DE202019000936U1 - Universal flight device with electric drive - Google Patents
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Abstract
Universalfluggerät mit Elektroantrieb
o mit einer Fluggastkabine (10,11,2),
o mit Tragflächen (3, 6, 7,25),
o mit in den Tragflächen schwenkbar angeordneten Tiltrotoren (4,5)
o mit Verstellorganen und Wellen (8), mittels denen die Tiltrotoren bedarfsorientiert in ihrer Tiltwinkellage verstellbar sind,
o mit einer elektronischen Regelung für die Drehzahl und Winkellage der Tiltrotoren,
o mit Stauräumen für die Leistungsbatterien im untersten Bereich der Fahrgastkabine dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflächen (3,6,7) mit den Tiltrotoren (4,5) im obersten Bereich der Fahrgastkabine angeordnet sind, dass die Tiltrotoren (12) Propeller (5) aufweisen, deren Blattlänge in senkrechter Richtung gesehen bei wagrechter Stellung der Tiltrotoren optimiert so bemessen sind, dass sie den Pistenboden sicher nicht berühren.
Universal aircraft with electric drive
o with a passenger cabin (10,11,2),
o with wings (3, 6, 7, 25),
o with tiltrotors (4,5) pivotally mounted in the wings
o with adjusting members and shafts (8), by means of which the Tiltrotoren can be adjusted according to need in their Tiltwinkellage,
o with electronic control of the speed and angular position of the tiltrotors,
o with storage spaces for the power batteries in the lowest area of the passenger cabin, characterized in that the wings (3, 6, 7) with the tilting rotors (4, 5) are arranged in the uppermost area of the passenger cabin, that the tilting rotors (12) propellers (5) have, whose blade length seen in the vertical direction in the vertical position of the Tiltrotoren optimized so that they do not touch the piste soil safely.
Description
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.The invention relates to an aircraft equipped with electric drive, which is particularly suitable as a taxi, as the basic features according to the utility model Akz. 20 2017 006 138 The invention is based on the fact that flying with wings is by far the most economical way of flying. The power saving is especially in the electric drive about an air taxi, as z.Z. especially in metropolitan traffic is., Of crucial importance. It must be assumed that, in addition to inner-city short-hauls, longer distances have to be covered, since large cities often take up areas of land several tens of kilometers away.
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.In urban traffic, the vertical launch of an air taxi is essential in any case. This Senkrechstarten requires at a given weight together with passengers in the short term a relatively large take-off performance. This vertical take-off performance must be applied by low-impact propeller rotors. In many projects, it is assumed that these rotors take on the required carrying capacity even when flying onwards. This means that the power demand on the rotors from the vertical take-off is also maintained during the carriage-right flight. The Wagrechtflug is thus uneconomical and requires a lot of energy, especially on longer routes.
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.The solution in the utility model utilizes the well-known principle of "tiltrotors" which can be used by tilt angle adjustability for both the vertical takeoff and the waggon flight with wing share. Since the drag drag forces are only a fraction of the weight load, and the wings can carry the weight of the aircraft in a highly efficient manner, such aircraft can fly long distances with significantly less battery load, up to hundreds of kilomtres. In addition, higher speeds can be flown for the same performance.
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.The solution according to the utility model has a wealth of disadvantages. The fact that the passenger cabin is arranged at the level of the bearing surfaces, as is customary in today's aircraft, hinder the wings, at least for many passengers, the view down. This also applies in part to the pilot in our device according to the utility model.
Ein Hauptnachteil hierbei ist jedoch, dass der rmögliche Durchmesser der Tiltpropeller beim Start auf einer Piste stark eingeschränkt ist.A major drawback here is that the maximum diameter of the tilt propellers is severely limited when starting on a runway.
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:
- 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.
- Actual the drive power of the propeller [Watt]
- S the load capacity at vertical take-off [N]
- d the outer propeller diameter [m]
- Ro is the specific mass of air [Nx (s) high 2 / (m) high4)
- Zeta a dimensloser factor.
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!From this it can be seen that the power consumption for a given load capacity is the smaller, the larger the propeller diameter can be made. This advantage is not only valid for the vertical take-off, but also for the wagrecht flight. At the same load capacity, the required propeller speed is reduced at the same time, resulting in the least possible noise, a key environmental factor!
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.It is advantageous if the leading edge of the wings in the area left and right of the Tiltrotoren are bevelled from the propeller plane to the rear. This increases the distance between the wing leading edges of the rotor blades with the effect of minor disturbances in the air flow, as well as with the result of less noise development.
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. Another advantage results from the fact that the upper portion of the bow of the passenger cabin passes without a step in the front plane of the wing. This avoids strong aerodynamic turbulence in this area. This also leads to less noise. In addition, thereby the air resistance of the passenger cabin becomes smaller.
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 (
Dieses Problem entschärft sich, ähnlich wie beim Paragleiter, dadurch, dass der Schwerpunkt des System um den Abstand (
This problem defuses, similar to the paraglider, in that the center of gravity of the system is
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.In the Tiltrotoren there is always the possibility for the mushrooms, in particular the front rotors by the Tilt angle adjustability in an increasing angle gamma () to adjust so that a more or less large counter-momentum arises. So the aircraft can always be kept in a stable attitude. The higher the airspeed, the bigger this countermoment must be. When suddenly occurring gusty headwind bumps must be reacted quickly here. Certainly limits are set for autonomous flying here.
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
Weight for vertical launch 700 kg; 4 star rotors with 3 m diameter; Vertical starting power approx. 72 KW; Rotor speed approx. 310 rpm; Speed in waggling flight 120 km / h; 2 horizontal front rotor propellers in operation; Propeller power total approx. 13 KW; Cumulative quantity
Durch diese Gestaltung des Disigns des Flugzeugs wird der elektrisch betriebene Flugbetrieb äußerst interessant und sicher.Due to this design of the disign of the aircraft, the electrically powered flight operation becomes extremely interesting and safe.
Anhand der Zeichnung wird die Funktion der Erfindung näher erläutert.
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1 zeigt eine Draufsicht auf das Flugzeug, wobei die nach hintenverlaufenden Vorderkanten 6 und7 der Tragflächen sichtbar sind. Ebenso ist der glatte Übergang derFahrgastkabine 2 in dieTragflächen 3 mit den Anteilen derFahrgastkabine 10 und11 kennbar. Beide Maßnahmen dienen der Geräuschminderung, wie eingangs erläutert. DieTiltrotoren 4 mit denPropellern 5 sind etwas ausgeschwenkt nach oben dargestellt wie eingangs erläutert, damit ein Gegenmoment zum Moment des Luftwiderstandes der Fahrgastkabine ausgeglichen wird. In dieser1 sind die Tiltrotoren in der Stellung gezeigt für den Wagrechtflug. -
2 zeigt einen Querschnitt durch dieLagerung 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 inzwei Hälften 10 und11 geteilt ist.Die Tragflächen 3 mit den Tiltrotoren 4 sindmit 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 Hälften10 und11 sind ebenso in der Zeichnung sichtbar. Wie man in dieser Figur sehen kann, sind dieDurchmesser der Rotorenflügel 5 so gross wie möglich dimensioniert, sowohl in senkrechter als auch in wagrechter Richtung zur Optimierung der Leistungsaufnahme beim Senkrechstart. -
3 zeigt dieStellung der Tiltrotoren 4 /15 zum Senkrechtstart. Der Abstand der Rotoren15 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 Tragflächenkanten6 und7 für einen guten Wirkungrad der Propeller. Hier sind dieKlapptüren 16 zum Einstieg in die Kabine sichtbar und dieAnordnung der Sitze 14 für die Personen sowie dieRäume 13 unter den Sitzen für die Batterien. Auch sieht man hier den glatten Übergang der Frontscheibe2 in die obere Fläche derTragfläche 3 . -
4 zeigt dieWinkelstellungen 20 und24 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 entstehtein positiver Anstellwinkel 22 für dieTragflächen 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 Malals Ausführung für 3 Personen, in der Rotorenstellung zum Wagrechtflug mit deren Tiltwinkel-Einstellung 24 zur Nickstabilität der Tragflächen3 und somit des Flugzeugs. Eingezeichnet ist der Luftwiderstandsvektor WK und seine Wirkungslinie mit momentwirksamem Hebelarm b zurTragfläche 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 dieTragflächen 3 . Dies könnte zum Absturz des Flugzeugs führen. Um dies zu verhindern, werden die Frontrotoren über dieTiltwinkelverstellung 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.
-
1 shows a plan view of the aircraft, with the rearwardleading edges 6 and7 the wings are visible. Likewise, the smooth transition of thepassenger cabin 2 in thewings 3 with the proportions of thepassenger cabin 10 and11 recognizable. Both measures are used to reduce noise, as explained above. Thetiltrotors 4 with thepropellers 5 are shown slightly swung up as explained above, so that a counter-moment is compensated for the moment of air resistance of the passenger cabin. In this1 the Tiltrotoren are shown in the position for the Wagrechtflug. -
2 shows a cross section through the storage ofTiltrotoren 4 with the tilt angle adjustment device8th together with the connected shafts and the associated bearings. In the middle of the system, a partial cross section through the passenger cabin is visible, which is in twohalves 10 and11 shared. Thewings 3 with thetiltrotors 4 are with thepassenger cabin 10 .11 partly bolted, partly glued. For the static load capacity, the fittings are located in the lower part of the wing. Further continuous screw connections of the twohalves 10 and11 are also visible in the drawing. As can be seen in this figure, the diameters of the rotor blades are5 dimensioned as large as possible, both vertically and horizontally, to optimize power consumption during the vertical start. -
3 shows the position of theTiltrotoren 4 /15 to the vertical start. The distance of therotors 15 from each other should be as small as possible with regard to the overall dimensions of the aircraft. As can be seen here, the secondary air flow of the propellers finds much free space thanks to the bevel of the airfoil edges6 and7 for a good effect of the propeller. Here are thefolding doors 16 Visible to the entry into the cabin and the arrangement of theseats 14 for the persons as well as therooms 13 under the seats for the batteries. Also you can see here the smooth transition of thewindscreen 2 in the upper surface of thewing 3 , -
4 shows theangular positions 20 and24 thetiltrotors 4 in the transition from vertical takeoff to wagrecht flight. By increasing the axial thrust SV of the front rotor and reducing the axial thrust SH of the hech rotor, different force components arise in the horizontal direction, so that the aircraft sets in motion. At the same time, the vertical force components of the rotors take over the weight of the aircraft. This creates a positive angle ofattack 22 for thewings 3 so that they take over the weight as the flying speed progresses. At the same time the Tiltrotoren be gerschwenkt in the horizontal position. -
5 finally shows the flight device, this time as a version for 3 people, in the rotor position for wagrechtflug with their tilt angle setting24 pitch stability of thewings 3 and thus of the aircraft. The air resistance vector WK and its line of action with moment-effective lever arm b to the support surface are marked3 , At high airspeed, the force vector WK is particularly large, so that there is a risk that the aircraft tilts forward tilting. The result would be a negative angle of attack for thewings 3 , This could lead to the crash of the aircraft. To prevent this, the front rotors are on the Tiltwinkelverstellung8th around theangle 24 upwards. The line of action of the tensile force S generated by the lever arm a a counter-torque, so that the flight stability is secured. This operation can be automated by the electronic control.
Entschärft wird dieses Problem durch den tiefliegenden Schwerpunkt
Der Sitz
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
Die erfindungsgemäßen Drehzahlen und Drehmomente der Propeller
ZusammenfassungSummary
Ein elektrisch betriebenes Flugerät bevorzugt für zwei bis drei Personen zur universellen Verwendung z.B. als Flugtaxi besteht aus einer Fahrgastkabine (
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Cited By (2)
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EP4011770A1 (en) | 2020-12-10 | 2022-06-15 | Siegfried A. Eisenmann | Aircraft with electric drive |
CN116853491A (en) * | 2023-09-01 | 2023-10-10 | 成都沃飞天驭科技有限公司 | Tilting device, design method thereof and aircraft |
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2019
- 2019-02-26 DE DE202019000936.1U patent/DE202019000936U1/en active Active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP4011770A1 (en) | 2020-12-10 | 2022-06-15 | Siegfried A. Eisenmann | Aircraft with electric drive |
CN116853491A (en) * | 2023-09-01 | 2023-10-10 | 成都沃飞天驭科技有限公司 | Tilting device, design method thereof and aircraft |
CN116853491B (en) * | 2023-09-01 | 2023-11-07 | 成都沃飞天驭科技有限公司 | Tilting device, design method thereof and aircraft |
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