubungen im unteren Bereich der Tragflügel angeordnet. Weitere durchgehende Verschraubungen der beiden Hälften 10 und 11 sind ebenso in der Zeichnung sichtbar.
Wie man in dieser Figur sehen kann, sind die Durchmesser der Rotorenflügel 5 so gross wie möglich dimensioniert, sowohl in senkrechter als auch in wagrechter Richtung zur Optimierung der Leistungsaufnahme beim Senkrechstart.
- 3 zeigt die Stellung der Tiltrotoren 4/15 zum Senkrechtstart. Der Abstand der Rotoren 15 voneinander sollte mit Rücksicht auf die Gesamtabmessungen des Flugerätes so klein wie möglich sein. Wie man hier erkennen kann, findet der Sekundär-Luftstrom der Propeller viel freien Raum dank der Abschrägung der Tragflächenkanten 6 und 7 für einen guten Wirkungrad der Propeller. Hier sind die Klapptüren 16 zum Einstieg in die Kabine sichtbar und die Anordnung der Sitze 14 für die Personen sowie die Räume 13 unter den Sitzen für die Batterien. Auch sieht man hier den glatten Übergang der Frontscheibe 2 in die obere Fläche der Tragfläche 3.
- 4 zeigt die Winkelstellungen 20 und 24 der Tiltrotoren 4 beim Übergang vom Senkrechtstart zum Wagrechtflug. Durch Erhöhung des Axialschub SV des Frontrotors und Reduzierung des Axialschubs SH der Hechrotors entstehen unterschiedliche Kraftkomponenten in wagrechter Richtung, sodass sich das Flugzeug wagrecht in Bewegung setzt. Gleichzeitig übernehmen die senkrechten Kraftkomponenten der Rotoren das Gewicht des Flugzeugs. Dabei entsteht ein positiver Anstellwinkel 22 für die Tragflächen 3, sodass diese mit fortschreitender Fluggeschwindigkeit das Gewicht übernehmen. Gleich zeitig werden die Tiltrotoren in die wagrechte Position gerschwenkt.
- 5 schließlich zeigt das Flugerät, dieses Mal als Ausführung für 3 Personen, in der Rotorenstellung zum Wagrechtflug mit deren Tiltwinkel-Einstellung 24 zur Nickstabilität der Tragflächen 3 und somit des Flugzeugs. Eingezeichnet ist der Luftwiderstandsvektor WK und seine Wirkungslinie mit momentwirksamem Hebelarm b zur Tragfläche 3. Bei hoher Fluggeschwindigkeit ist der Kraftvektor WK besonders groß, sodass die Gefahr besteht, dass sich das Flugzeugt nickend nach vorne neigt. Die Folge wäre ein negativer Anstellwinkle für die Tragflächen 3. Dies könnte zum Absturz des Flugzeugs führen. Um dies zu verhindern, werden die Frontrotoren über die Tiltwinkelverstellung 8 um den Winkel 24 nach oben stellt. Die Wirkungslinie der Zugkraft S erzeugt mittels des Hebel armes a ein Gegenmoment, sodass die Flugstabilität gesichert ist. Diese Operation kann durch die elektronische Steuerung automatisiert werden.
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Entschärft wird dieses Problem durch den tiefliegenden Schwerpunkt 25 des Gesamtsystems (siehe Paragleiter), wobei die untenliegenden schweren Batterien stabilisierend dazu beitragen.
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Der Sitz 26 hat seine Blickrichtung nach hinten entgegen der Flugrichtung für eine kompakte Raumaufteilung in der Passagierkabine.
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In dieser Stellung der Tiltrotoren besteht auch die Möglichkeit eines Pistenstarts. Wie eingangs erwähnt, kann dabei viel Startenergie eingespart werden. Dazu dient das einfache Fahrwerk 17, welches außerdem die Möglichkeit bietet, das Fluggerät am Boden leicht zu bewegen, beispielsweise in einen Hangar oder in eine Doppelgarge.
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Die erfindungsgemäßen Drehzahlen und Drehmomente der Propeller 5 decken sich weitgehend denen der Antriebsräder von mittleren und kleinen Elektroautos. Man kann also davon ausgehen, dass die elektrische und mechanische Antriebstechnik und deren Entwicklung großteils von diesen Systemen übernommen werden können. Somit sind diese Unternehmen dazu prädestiniert, auch solche elektrisch bertriebene Lufttaxis zu fertigen, da sie über das notwendige know how verfügen. Aus Gründen des Gewicht empfielt sich die Anwendung eines ein-oder zweistufiges Planengetriebes mit schnelllaufenden Elektromotoren, die bis zu 25000 U/min machen können.
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Zusammenfassung
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Ein elektrisch betriebenes Flugerät bevorzugt für zwei bis drei Personen zur universellen Verwendung z.B. als Flugtaxi besteht aus einer Fahrgastkabine (10,11) mit links und rechts angebauten aerodynamischen Tragflügel (3) mit schwenkbaren Tiltrotoren mit Windkraftpropellern. Gemäß der Erfindung sind die Tragflächen (3,6,7) mit den Tiltrotoren (4,5) im obersten Bereich der Fahrgastkabine (10,11) angeordnet, wöbei die Blattlängen der Propeller in senkrechter Richtung gesehen bei wagrechter Stellung der Tiltrotoren optimiert so bemessen sind, dass diese den Pistenboden sicher nicht berühren. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorderkanten (6,7) der Tragflächen (3) von oben gesehen links und rechts der Tiltrotoren von der Propellerebene weg nach hinten bzw. nach vorn abgeschrägt sind.
