DE3421115A1 - Luft- lastenhubeinrichtung - Google Patents
Luft- lastenhubeinrichtungInfo
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Description
Bernard Lindenbaum, 4929 Thorain Court, Dayton, Ohio 45416/
USA
"Luft- Lastenhubeinrichtung*
Die Erfindung betrifft eine Luft- Lastenhubeinrichtung mit
sehreren Luftfahrzeugeinheiten.
Der Bedarf an vertikalen Hubvorgängen in Verbindung mit schweren oder sperrigen Lasten und deren Transport über große Entfernungen
hat die Möglichkeiten herkömmlicher Vorrichtungen bei weitem überschritten, mit denen diese Lasten vom Boden
hochgehoben, auf Fahrzeuge aufgesetzt und zu anderen Stellen befördert werden. Dies gilt besonders dort, wo derartige Operationen
durch fehlende Straßen sehr erschwert oder sehr verteuert werden; ein Beispiel dafür ist der Abtransport von Bäumen
aus dem Wald zu einem Holzgewinnbetrieb oder einem Sägewerk. Weitere wichtige Einsatzbereiche sind unter anderem
die Beförderung von Ladungen zwischen Schiff und Land, die Bewegung großer Konstruktionen wie Brückensegmente und der
Transport von Häusern und sonstigen vorgefertigten Gebäudeteilen zu bestimmten Baustellen.
Als Luftfahrzeug wird im folgenden J ede lastaufnehmende Ma-
schine oder Konstruktion zum Fliegen oder Navigieren in der
Luft verstanden, die entweder vom eigenen Auftrieb oder durch aerodynamische Einwirkung der Luft auf ihre Flächen getragen
wird» Flugzeuge, Hubschrauber, Ballons und Luftschiffe sind sämtliche Luftfahrzeuge.
Als Luftschiff wird ein Luftfahrzeug angesehen, das leichter als Luft (LAL) ist und mit einem Antriebssystem und einer
Vorrichtung zum Steuern der Bewegungsrichtung ausgerüstet ist, während ein Ballon ein luftundurchlässiger Sack aus zähem,
leichtem Material ist, der mit erwärmter Luft oder einem Gas leichter als Luft gefüllt ist, so daß er aufsteigt
und in der Atmosphäre schwebt; ein Luftballon ohne Antriebssystem.
Als eine nichtperiodische Steigungssteuerung wird nachstehend eine gleichzeitige und gleichmäßige Anstellwinkel-Verstellung
sämtlicher Blätter bezeichnet, die gewöhnlich eine Änderung der Rotorschubkraft bewirken soll, wohingegen eine periodische
Steigungssteuerung als eine Blatt-Anstellwinkel-Verstellung angesehen wird, die sich einmal je Umdrehung ändert und
benutzt wird, um den Rotorschubvektor schräg einzustellen oder Momente an der Rotornabe zu erzeugen.
Die Bezeichnung Hubschrauber dient für eine Art Luftfahrzeug, das ausschließlich durch die Reaktion eines Luftstroms in der
Luft gehalten wird und der durch einen oder mehrere Hubrotoren,
die sich um eine vertikale Achse drehen, nach unten gestoßen oder gedrückt wird. - Dementsprechend bezeichnet ein
Hubschrauberrotor einen Rotor, der mit seiner Rotationsachse in fast vertikaler Stellung arbeitet, der aufgrund seiner Konstruktion
einen Auftrieb bewirkt und in geneigter Stellung sowohl Auftriebs- als auch Vortriebskraft erzeugt.
Ein Hybrid-Luftfahrzeug ist ein Luftfahrzeug, dessen Hauptbestandteile
von LAL- und SAL-Luftfahrzeugen übernommen wurden.
Als Propeller wird eine Rotorausführung angesehen, die in erster Linie darauf abgestimmt ist, dem Luftfahrzeug Vortriebskraft
im Gegensatz zur Auftriebskraft zu verleihen; seine Rotationsachse verläuft normalerweise parallel zur
Längsachse des Luftfahrzeuges. - Ein Kipprotor stellt eine besondere Rotorausführung dar, die an VTOL-Luftfahrzeugen
(siehe unten) zum Einsatz kommt, um bei einem Vertikalflug sowie geringer Fluggeschwindigkeit sowohl Auftriebs- als
auch Vortriebskräfte und bei größerer Fluggeschwindigkeit in erster Linie Vortriebskräfte zu erzeugen, wobei diese Änderung
dadurch bewirkt wird, daß die Rotorachse zwischen vertikaler und horizontaler Ausrichtung geneigt wird.
Ein Rotor bildet ein System aus rotierenden Tragflächen oder Flügeln, die so angeordnet sind, daß sie einen Schub oder
M-
Auftrieb bewirken.
Ferner bezeichnet VTOL (Vertical take-off and landing) einen
Senkrechtstart und -landung. - Als ein Luftfahrzeug leichter als Luft wird ein Luftfahrzeug bezeichnet, das durch seinen
eigenen Auftrieb getragen wird, wie beispielsweise ein Ballon oder ein Luftschiff, wohingegen ein Luftfahrzeug schwerer
. als Luft als ein Luftfahrzeug anzusprechen ist, das durch aerodynamische Einwirkung auf seine Flächen getragen wird, wie
beispielsweise ein Hubschrauber, ein propellergetriebenes oder düsengetriebenes Flugzeug oder ein VTOL-Flugzeug.
Der den Erfindungsgegenstand betreffende, Jedoch dessen Merkmale
nicht offenbarende Stand der Technik ist in den US-PSn 3 856 236 und 3 976 265 zu finden.
Bei den meisten bisher vorgeschlagenen Hybrid-Luftfahrzeugen bediente man sich sowohl negativer als auch positiver dynamischer
Kräfte; die Auftriebskraft trägt einen Teil des Nutzlastgewichts und der dynamische Auftrieb trägt den verbleibenden
Teil. Beim Einsatz ohne Nutzlast bedient man sich eines negativen dynamischen Auftriebs, um das durch Eigenauftrieb
darüber befindliche Luftfahrzeug an seinem Platz zu halten. Eine Steuerung ist damit bei belastetem oder unbelastetem Luftfahrzeug
möglich, und es entfällt die Notwendigkeit, für die vertikale Höhensteuerung Ballast und Ventilhubgas mitzufUhren.
Dies ist eine äußerst wichtige Verbesserung im Hinblick auf den Betriebsnutzen bei Luftschiffen.
Solange der dynamische Kraftvektor nicht voll im 90° aus der
Vertikalen in die Horizontale gekippt werden kann oder kein separater Horizontalkraftgenerator zur Verfügung steht, ist
es nicht möglich, das Luftfahrzeug bei gleichbleibender Höhe in fortschreitenden Flug zu bringen, wenn das Luftfahrzeug
neutral schwebt. Hubschrauberrotoren, die mit relativ geringen Neigungswinkeln arbeiten, bewirken ein solches Problem
bei Hybrid-Luftfahrzeugen, wenn diese neutral schweben; es
wurden unabhängige Vorrichtungen eingebautem den horizontalen
Schub zu bewirken. So wurde beispielsweise der Gebrauch herkömmlicher Propeller vorgeschlagen, die zu diesem Zweck
am Heck jedes Hubschraubers angebracht wurden.
Es ist möglich, einen Ballon in Verbindung mit einem herkömmlichen
Hubschrauber für den Hubeinsatz zu verwenden. Es wäre dabei unpraktisch, einen Hubschrauber und einen separaten
Ballon durch ein Kabel miteinander zu verbinden, wobei sich die Frage ergibt, wie die Gesamteinrichtung reagieren würde,
wenn der Ballon verletzt oder zerstört und sich auf den drehenden Rotor herabsenken würde. Technologisch und aus Sicherheitsgründen
müßten die separaten Elemente zu einem einzi gen Hybrid-Fahrzeug vereinigt werden, wobei das Konzept separater
Einheiten aufgegeben würde. Die Erfindung wendet sich
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von dem vorstehend geschilderten Grundsatz ab und baut auf
dem Konzept separater, miteinander verbundener Einheiten der Einrichtung auf.
Die Erfindung baut auf einer völlig anderen Ausgangsbasis auf, als sie bei allen bisher vorgeschlagenen Hybrid-Ausführungen
benutzt wurde; sie beruht auf dem Fortfall der direkten Steuerung der Einheit leichter als Luft (LAL). Dies geschieht durch
Aufteilung des Hybrid-Fahrzeuges in separate Primärteile, von
denen die wichtigsten eine (obere) LAL-Einheit und eine (untere) SAL-Einheit des Senkrechtstarters (VTOL) (Flugzeug oder
Hubschrauber) sind, wodurch beim Schwebe- und Senkrechtflug große vertikale Kräfte erzeugt werden und wobei diese Kräfte
für die fortschreitende Bewegung in Jeder beliebigen Richtung schräg eingestellt werden können. Diese Einheiten bilden damit
einen völlig neuen Typ von Hybrid-Luftfahrzeug, welches als
Luft-Lastenhubeinrichtung funktioniert. Durch äußere Trennung der beiden Einheiten und Verbindung derselben mit einem elastischen
Zugelement bestimmter Länge, wie z. B. einem Kabel, entfällt die Notwendigkeit, die Position der LAL-Einheit
präzise zu manövrieren oder zu steuern. Die genaue Positionssteuerung und Manövrierung kommen nur für die VTOL-Einheit
und die Nutzlast in Betracht. Diese Einrichtung kann als Hubleitungs-Luftfahrzeug-Einrichtung, kurz "Lilac" bezeichnet
werden. Bei entsprechender Leitungslänge schwebt die LAL-Einheit frei in erheblicher Höhe über der VTOL-Einheit, wobei
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Jede Einheit während sämtlicher Flugweisen, vom Schwebeflug bis hin zum Marschflug, einen Teil des Gesamtauftriebes bewirkt.
Die VTOL-Einheit wird gesteuert, um eine genaue Positionierung der Einheit und der Nutzlast zu ermöglichen; der
Einfluß der Bewegungen der LAL-Einheit auf die VTOL-Einheit, wie ζ.Β, infolge von Windeinwirkung, wird wesentlich reduziert,
insbesondere wenn das Kabel mit Vorrichtungen an der VTOL-Einheit befestigt ist, die die auf die VTOL-Einheit durch den
Zug des elastischen Zugelementes einwirkenden Momente begrenzen. Hat die LAL-Einheit Stromlinienform und besitzt sie stabilisierende
Schwanzflossen (Luftschiff), wird sie sich bei sämtlichen Flugweisen frei in den jeweiligen Wind drehen und
damit die auf das Kabel ausgeübte Zugkraft auf ein Minimum reduzieren. Die LAL-Einheit wird im wesentlichen wie ein Drachen
über der VTOL-Einheit schweben. Bei diesem System kann das Mitführen von Ballast und das Abblasen von Traggas (Helium)
entfallen, da die VTOL-Einheit eine steuerbare Vertikalkraft für Steigflug und Sinkflug liefert. Dies stellt eine
der Aufgaben der Erfindung dar.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, die VTOL-Einheit
so an den Kabeln (LAL-Einheit und Nutzlast) zu befestigen, daß die Schubkraft der VTOL-Einheit im Verhältnis
zum Kabel ohne weiteres schräg eingestellt werden kann, indem man die Fähigkeit der Kabel, Momente auf die VTOL-Einheit auszuüben,
durch Befestigungsvorrichtungen begrenzt, die zu diesem Zweck entwickelt wurden.
Diese Schrägstellung des Schubvektors wird für Steuerung und
fortschreitende Bewegung ausgenutzt. Eine anhaltende Translationskraft wird benutzt, um sowohl LAL-Einheit als auch VTOL-Einheit
zu bewegen. Je nach Aufbau der VTOL-Einheit und nach der angewandten Art zu ihrer Befestigung am Kabel, kann die
Schrägstellung im Hinblick auf den Winkel begrenzt oder unbegrenzt
sein. Die Steuerung des Neigungswinkels der VTOL-Einheit kann mit Hilfe eines von mehreren bekannten Mitteln erfolgen,
wie z.B. durch herkömmliche Steuerflächen im Strahl des Schuberzeugers, durch Anwendung einer periodischen Blattsteigungssteuerung
bei Rotoren und Propellern, durch buchstäbliches Schrägstellen des Schuberzeugers selbst im Verhältnis
zur Zelle der VTOL-Einheit oder durch Schrägstellen der gesamten VTOL-Einheit im Verhältnis zum Kabel durch Benutzung
eines mechanischen Antriebes, wie z.B. eines motorgetriebenen Räderwerkes.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die VTOL-Einheit
dazu zu benutzen, sowohl den Auftrieb als auch den Vortrieb wirksam sicherzustellen. Der Auftrieb addiert sich
zum Auftrieb der LAL-Einheit; diese Unterteilung des Auftriebes kann erfolgen,um Jedem gewünschten Betriebszustand zu entsprechen.
Bei einer derartigen Aufstellung trägt die LAL-Einheit nur das Gewicht der mit Kraftstoff und Besatzung beladenen
VTOL-Einheit, während die Nutzlast von der VTOL-Einheit hochgehoben wird. Wenn daher die VTOL-Einheit nicht in
Ab
Betrieb ist, hält die Nutzlast das System im wesentlichen am Boden fest. Wird die Nutzlast entfernt, so erhält das gesamte
Hybrid-Luftfahrzeug Auftrieb und kann an einer Halteleine in einer bestimmten Höhe schweben. Dies ergibt eine wünschenswerte
Sicherheit, da das Abwerfen von Nutzlast während eines Notfalles, wie z.B. bei einem Motordefekt, für das Luftfahrzeug
die Möglichkeit bringt, allein aufgrund des Auftriebes in der Luft zu bleiben.
Mit der Einrichtung nach der Erfindung soll auch ein leichter und schneller Austausch einer SAL-Einheit durch eine andere,
unterschiedlichen Typs und Größe ermöglicht werden, z.B. Austausch eines Flugzeuges durch einen Hubschrauber, während
dieselbe LAL-Einheit beibehalten wird. Dies ermöglicht die bessere Anpassung an unterschiedliche Einsatzzwecke des Hybrid-Luftfahrzeuges.
Beispiele für solche Einsatzmöglichkeiten sind kurze Transporte schwerer Hublasten (Hubschrauber-Einsätze),
VTOL-Beförderung von Fracht und Passagieren über eine größere Entfernung bei höherer Geschwindigkeit (Flugzeug-Einsätze)
und Langstreckeneinsätze wie beispielsweise für Seepatrouillen der Marine und des Küstenschutzes. Das
grundlegende Kabelsystem (Hubleitung) ermöglicht den leichten Austausch dieser SAL-Einheiten, bei denen es sich um VTOL-Flugzeuge
oder Hubschrauber handeln kann. Umgekehrt eignet sich das System für den Austausch einer LAL-Einheit gegen
eine andere, die, wenn gewünscht, sogar eine unterschiedliche Größe aufweisen kann, wodurch ein sehr elastisches System
- 10 - r r ,
entsteht, das unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht wird.
Die Erfindung soll ferner den Einsatz unterschiedlicher Anordnungen
der Hubleitung zur Anpassung an verschiedene Arten von VTOL-Flugzeug-Einheiten oder unterschiedliche Hubschrauber-Konfigurationen
zur Anbringung am Kabelsystem gewährleisten. VTOL-Flugzeug-Einheiten können mit Jedem der bekannten Antriebskonzepte
arbeiten, von solchen mit wKipprotoren11 bis
hin zu solchen, die nur mit Strahlschub arbeiten. Aus Gründen des Nutzungsgrades wird Kipprotorausführungen der Vorzug gegeben,
wobei es sich um eine Einfach- oder Mehrfach-Kipprotor-Konfiguration mit Kippflügeln oder starren Flügeln handeln
kann. Hubschraubersysteme können Rotoren mit mechanischem Antrieb oder Blattspitzenantrieb aufweisen. Rotoren mit mechanischem
Antrieb können Einfach- oder Mehrfach-Hauptrotorausführungen sein (z.B. Zwillings-Seitenrotoren, Tandem-Rotoren
usw.).
Die Einrichtung nach der Erfindung soll es auch erlauben, die Hubleitung als Grundlage für die Anbringung eines einfachen,
drehmomentlosen Hubschrauberrotors mit Blattspitzenantrieb zu benutzen, indem man das Kabel auf wirksame Weise durch die
Nabe führt, so daß der Rotor tatsächlich um das Kabel rotiert, wobei das Kabel nur ein geringes oder gewähltes Kippmoment
auf die Rotornabe ausübt. Das Verfahren der Anbringung der Rotornabe am Kabel ist so beschaffen, daß sich die Rotorebene
im Verhältnis zum Kabel erheblich neigen läßt mit dem Zweck,
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die spätere Neigung des Kabels ohne äußere Störung beim Schleppen der SAL-Einheit durch den Rotor zu ermöglichen,
während nach wie vor die für den Vorwärtsflug des Luftfahrzeuges erforderliche Vorwärtsneigung des Rotors erzielt wird.
Der Ansatz mit einem Einfach-Rotor mit Blattspitzenantrieb ist besonders vielversprechend bei Rotoren mit großem Durchmesser
und geringer Kreisflächenbelastung, weil damit die Erzeugung eines vertikalen Auftriebs mit relativ geringer
Leistung möglich wird und Rotorgetriebe sowie Gegendrehmomentvorrichtungen entfallen. Kabel sowie LAL-Einheit ermöglichen
die Anbringung des Rotors in ausreichender Höhe über allen Hindernissen am Boden, trotz des erwarteten erheblichen
Blatt-Droops, so daß Starten und Stoppen keinerlei Probleme bieten. Wenn es zur Ausschaltung von Blattwurzel-Biegebelastungen
und -beanspruchungen und zur Verringerung des Rotorblattgewichts erwünscht ist, bietet das Hubleitungskonzept
die Möglichkeit, ohne die Notwendigkeit von Drocp-Stops horizontal
angelenkte oder elastisch befestigte (schlagende) Blätter einzusetzen. Wenn sich die Blätter nicht drehen,
hängen sie am Kabel herab und werden oberhalb aller Hindernisse gehalten.
Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, das Kabel zu benutzen, um die Stabilisierung der Lage der SAL-Einheit zu
unterstützen. Wegen der Spannung im Kabel und wegen der relativen Stabilität der LAL-Einheit, die ihre Stellung langsam
verändert, bietet das Kabel einen guten Anhaltspunkt für
- 12 -
Γ ι
Pi « Λ.
^ede Neigungsabweichung der SAL-Einheit. ¥ird diese Information
dem Steuersystem der SAL-Einheit eingegeben, so kann sie zur Stabilisierung der Lage der Einheit benutzt werden. Die Steuerung
der SAL-Einheit und der LAL-Einheit wird vorzugsweise und hauptsächlich in elektrischer Ausführung vorgesehen werden,
wie sie allgemein inter der Bezeichnung "fly-by-wire"
bekannt ist» Dadurch kann der Pilot an jeder beliebigen Stelle agieren: in der LAL-Einheit, SAL-Einheit oder im Nutzlast-Pod.
"Fly-by-wire" macht es leichter, die Kabellage zur Stabilisierung
einzusetzen, und funktioniert auch gut mit den elektronischen Rechnern, die im Rahmen der Steuer- und Stabilisierungssysteme
des Luftfahrzeuges zum Einsatz kommen mögen.
Auch bezweckt die Erfindung den Einsatz der Hubleitung als Mittel zur Anbringung einer Vielzahl von SAL-Einheiten in
Tandem-Anordnung, eine über der anderen, unterhalb der LAL-Einheit.
Dadurch läßt sich die Gesamt-Hubleistung vervielfachen,
ohne daß neue, größere SAL-Einheiten oder eine neue LAL-Einheit entwickelt werden müssen. Ein derartiger Tandem-Betrieb
von Mehrfacheinheiten gleicht dem Einsatz von Eisenbahn-Tandemloks vor langen, schwer beladenen Zügen. Die verschiedenen
SAL-Einheiten können, wenn gewünscht, von gleicher oder von unterschiedlicher Ausführung sein (z.B. VTOL-Flugzeuge
und Hubschrauber), um bestimmte Leistungsziele zu erreichen. Bei dieser SAL-Mehrfachanordnung braucht die LAL-Einheit
nach wie vor nur die erste VTOL-Einheit zu heben,
die nach erfolgtem Start die nächste SAL-Einheit hebt. Dieser Prozeß wiederholt sich, bis sämtliche Einheiten in Betrieb
sind. Natürlich ist es auch möglich, eine Vielzahl von LAL-Einheiten
in Tandemanordnung an einer Hubleitung angebracht einzusetzen, die sich über der ersten LAL-Einheit befindet,
um den Gesamt-LAL-Auftrieb zu vergrößern. Die Hubleitung
müßte in ausreichender Stärke vorgesehen werden, um den zusätzlichen Zugkräften standzuhalten. Ein zusätzlicher Zweck
der Erfindung besteht darin, ein zweckmäßiges Mittel für die Einbeziehung herkömmlicher Flugzeugtragflächen als Hubvorrichtungen
zu schaffen, um so den Leistungsgrad bei Vorwärtsflug zu verbessern. Derartige Tragflächen mit den erforderlichen
aerodynamischen Stabilisationsflächen werden an der Leitung über der SAL-Einheit angebracht und sind so ausgebildet,
daß sie bei Vorwärtsflug einen Teil des Nutzlastgewichts oder das gesamte Nutzlastgewicht tragen. Es kann eine einzelne
Tragfläche oder es können tandemförmig übereinander angeordnete Mehrfachtragflächen verwendet werden. Durch Verwendung
separater Tragflächen, die sich während des Überganges zwischen Senkrecht- und Vorwärtsflug nicht mit der SAL-Einheit
neigen, kann die SAL-Einheit selbst mit minimaler Flügelfläche ausgelegt werden, die gerade ausreicht, um die für die SAL-Einheit
erforderliche Trägerkonstruktion zu bilden, wodurch die aerodynamischen Probleme der Tragfläche während des Übergangsfluges
minimiert werden. Es handelt sich dabei um grundlegende Probleme von Kippflügel-Propeller-Flugzeug-Konstruktionen,
die den Einsatz von Kipprotoren mit kleinem Durchmes-
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-Ve-
ser anstelle der vorzuziehenden Ausführungen mit größerem Durchmesser erzwingen. Außerdem befinden sich die Tragflächen,
indem, man sie über der SAL-Einheit anordnet, nicht im
Kipprotor-Abwind, eine Situation, die Nachteile mit sich bringt, wenn die Flügel horizontal bleiben und nicht gekippt
werden. Ein weiterer Vorteil von Tragflächen, die von der SAL-Einheit
getrennt sind, besteht in ihrer Querneigungsfreiheit bei Vorwärtsflug im Hinblick auf eine Verbesserung der Wendeleistung
von Hybrid-Luftfahrzeugen. Im allgemeinen beschränkt das Anbringungssystem der voll kippbaren SAL-Einheiten an der
Hubleitung deren Querneigungsfähigkeit und man muß sich der Drehung des Vortriebskraftvektors bedienen, um das Hybrid-Luftfahrzeug
in Verbindung mit den Rudern der LAL-Einheit und den Seitenkrafterzeugern dieser SAL-Einheit zu wenden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Flexibilität
bei der Unterbringung der Besatzung oder Nutzlast in den Einheiten zu bewirken, die das gesamte Luftfahrzeug
ausmachen, nämlich die LAL-Einheit, die SAL-Einheit und die am Kabel aufgehängte Nutzlast-Pod-Einheit. Die Besatzung kann
in jeder beliebigen dieser Einheiten untergebracht werden, ebenso in einer beliebigen Spezialgondel an der Hubleitung.
Falls es unter Notfallbedingungen erforderlich ist, kann die Nutzlast abgeworfen werden, so daß das Luftfahrzeug alleinaufgrund
der Auftriebskraft in der Luft verbleibt. Da die Besatzung im Nutzlast-Pod untergebracht ist, hat sie beim Manövrieren
des Pods oder der Nutzlast in eine gewünschte Posi-
- 15 - COPf '
tion eine bessere Sicht. Ist die Besatzung in den oberen Einheiten
untergebracht, so kann ein TV-System erforderlich sein, um derartige Manöver zu ermöglichen. Durch Unterbringung der
Besatzung in der LAL-Einheit, im Nutzlast-Pod oder in einem
Spezial-Pod wird der Flug ruhiger, störungsfreier und unterliegt "geringeren Erschütterungen. Die Nutzlast könnte direkt
in der SAL-Einheit selbst befördert werden, wodurch das separate Pod entfiele, aber dadurch würden Konstruktion und Freiheit
der Konzeptwahl bei der SAL-Einheit beeinträchtigt (z.B. Einsatz eines völlig schrägliegenden Flugzeuges). Zur Erhöhung
der Sicherheit der Besatzung und der Passagiere im Nutzlast-Pod kann ein Fallschirm in das Pod einbezogen werden.
Bei richtiger Pod-Auslegung kann bei Fallschirmabsprüngen nach
Abwurf außenliegender Nutzlast ein hoher Sicherheitsgrad für die Insassen erzielt werden.
Ein weiterer Zweck dieser Erfindung besteht darin, die Notwendigkeit
eines Hangars oder eines Vertäumasts oder.irgendeiner direkten Vertäuung der LAL-Einheit in Bodenhöhe, außer
bei besonderen Gelegenheiten wie dem Aufpolieren der LAL-Einheit, auszuschalten. Bei diesem Hybrid-Luftfahrzeug kommt zu
der LAL-Einheit direkt nur wenig oder gar kein Gewicht außer dem hinzu, das zur Befestigung des Kabels, zur Betätigung des
Steuerwerks und zur Aufrechterhaltung des Gasdruckes erforderlich ist. Damit ist der Auftrieb bei der LAL-Einheit nahezu
der mögliche Höchstwert, um das obere Kabel Jederzeit unter Spannung zu halten, was zu dem steilsten Kabelwinkel führt, der
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bei starkem Wind erreichbar ist und zur größten Höhe für eine bestimmte Kabellänge. Weiterhin ist die Kabelbefestigung bereits
für das Festmachen bei Wind geeignet, da sie entsprechend konstruiert sein muß,im die LAL-Einheit in der Luft während
eines Marschfluges durch die Luft zu schleppen.
Die Erfindung soll ferner die Bewegung des Hybrid-Luftfahrzeuges in Bereichen ermöglichen, die zu klein sind, um eine
Landung der SAL-Einheit oder der LAL-Einheit zu gestatten. Da diese Einheiten sich reichlich oberhalb der Nutzlasteinheit
an der Hubleitung befinden, werden sie Transportvorgänge zu relativ kleinen, freien Flächen bzw. von dort aus nicht behindern.
- Auch soll die LAL-Einheit als Luftkran einsetzbar sein, wenn an der SAL-Einheit oder am Nutzlast-Pod Wartungsund
Reparaturarbeiten erforderlich sind. Das Hubleitungssystem gestattet das Absenken und Drehen der SAL- und Nutzeinheiten,
um viele Bereiche für das Bodenpersonal in Hüft- bis
Schuiterhöhe leicht zugänglich zu machen. Wartung, Aufpolieren, Austausch von Bauteilen und kompletten SAL-Fahrzeugen
können unter relativ einfachen Bedingungen ohne weiteres im Freien ausgeführt werden.
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgaben dienen die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches und die Merkmale der Unteransprüche.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung
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nach der Erfindung dargestellt und zv/ar zeigt
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des Hybrid-Luftfahrzeugs im Senkrechtflug unter Verwendung einer Hubschrauber-Einheit
mit Blattspitzenantrieb, schwerer als Luft,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Kabeleinheit längs der Linie
2-2'der Fig. 1,
Fig. 3 eine Teilansicht des Hubschrauberrotors mit Blattspitzenantrieb
nach Fig. 1, Jedoch ohne Einzelheiten,
Fig. 4 einen teilweisen Schnitt durch den Hubschrauberrotor nach der Linie 4-4 der Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht des NabenbensLchs
des Hubschrauberrotors mit Blattspitzenantrieb der Fig. 1,
Figo 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig 1, die das Hybrid-Luftfahrzeug
beim Vorwärtsflug und beim Tragen einer Nutzlast zeigt,
Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1 und 6, die das Hybrid-Luftfahrzeug im Vorwärtsflug und ohne Nutzlast
darstellt,
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Fig. 8 eine Seitenansicht einer mechanisch angetriebenen Hubschraubereinheit für den Einsatz im Rahmen des Hybrid-Luftfahrzeuges,
Fig. 9 einen Querschnitt des gekrümmten Schienen- und Rollensystems,
mit dem die Kippachse der Hubschraubereinheit an eine ausgewählte vertikale Stelle innerhalb der
Hubschraubereinheit gebrachtverden kann, längs der Linie 9-9 der Fig. 8,
Fig. 10 eine schematische Seitenansicht einer Hubschraubereinheit mit Blattspitzenantrieb und klappbaren Rotorblättern,
die die an der Hubleitung angebrachte Hubschraubereinheit zeigt,
Fig. 11 eine schematische Seitenansicht einer Hubschraubereinheit mit Blattspitzenantrieb, bei der die Blätter an
der Nabe mittels elastischer Elemente in Form von Kabeln befestigt sind,
Fig. 12 einen schematischen Grundriß einer der Rotorblatteinheiten
der Hubschraubereinheit nach Fig. 11,
Fig. 13 eine schematische Seitenansicht des Hybrid-Luftfahrzeuges,
bei dem mehrere Hubschraubereinheiten tandemförmig
an der Hubleitung angebracht sind,
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cow]
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Fig. 14 eine Darstellung des Hybrid-Luftfahrzeuges, wobei an
der Hubleitung ein einziges Kipprotor-VTOL-Flugzeug
angebracht ist,
Fig. 15 eine Seitenansicht des VTOL-Flugzeuges gemäß Fig. 14, der die Kabeldurchbiegung und die Lage der Flugzeugeinheit
im fortschreitenden Flug bei geringer Geschwindigkeit zeigt,
Fig. 16 eine Rückansicht der Flugzeugeinheit und des Kabelsystems
nach Fig. 15,
Fig. 17 eine Darstellung einer an der Hubleitung angebrachten Doppel-Kipprotor-VTOL-Flugzeugeinheit, die das
Flugzeug im Vertikalflug zeigt,
Fig. 18 eine Vorderansicht des Hybrid-Luftfahrzeuges im fortschreitenden
Flug unter Einsatz einer Hubschraubereinheit und eines einzelnen Kipprotor-VTOL-Flugzeuges,
die tandemförmig an der Hubleitung angebracht sind und
Fig. 19 eine Seitenansicht des Hybrid-Luftfahrzeuges der Fig. 18.
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Die vorzuziehende Ausführungsform der Erfindung richtet sich nach den für den Betrieb des Hybrid-Luftfahrzeuges
vorgesehenen Einsatzzwecken, wie auch aus den verschiedenen Ausführungsformen der
Erfindung ersichtlich wird. Handelt es sich bei den Einsätzen des Luftfahrzeuges vornehmlich um den
Transport schwerer Lasten über kurze Entfernungen, so ist' die Ausführungsart gemäß Fig. 1 vorzuziehen
und besteht aus drei Haupteinheiten, einer stromlinienförmigen
LAL-Einheit 1, einer Hubschrauber— einheit 2 und einer Steuereinrichtung, die eine
Konstruktion wie beispielsweise das Nutzlast-Iod 3 enthält. Diese sind durch ein oberes Kabel 6 und
ein unteres Kabel 7 miteinander verbunden. Die Nutzlast 4 wird mittels der Frachteinrichtung 5 vom
Nutzlast-Pod 3 getragen. Die abgebildete LAL-Einheit 1 ist ein Luftschiff in unstarrer Ausführung
(Kleinluftschiff) mit vertikalen Flossen 8, Rudern 9, horizontalen Flossen 10 und Höhenrudern 11. Am
Boden des Kleinluftschiffes 1 ist ein stromlinienförmiges
Bod 12 angebracht, das einen nicht abgebildeten Verbrennungsmotor als Antrieb zur Betätigung
des Luftschiff-Steuersystems enthält, wodurch die Kabeleinrichtung 13 in Längsrichtung verschoben,
das nicht abgebildete Ballonet des Kleinluftschiffes unter Druck gesetzt und eine nicht abgebildete
Winde für Kabel 6 betätigt wird. Das Iod
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ist an der Gaszelle in· herkömmlicher Weise durch
Lastverteilungsgurte, Kettenaufhängungen und dergleichen befestigt. Die obere Kabeleinrichtung 13
ist normalerweise unterhalb des Auftriebsmittelpunktes 14 des Kleinluftschiffes angeordnet, während
sich das Kleinluftschiff in waagerechter Lage befindet.
Die Hubschraubereinheit 2, welche in den Fig . 3, 4 und 5 detaillierter dargestellt ist, ist die Minimalausführung
eines Hubschraubers ohne Rumpf und Fahrgestell. Die Hubschraubereinheit 2 besitzt
einen Rotor 15 mit zwei oder mehr Auslegerblättern 17, die über ein Verstellgelenk 18 an einer schrägstellbaren Nabe 16 befestigt sind. Die Schrägstellung
der Innennabe 19 erfolgt um die Kugel 24. Die Innennabe 19 ist mittels einer kleinen einzelnen
Kugel 20 mit der Kugel 24 verkeilt, die in eine halbrunde Muffe in der Innennabe 19 eingesetzt ist
und in einer halbrunden Nut 21 in Kugel 24 läuft. Die Kugel 20 ist auf der gewünschten Kippachse der
Nabe 16 angeordnet. Innennabe 19 und Außennabe 22 enthalten ein großes Lager mit Wälzkörpern 23, um
eine ungehinderte Drehung der Außennabe 22 und die Aufnahme der Axial- und Radialkräfte, die vom Hubschrauberrotor
erzeugt werden, zu ermöglichen. Die Kugel 24 ist starr an der festen Rohrwelle 25 angebracht,
die mit ihrem oberen Ende in ein Drehgelenk und einen Kabelanschluß 26 mündet, wie sie dem
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Fachmann beide bekannt sind. Der Kabelanschluß 26 ermöglicht, wenn nötig, die Abtrennung des Kabels
6. /'
Die Rohrwelle 25 erstreckt sich unterhalb der Kugel 24 und bildet eine Halterung für die Taumelscheiben-Gelenkkugel 27, die Taumelscheibe 28 und den
Richtungssteuerausleger 46. Wenigstens drei elektrische Betätigungselemente 29, die im gleichen Abstand
rund um die Welle 25 angeordnet sind, bewirken die Schrägstellung und vertikale Übersetzung
der Taumelscheibe 28, um so eine periodische und nichtperiodische Steigungssteuerung der Rotorblätter
17 zu bewirken. Um jede Drehung der Taumelscheibe 28 um die Welle 25 herum zu vermeiden, ist
die Taumelscheibe 28 mit Hilfe eines kugelförmigen Keils und einer kreisförmigen Keilnut ähnlich 20
und 21 in der Rotornabe 16 mit dem Kugelgelenk 27 verkeilt. Die Kugel 27 ist verschiebbar an Welle 25
verkeilt. Die elektrisch angetriebenen Betätigungselemente 29 sind mit ihrem unteren Ende drehbar am
Richtungssteuerausleger 46 befestigt, der mit Hilfe der Laschen 47 fest an der Welle 25 angebracht ist.
Die Betätigungselemente 29 sind mit ihrem oberen Ende drehbar an der Taumelscheibe 28 angebracht.
Vier im gleichen Abstand angebrachte Weggeber 31 sind an der Platte 30 befestigt, die eine Verlängerung
der Innennabe 19 darstellt, und diese messen
- 23 - _
3 4 2 Ί Ί Ί b -
den Abstand und den Neigungswinkel der Taumelscheibe 28 im Verhältnis zur Weggeber-Montageplatte 30.
Die von den Weggebern 31 kommenden elektrischen Signale werden über nicht abgebildete Stromleiter
an den elektronischen Signalprozessor 41 übertragen, der dann die nicht abgebildeten, elektrisch
angetriebenen Betätigungselemente an den Steuerflächen 54 über Stromleiter 42 mit Steuersignalen
versorgt, um eine periodische und nichtperiodische Steigungssteuerung der Rotorblätter 17 zu ermöglichen.
Die Weggeber 31 besitzen Federstäbe 32, die in Rollkugeln 33 enden. Diese werden jederzeit zwangläufig
gegen die glatte obere Fläche der Taumelscheibe 28 gedruckt und sorgen für unmittelbaren
Kontakt, ungeachtet der relativen Bewegung der Taumelscheibe 28 gegenüber der Weggeberplatte 30.
Die Welle 25 verläuft durch den Ausleger 46 und mündet in einem Anschlußstück 34 zur Befestigung
des unteren Kabels 7. Die Welle 25 dient auch als Anschluß 36 für die elektrischen Steuersignalleitungen
37 und als Anschluß 38 für die Kraftstoffleitungen 39, 39a, 39b und 39c. Elektrische Signale
von den nicht dargestellten Steuereinrichtungen des Piloten werden über die Leitungen 37 dem Signalprozessor
41 zugeführt, der die Eingabe von den Weggebern 31 integriert und über Stromleitungen 42
- 24 -
die Bewegung der Steuerflächen 54 in Nähe der Rotorblattspitzen
befiehlt. Alle Leiter 37 vom Signalprozessor 41 verlaufen innen durch die Hohlwelle
25 zum Schleifring 43 und von dort zu den Leitern 42. Die Leiter 42 liefern auch den elektrischen
Strom, der von Generatoren an den Motoren in Nähe der Rotorblattspitzen erzeugt wird. Die Stromleitung
50 tritt bei 51 in die Welle 25 ein und ist über Schleifring 43 an die Le-itungen 42 angeschlossen.
Kraftstoff für die Motoren in den Blattspitzenzellen 52 kommt vom Kraftstoffbehälter 40 durch
die Kraftstoffleitung 39, die durch die Hohlwelle 25 zum Drehgelenk 44 und von dort aus zu den elastischen
Kraftstoffleitungen 45 verläuft.
Die Betankungsleitung 39a liegt zwischen den in
ABB. 2 dargestellten Zugelementen 7a und steht mit dem Kraftstoffbehälter 4 0 in Verbindung und mündet
unten am Kabel 7 in einen herkömmlichen Betankungsanschluß, der nicht dargestellt ist. Der Kraftstoffbehälter
40 ist so mit dem Kabel 7 verbunden, daß er, wenn erforderlich, ohne weiteres ausgetauscht
werden kann. Am Kraftstoffbehälter 40 sind elektrisch angetriebene Kraftstoffpumpen, die nicht
dargestellt sind, angeordnet und diese fördern den Kraftstoff aus Behälter 40 zur Kraftstoffleitung
39. Während der Kraftstoffbehälter 40 als unterhalb
der Hubschraubereinheit angeordnet dargestellt ist,
- 25 -
ist davon auszugehen, daß der Kraftstoffbehälter auch oberhalb der Hubschraubereinheit angeordnet
sein könnte. Der Ausleger 46 erstreckt sich nach hinten bis zum Richtungssteuerrotor 48, der durch
E-Motor 49 angetrieben wird. Der Steuerrotor 48 ist die allgemein bekannte Ausführung mit steuerbarer
Anstellung, wie sie bei Hubschraubern mit Heckrotor zum Einsatz kommt. Der Strom für den E-Motor 49 und
die nicht dargestellten Betätigungselemente für die Blatt-Anstellwinkelverstellung wird über die Stromleitungen
50 zugeführt. Die Steuersignale vom Signalprozessor 41 kommen ebenfalls über die Leitungen
50, die mit Leitung 50a verbunden sind.
Der Rotor 15 wird durch den Schub der Turboprop-Einheiten 53 angetrieben, die in den Abteilen 52 in
Nähe der Spitze von Rotorblatt 17 angebracht sind. Die Turboprop-Einheiten 53 sind mit den bei solchen
Einheiten üblichen Steuerorganen für konstante Drehzahl ausgerüstet. Hinten an den Abteilen 52
befindet sich eine horizontale, vollständig bewegliche Steuerfläche 54, die bei 55 angelenkt ist und
durch nicht dargestellte elektrische Betätigungselemente bewegt wird, um Verstellmomente für Blatt
17 zu bewirken. Die Betätigungselemente werden mit Strom aus Motorgeneratoren betrieben. Eine nicht
dargestellte elektrische Verdrahtung im Innern der Rotorblätter verbindet sämtliche Generatoren mit-
-26 -
einander, so daß der Ausfall eines" Generators keinen Steuerungsverlust an irgendeiner Steuerfläche
bewirkt. Die Anstellwinkelverstellung von Blatt 17 erfolgt an Scharnier 18. Das Blatt 17 ist am Scharnier
18 in der Weise befestigt, wie es im Fach üblich ist, um eine freie Anstellwinkelverstellung zu
ermöglichen, während die Blatt-Zentrifugal- und Biegebelastungen in die Nabe 16 eingehen. Im Verstellgelenk
18 sind nicht dargestellte Verstellanschläge zur Begrenzung des positiven und negativen
Blattanstellwinkels eingebaut.
Das Nutzlast-Iod 3 ist über einen kombinierten Dreh- und Kabelanschluß 35 mit dem unteren Kabel 7
verbunden, welcher ähnlich der Vorrichtung 26 ist, die oben an der Welle 25 mit Kabel 6 benutzt wird.
Das Bod 3 besitzt ein Cockpit 58 für die Besatzung, nicht dargestellt Filot-Steuerorgane, einen elektrisch
angetriebenen und gesteuerten Richtungssteuerrotor 56, ein Fahrgestell 57 und eine steuerbare
Frachtabwurfeinrichtung 5. Der Steuerrotor 48 gleicht dem Steuerrotor 48, hat jedoch eine andere
Größe, und er wird über die Stromleitungen 37 mit elektrischem Strom versorgt.
Die Kabel 6 und 7 werden mit Doppel-Aramid-Gurten 7a hergestellt und die Strom- und Kraftstoffleitun-
- 27-
3421115 ■*!::" ': iTV ." .
gen liegen gemäß Fig. 2 dazwischen. Dadurch entsteht eine Stromlinienform, die den Windwiderstand reduziert. Die Kraftstoffleitung 39a im Innern des Kabels 7 ist rund, wenn sie während des Auffüllens von Behälter 40 unter Druck steht, und oval, wenn kein Betankungsdruck ansteht. Die Kraftstoffleitung 39b, welche mit dem Pod 12 am Kleinluftschiff 1 verbunden ist, besitzt nur einen geringen Durchmesser, da sie nur ein relativ geringes Kraftstoffvolumen bewältigen muß; sie verändert ihre runde Form nicht. Eine Vielzahl vertikaler Flossen 59 an den Enden kurzer Ausleger sind in geeignetem Abstand an den Kabeln 6 und 7 über deren Länge angeklemmt, um ein Flattern der Kabel möglichst gering zu halten und die Kabel im Verhältnis zum Luftstrom so ausge-
gen liegen gemäß Fig. 2 dazwischen. Dadurch entsteht eine Stromlinienform, die den Windwiderstand reduziert. Die Kraftstoffleitung 39a im Innern des Kabels 7 ist rund, wenn sie während des Auffüllens von Behälter 40 unter Druck steht, und oval, wenn kein Betankungsdruck ansteht. Die Kraftstoffleitung 39b, welche mit dem Pod 12 am Kleinluftschiff 1 verbunden ist, besitzt nur einen geringen Durchmesser, da sie nur ein relativ geringes Kraftstoffvolumen bewältigen muß; sie verändert ihre runde Form nicht. Eine Vielzahl vertikaler Flossen 59 an den Enden kurzer Ausleger sind in geeignetem Abstand an den Kabeln 6 und 7 über deren Länge angeklemmt, um ein Flattern der Kabel möglichst gering zu halten und die Kabel im Verhältnis zum Luftstrom so ausge-
richtet zu halten, daß nur ein geringer Windwiderstand entsteht=
Bei der vorzuziehenden Ausführungsart der Erfindung
ist die Größe der LAL-Einheit 1 so bemessen, daß das volle Bruttogewicht des kompletten Luftfahrzeugs
abzüglich eines bestimmten Anteils des Nutzlast-Gewichts bei Senkrechtflug durch Auftrieb angehoben
wird, während der betreffende Teil dem dynamischen Auftrieb des Hubschrauberrotors 15
überlassen bleibt. Wenn also die Nutzlast entfernt wird, ist der Auftrieb größer als das Gewicht des
Luftfahrzeugs und der Rotor muß seinen Schub um-
- 28 -
kehren und nach unten richten, *üm "den "Steig- und
Sinkflug des Hybrid-Luftfahrzeuges zu steuern und das Nutzlast-PDd mit dem Boden in Berührung zu halten,
bis das Luftfahrzeug ordnungsgemäß an der Halteleine
liegt. Die Größenordnung des eingebauten Auftriebes zur Beförderung der Nutzlast oder, umgekehrt,
des zum Anheben der Nutzlast eingesetzten Rotorschubes ist keine willkürliche Entscheidung,
sondern basiert auf Überlegungen in Verbindung mit solchen Faktoren wie: erforderliche Manövrierfähigkeit,
Anschaffungskosten des Luftfahrzeuges, Betriebskosten,
Marschgeschwindigkeit, Betriebshöhen usw.
Während für spezielle Operationen bei geringer Geschwindigkeit und über kurze Entfernungen ein
kugelförmiger Ballon als LAL-Einheit benutzt werden könnte, so daß der Auftrieb mit geringeren Kosten
als bei einem entsprechenden Kleinluftschiff erzeugt
würde, wird doch letztere Lösung bevorzugt, da sie zu einem flexibleren Hybrid-Luftfahrzeug
führt, das mehr Aufgaben auf wirksamere Weise ausführen kann und unter sich ändernden Betriebsbedingungen,
wie z.B. bei Windeinwirkung, insgesamt bessere Betriebseigenschaften aufweist. Man wird jedoch
verstehen, daß der Einsatz einer LAL-Einheit in Ballonform mit dem Hubleitungssystem nicht ausgeschlossen
ist, wenn dies bei speziellen Aufgabenstellungen wirtschaftlich vorzuziehen ist.
- 29 -
3421 Ί Ί b - \J : i \: - . -.-
Zum Positionieren des Nutzlast-Pods 3 und der Nutzlast
4 bei Schwebe-, Senkrecht- und Langsamflug wird die Hubschraubereinheit 2 waagerecht und senkrecht
bewegt, während die LAL-Einheit 1 langsam folgt, ohne jedoch die Bewegung der Hubschraubereinheiten
allzusehr einzuschränken. Dadurch wird ein weit schnelleres Manövrieren von Pod 3 und
Nutzlast 4 möglich als im Falle von Hybrid-Systemen, bei denen die LAL-Einheit starr an die Hubschraubereinheit
angekoppelt ist. Um die senkrechte Manövriergeschwindigkeit des Nutzlast-Pods zu verbessern,
bedient man sich der kinetischen Energie des hochträgen Rotors 15 mit seinen an den Blattspitzen angebrachten Turboprop-Einheiten 53, um am
oberen Kabel 6 durch schnelle nichtperiodische Blatt-Steigungsverstellungen eine Änderung der vertikalen
Kraft, positiv und negativ, herbeizuführen. Diese Kraftveränderungen können mit dem Einsatz
einer automatischen Lastbegrenzungs- und Rückspulwinde im oberen Kabelsystem gekoppelt werden, um
den erforderlichen Zeitaufwand für die Vertikalbewegung des Nutzlast-Pods und der Nutzlast gegenüber
dem Zeitaufwand bei Einsatz eines Kabels mit fester Länge zu reduzieren. Ein Kabel mit fester Länge
macht die Beschleunigung der LAL-Einheit 1 zusammen mit dem Nutzlast-Pod 3 und der Nutzlast 4 erforderlich,
wodurch das Manövrieren in vertikaler Richtung verlangsamt wird«,
- 30 _
GOP*
Der Pilot und die übrigen Besatzungsmitglieder befinden sich im Nutzlast-Pod 3, sind also bei Verankerung
des Luftfahrzeuges am Boden in der Nähe der Nutzlast 4 und in Bodennähe. Die Nutzlast 4 wird
außen an einer Verlängerung des durch das Nutzlast-Pod 3 verlaufenden Kabels 7 mitgeführt, welche
leicht ausgeführt und mit dem Kabel 7 verbunden ist. Das Pod 3 besitzt ein Fahrgestell 57 sowie
Einrichtungen zur starren Ankoppelung an die Nutzlast. Die Richtungssteuerung von Pod 3 und Nutzlast
4 wird durch Einsatz eines Richtungssteuer (Heck-) rotors 56 bewirkt, der entweder durch einen E-Motor
angetrieben wird, welcher aus den Turboprop-Einheiten 53 mit Strom versorgt wird, oder aber durch
einen Verbrennungsmotor im Nutzlast-Pod selbst. Die
Ruderfußhebel des Piloten sind mit dem Heckrotor 56 an Pod 3 verbunden, und ein nicht dargestelltes
Sensorsystem am Nutzlast-Pod 3 übermittelt Signale an das Richtungssteuersystem der Hubschraubereinheit,
um die Hubschraubereinheit 2 richtungsmäßig mit dem Nutzlast-Pod 3 auszurichten. Wenn das Luftfahrzeug
bei Vorwärtsflug wendet, schwenken Pod 3 und Nutzlast 4 automatisch mit dem Kabel 7, wobei
eine automatische Querneigung stattfindet, so daß die Insassen, das Pod 3 und die Nutzlast 4 keinerlei
Seitenkräften ausgesetzt sind. Das Pod 3 verfügt zusätzlich über eine Höhenflosse 56a, die bei
Vorwärtsflug Längsstabilität verleiht. Es ist davon
p—
PFj
auszugehen, daß Pod 3 keine geschlossene Konstruktion zu sein braucht, sondern es könnte sich dabei
um eine offene Plattform handeln. Statt die Nutzlast
von außen zu sichern, könnte die Nutzlast innerhalb des Pod befördert werden.
Die Steuerorgane des Piloten für Längssteuerung, Seitensteuerung, nichtperiodische Steigungssteuerung
und Drosselklappe sind auf elektrischem Wege mit der Hubschraubereinheit 2 verbunden und bewirken
die Fernsteuerung der Bewegung der Taumelscheibe 28, der nichtperiodischen und periodischen Steigungswinkel
und der Motorleistungseinstellung. Die Befehle des Piloten gehen in den elektronischen
Signalprozessor 41 ein, wo sie mit Eingabewerten für Stabilisierung und Autopilot kombiniert werden,
um die Rotorsteuerorgane mit richtigen Steuersignalen zu versorgen.
Die vorzuziehende Steuermethode für den blattspitzengetriebenen
Rotor 15 erfolgt über die Steuerflächen 54 in Nähe der Blattspitzen gemäß Fig . 3.
Die Steuerflächen 54 bedienen sich aerodynamischer Kräfte, um die Blätter 17 im Anstellwinkel zu verstellen.
Bei einem derartigen System unterliegt die Taumelscheibe 28 oder die Welle 25 der Hubschraubereinheit
2 praktisch keinerlei Reaktion, wenn die Steuerkräfte eingesetzt werden, um die Taumelschei-
- 32 -
be 28 zu bewegen. Die bei fast allen heutigen Hubschraubern angewandte, gebräuchlichere Art der
Blattsteigungssteuerung besteht darin/ Kräfte auf Arme in der Nähe der Blattwurzel einwirken zu lassen.
Diese Kräfte sind erheblich und erfordern eine Reaktion durch die Zelle über die Taumelscheibe.
Bei der geringen Zellenträgheit, die der Hubschraubereinheit 2 zur Verfügung steht, um auf diese
Kräfte und deren daraus folgende Momente auf die Zelle zu reagieren, ist es erforderlich, die auf
das Ober- und Unterteil der Welle 25 einwirkende Leitungsspannung zu benutzen, um die zur direkten
Steuerung der Winkel der Rotorblätter 17 erforderliche Reaktion herbeizuführen. Wenn die untere Leitung
7 leicht belastet ist, d.h. keine Nutzlast trägt, ist die Fähigkeit der Welle, auf die Belastungen
der Taumelscheibe 28 zu reagieren, ernsthaft beeinträchtigt.
Es versteht sich, daß zwar in Fig. 5 eine Taumelscheibe 28 dargestellt ist, die durch elektroraechanische
Betätigungselemente bewegt wird, doch ist es natürlich möglich, das mechanische System und die
neigbare Taumelscheibe wegzulassen und durch ein komplizierteres System mit Festkörperelektronik und
Sensoren zu ersetzen. Dadurch würde die Lage der Rotorebene (Blattspitzenebene) zu einer gyroskopisch
festgelegten Bezugsebene in Beziehung gesetzt,
- 33 -
ο 4· Δ I i I ϋ _
Die Rotorlage würde nach wie vor durch periodische Wirkung der Steuerflächen 54 in Nähe der Blatt-
spitzen gesteuert. Der Rotorschub würde durch nichtperiodische Bewegung der Steuerflächen 54
unter Verwendung eines Schubsensors zur Bestimmung der Bewegungsgröße gesteuert.
Der Rotor 15 hat zwei Betriebsarten. Wenn der Auftrieb geringer ist als das Gewicht des Luftfahrzeugs,
wirkt der Rotor nach herkömmlicher Hubschrauberart, erzeugt einen positiven Schub und
neigt die Blattspitzenebene in Richtung auf die gewünschte Bewegung, wie in Fig. 6 dargestellt.
Eine vollständige Steuerung des Flugweges wird in gleicher Weise wie beim Hubschrauber bewirkt, indem
man Rotorschub (nichtperiodische Blattsteuerung und Drosselung) und die Neigung der Blattspitzenebene
(periodische Steigung) verstellt. Wenn der Auftrieb jedoch größer ist als das Gewicht des Luftfahrzeugs,
wie beispielsweise nach Entfernen der Nutzlast, so muß der die negative Schubkraft ausübende
Rotor seine Blattspitzenebene von der Bewegungsrichtung (entgegen der normalen Hubschrauberneigung)
wegkippen, um die erforderliche horizontale Kraftkomponente für den fortschreitenden Flug gemäß
Fig. 7 zu erhalten. Die Größe der Rückwärtsneigung der Blattspitzenebene ist eine Funktion der erforderlichen
negativen Hubkraft, der Fluggeschwindig-
4Λ
keit gegen Luft und des Rücktriebes der Luftschiffeinheit 1, der Kabel 6 und 7 sowie der daran hängenden
Teile, wie z.B. des Nutzlast-Bad 3, des
Kraftstoffbehälters .40 usw. Beim Betrieb mit negativem Schub muß als Reaktion auf die Steuerbewegung
des Piloten die Neigung der Rotorblattspitzenebene gegenüber der normalerweise bei positivem Schub gegebenen
Ebene umgekehrt werden. Bei normalem Betrieb neigen sich Rotor und .Steuerknüppel in Richtung
der gewünschten Bewegung (z.B. nach vorn für Vorwärtsflug, nach links für Linkswendeflug usw.),
aber bei negativem Schub muß sich die Blattspitzenebene für Vorwärtsflug nach hinten und für Linkswendemanöver
nach rechts neigen, während die Steuerorgane des Piloten weiterhin ihr normales Verhältnis
zur Flugrichtung beibehalten. Eine Umkehrung des Steuerungsmomentes muß also stattfinden,
wenn der Rotorschub von positiv zu negativ wechselt. Ein elektronisches Steuerungssystem, wie
beispielsweise dasjenige, das für die vorzuziehende Ausführungsform der Erfindung gewählt wurde, gestattet
ohne weiteres eine solche Umkehrung des Steuerungsmomentes. Dies geschieht im wesentlichen
durch Umkehr der Reaktion der Taumelscheibe 28 auf die periodische Steuerknüppelbewegung; eine derartige
Umkehrung kann automatisch erfolgen oder durch den Piloten eingeleitet werden. Die übrigen Steuerorgane
- Richtung, nichtperiodische Steigung und
- 35 -
Drosselung - unterliegen keiner Umkehrung oder Änderung, wenn sich die Richtung des Rotorflugs
verändert.
Zu beachten ist, daß nach Erreichen der Vorwärtsfluggeschwindigkeit
der überschüssige Auftrieb vergrößert oder vermindert werden kann, indem man
den Anstellwinkel der LAL-Einheit verändert oder indem man den Tragflächenauftrieb durch das an den
Kabeln 6 oder 7 angebrachte Flugzeug 128 (Fig· 14)
erhöht, um zusätzliche dynamische Kraft zu bekommen. Dies wirkt sich auf den erforderlichen Rotorschub
und den Rotorneigungswinkel aus und führt eventuell zu einer verbesserten Vorwärtsflugleistung.
Eine Verstellung des Anstellwinkels der LAL-Einheit 1 kann entweder durch Bewegung des
Kabelbefestigungspunktes 13 (Trimmen) in Längsrichtung, durch Bewegung des Höhenruders 11 oder durch
Kombination beider Methoden erfolgen. Wenn ein Nachtrimmen des Kabelbefestigungspunktes ausreicht,
um die erforderlichen Anstellwinkelveränderungen herbeizuführen, so können die Höhenruder 11 zugunsten
einer festen horizontalen Heckstabilisierfläche entfallen, wodurch die Ausführung vereinfacht
und das Gewicht verringert wird.
- 36-
Die Ruder 9 verbessern die Manövrierfähigkeit beim Wenden des Hybrid-Luftfahrzeuges während des Vorwärtsfluges.
Während sich die LAL-Einheit 1 ausschließlich dadurch "wenden läßt, daß man Kabel 6
einem Seitenwinkel aussetzt/ indem man die Hubschraubereinheit 2 ihre Flugrichtung ändern läßt/
wird durch Koppelung der Seitenkraft von Kabel 6 mit dem Einsatz der Ruder 9 der LAL-Einheit die
Zeit abgekürzt, die erforderlich ist, um im Vorwärtsflug eine Wendung auszuführen. 'Weiterhin
greift die Zugkraft von Kabel 6 unterhalb des Auftriebsmittelpunktes 14 an, wodurch die Seitenkräfte
veranlaßt werden, die LAL-Einheit 1 abzurollen (in Querneigung zu bringen). Obschon dies zulässig
ist, ist es deswegen nicht wünschenswert, weil die Kräfte des Ruders 9 dann auf LAL-Einheit 1
zusätzlich zu den Giermomenten Kippmomente ausüben. Durch Einsatz der Ruder 9 zum Gieren der LAL-Einheit
1 und um die Kabelkraft im wesentlichen in der vertikalen Ebene der LAL-Einheit zu halten (in
einer Ebene mit der Ebene, die durch den Auftriebsmittelpunkt 14 und die Kabelbefestigung 13 begrenzt
wird), können vom Kabel bewirkte Rollmomente auf ein Minimum reduziert werden. Den größten Nutzen
aus dem Einsatz der Ruder 9 erzielt man, wenn man sie an die Steuerorgane des Piloten anschließt, so
daß sie mit den Wendeorganen am Hubschrauber zusammenwirken. Es ist zu beachten, daß die LAL-Ein-
- 37 _
"cowl
-■ 3421 Tib - 57 -: : :- ' : : :": \ ;
heit 1 stets die Neigung hat, sich dem relativen Luftstrom anzupassen und eventuell nicht mit der Längsachse der Hubschraubereinheit fluchtet, wenn kein Gieren durch die Ruder 9 erfolgt. Beim Geradeausflug ist es wünschenswert, der LAL-Einheit 1 die Anpassung an den relativen Luftstrom zu ermöglichen, um den Rücktrieb zu reduzieren.
heit 1 stets die Neigung hat, sich dem relativen Luftstrom anzupassen und eventuell nicht mit der Längsachse der Hubschraubereinheit fluchtet, wenn kein Gieren durch die Ruder 9 erfolgt. Beim Geradeausflug ist es wünschenswert, der LAL-Einheit 1 die Anpassung an den relativen Luftstrom zu ermöglichen, um den Rücktrieb zu reduzieren.
Während die vorausgegangene Beschreibung der vorzuziehenden Ausführungsart des Hybrid-Luftfahrzeuges
spezielle Methoden und Vorrichtungen zur Herstellung des Luftfahrzeuges aufzeigt, versteht es sich,
daß diese ohne Änderung der Erfindung variiert und verändert werden können. So kann beispielsweise die
Nabenanordnung gemäß Fig· 5, deren Schrägstellung durch ein Kugelgelenk erfolgt, welches aus der
Kugel 24 und der Innennabe 19 besteht, durch ein in Fachkreisen bekanntes Kardangelenk ersetzt werden.
Der blattspitzengetriebene Hubschrauberrotor 15 kann durch einen herkömmlichen Rotor mit Getriebeantrieb
(Big. 8 und 9) ersetzt werden, der von einem Motor 61 am Getriebe 6 2 angetrieben wird und
einen am Ausleger 64 angebrachten Gegendrehmomentrotor 65 aufweist. Bei dieser Anordnung, bei der
die obere Kabelbefestigung 69 über der Rotornabe 60 im wesentlichen eine Entfernung zur unteren Kabelbefestigung
71 unterhalb des Getriebekastens 62 aufweist, sind die Kabel an Schlitten 69 und 71 be-
- 38 - *■ ?
^ — J
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- 38
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festigt, die sich auf gekrümmten Schienen 68 bzw. 70 bewegen, wobei die Krümmungshalbmesser so gewählt
sind, daß sich die Schnittstelle der Kraftvektoren der Kabel 6 und 7 in etwa an einer ausgewählten
Stelle decken, wie z.B. bei 73, wodurch das Einspannmoment aufgrund des Kabelzuges reduziert
wird und sich die Hubschraubereinheit buchstäblich durch große Längswinkel neigen kann. Die Schiene 68
ist an einer frei rotierenden Welle 67 angebracht, die eine azimutale Ausrichtung der Schiene 68 in
Richtung des Kabelzuges gestattet, um Seitenmomente durch Kabelzug auszuschalten. Natürlich kann ein
derartiges Schlitten-Schienen-System mit dem blattspitzengetriebenen
Rotor 15 aus Fig . 4 eingesetzt werden, wenn man die durch Kabel bewirkten Momente
an Welle 25 weiter reduzieren will. Die Rotornabe 60 ist an der Antriebswelle 63 angebracht und wird
durch Taumelscheibe 66 gesteuert. Das Rotorblatt 60a ist an der Nabe 60 mittels Verstellagern angebracht,
wie sie bei Hubschraubern üblich sind.
Während das vorzuziehende Rotorsystem die in ABB. 5 gezeigte gelenklose freitragende Ausführung ist,
kann in Verbindung mit dieser Erfindung, wie in ABB. 10 gezeigt, auch die einzeln oder gelenkig angebrachte
Blattausführung verwendet werden, wie sie bei Sikorsky- und Boing-Vertol-Hubschraubern gebräuchlich
ist. Das Hubleitungskonzept ist für das
-39' -
μ ■ t- ι ι ι vJ ^ * « » Γ 11 ι " ; ''
Gelenkrotorsystem von Nutzen, da es den Wegfall von Schlaggelenk-Anschlägen ermöglicht, die bei konventionellen
Hubschraubern erforderlich sind. Mit Hubleitung 6 können die Rotorspitzen in gestoppter,
hängender Lage reichlich oberhalb aller Hindernisse gehalten werden. Mit Einzelgelenk angebrachte Blätter
haben den Vorzug, leichter zu sein als gelenklose Blätter, wobei sich ihr Gewicht durch den Wegfall
der Schlaggelenk-Anschläge sogar noch v/eiter verringert. Die Blätter 78 erfordern in der Tat
eine kompliziertere Blattwurzel und Nabenbefestigung als die freitragende Ausführung, aber solche
Blätter machen eine Losnabe 16, wie in den ABB. 3 und 4 dargestellt, überflüssig. Die gelenkige Anbringung
von Blättern kann durch herkömmliche Gelenksysteme aus Zapfen und Lagern 75 oder durch
elastische Elemente wie Elastomerlager herbeigeführt werden* Bei gelenkig angebrachten Blättern
müssen Zelle, Getriebe und Richtungssteuerelemente so angebracht sein, daß sie den Rotorbetrieb nicht
stören. Fig. lo zeigt eine derartige Anordnung, bei der die Rotorblätter 78 an der Nabe 74 mittels
Gelenken 75 angebracht sind, die es den Blättern 78 gestatten, sich entsprechend der Luftbelastung auf-
und abzubewegen. Mit abnehmender Rotationsgeschwindigkeit des Rotors senken sich die Blätter 78 langsam
um die Gelenke 75 aus Position 77 ab, bis sie, wenn die Rotation vollständig aufgehört hat, an der
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Blattauflage 79, wie sie im fragmentarischen Schnittbild gemäß Fig. 10 dargestellt ist, zur Ruhe
kommen. Die Blattauflage 79 besitzt einen Ring 79a, der mittels Buchse 81 und Speichen 80 am Kabel 7
befestigt ist und dazu dient, einen Abstand zwischen dem Spitzenantriebssystem 53 und Kabel 7 sowie
untereinander sicherzustellen. Die unter der Hubschrauber-Rotornabe in Fig.. 5 dargestellten Elemente
der Hubschraubereinheit, wie z.B. Taumelscheibe 28, Richtungssteuerausleger 46, Betätigungselemente
29 usw., sind umgekehrt und über Rotor und Nabe 74, wie teilweise in Fig . 10 gezeigt,
angebracht, damit sich die Rotorblätter 78 ungehindert absenken können. Die Kabel 6 und 7 können
an ein Schlitten-Schienen-System ähnlich Nr. 68, 69, 70, 71 und 72 gemäß Fig . 8 befestigt werden,
so daß ihre Zugkraft über einen ausgewählten Punkt in Nabe 74 wirksam wird. Die Nabe 74 rotiert
frei um die stationäre Welle 67 in nicht abgebildeten Lagern, und die Neigung der Rotorblattspitzenebene
wird durch Schlagbewegung der Blätter 78 um
die Gelenke 75 herum erzielt. In die Blätter 78 können nicht dargestellte Rücktriebgelenke eingebaut
werden, um Gurtbeanspruchungen aufgrund schwankender aerodynamischer Kräfte und aufgrund
von Coriolis-Effekten zu entlasten.
- 41 -
Die Fig.. 11 und 12 zeigen einen Hubschrauberrotor mit elastischem Verbindungskabel, um das Blatt frei
schlagen zu lassen und eine Blattwinkeländerung ohne Einsatz von Verstellagern zu ermöglichen. Die
Rotornabe 84 rotiert um die Welle 67. An der Nabe 84 angebracht sind äußere Kabel 87, die an den
Kanten der elastischen Abdeckung 89, vorzugsweise mit tragflächenförmigem Querschnitt, 'befestigt
sind. Die Tragflächenform wird durch ein leichtes Füllmaterial erzielt, das nicht abgebildet ist und
zwischen dem Ober- und Unterteil der Abdeckung 89 liegt. Im Grundriß hat die Abdeckung Kettenform,
damit die Kabel 87 auf die Abdeckung 89 einen gurtartigen Zug ausüben, um sie gegen Luftbelastungen
abzusteifen und Flattern zu vermeiden. Die Kabel 87 sind bei 84a und 84b an der Nabe 84 befestigt. 84 a
und 84b sind vertikal gegeneinander versetzt, um einen positiven Anstellwinkel zur wurzelseitigen
Tragfläche zu erzielen und die Rotorauftriebsleistung zu erhöhen. An den Kabeln 87 ist ein starres
Blatt 82 mit Antriebseinheit 86 und Blattwinkelverstellflache
90 in der Nähe der Spitze angebracht. Die inneren Kabel 88 sind ebenfalls an der Nabe 84
und an den Blättern 82 befestigt und werden benutzt, um das Rotorblatt in Sehnenrichtung abzusteifen.
Wenn die Blätter 82 herabhängen, biegen sich die Kabel 87 und 88 sowie die Abdeckung 89
über eine entsprechend gekrümmte Auflage 85, deren
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Krümmung darauf abgestimmt ist, alle übermäßigen
Biegebeanspruchungen in den Kabeln 87 und 88 auszuschalten. ABB. 11 zeigt die nicht rotierenden Blätter
in durchgehenden Linien und die rotierenden Blätter in durchbrochenen Linien.
Wegen der einsatzmäßigen Flexibilität des Hubleitungssystems
besteht die Möglichkeit, den Auftrieb des Luftfahrzeugs durch Hinzufügung weiterer Hubschraubereinheiten
und Kabellängen in Tandemanordnung unterhalb der ursprünglichen Hubschraubereinheit
2 gemäß ABB. 1 ohne weiteres zu vergrößern. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 13 dargestellt.
Die zusätzlichen Hubschraubereinheiten können mit der ursprünglichen Hubschraubereinheit 2
identisch sein oder eine andere Größe und Hubleistung aufweisen, je nach Verfügbarkeit solcher Einheiten
und der Auftriebsleistung, die man für das gesamte Hybrid-Luftfahrzeug wünscht. Wenn Hubschraubereinheiten
hinzukommen, werden auch weitere Segmente zu Kabel 91 hinzugefügt, wobei jedes dieser
Segmente stärker ist als das darüberliegende. Dies ist erforderlich, um die von jeder anschließenden
Hubschraubereinheit ausgehende zusätzliche Zugspannung zu bewältigen. Die Welle 25 und die
Kabelbefestigungen 26 und 34 gemäß Fig . 5 müßten ausgetauscht werden, um den höheren Belastungen zu
entsprechen, oder sie müßten so ausgeführt sein,
daß sie die höchste Belastung aushalten, die für derartige Einsätze mit Mehrfachrotoren zu erwarten
ist. —
Die Steuerung jeder Hubschraubereinheit wäre gleich derjenigen der ursprünglichen Einheit und alle würden
identische Manöver als Reaktion auf die Befehle des Piloten ausführen. Der vertikale Abstand zwischen
den Hubschraubereinheiten wäre so beschaffen, daß Abwindstörungen zwischen den Rotoren erheblich
reduziert wären. Durch derartige Störungen wird der Auftrieb jedes einzelnen Rotors unter dem obersten
vermindert. Beim Schwebeflug in einem Wind verläuft der Abwind schräg und bei geeignetem Abstand zwischen
den Hubschraubereinheiten werden die Störungseffekte vermieden. Eine weitere Methode zur
Ausschaltung von Abwindstörungen besteht darin, die Rotorblattspitzenebenen in entgegengesetzter Richtung
zu neigen und dadurch die Abwinde in schräger Richtung zu leiten. Den von jedem einzelnen Rotor
ausgehenden horizontalen Kräften wirkt der darunter befindliche Rotor entgegen und die horizontale
Nettokraft beim Hybrid-Luftfahrzeug ist während des Schwebefluges gleich Null.
Bei Hubschrauber-Mehrfacheinheiten gestattet das Anhalten eines der Rotoren, wie z.B. in einem Notfalle,
den weiteren Betrieb des beladenen Luftfahr-
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zeugs und die Ausführung einer voll gesteuerten Landung ohne Beschädigung der Luftfahrzeug-Bauteile.
Weiterhin können Nutzlast-Iod und Insassen durch schnelle Erhöhung der nichtperiodischen Steigung
an den übrigen laufenden Rotoren vor einem Landungsaufprall infolge eines vertikalen Notsinkfluges
geschützt werden.
Die Technik für die Montage des Hubleitungssystems mit mehreren Hubschraubern ist im wesentlichen eine
Erweiterung des normalen Verfahrens, das bei einer einfachen Hubschraubereinheit zur Anwendung kommt.
Zunächst hebt und hält die LAL-Einheit die nicht in Betrieb befindliche Hubschraubereinheit und das von
dieser Einheit herabhängende Kabel wird an der nächsten Hubschraubereinheit, die sich noch am Boden
befindet, befestigt. Nachdem die erste Hubschraubereinheit in Betrieb ist, wird die am Boden
befindliche Hubschraubereinheit angehoben. Diese Reihenfolge wiederholt sich, bis sich sämtliche
Hubschraubereinheiten in der Luft befinden und in Betrieb sind, und an diesem Punkt werden Nutzlast-Pod
und Nutzlast angehoben. Wenn keine Nutzlast angehoben wird, können die Hubschraubereinheiten
eine nach der anderen nebeneinander am Boden abgestellt werden oder in der Luft verbleiben, wobei
die Motoren einiger Rotoren gestoppt werden können, um Kraftstoff, zu sparen, während die restlichen
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Motoren das Luftfahrzeug tragen. Die in ELg · 13 aufgeführten Teile entsprechen den in FIg· 1 dargestellten.
Motoren das Luftfahrzeug tragen. Die in ELg · 13 aufgeführten Teile entsprechen den in FIg· 1 dargestellten.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht nur Hubschraubereinheiten
als Bestandteil des Hybrid-Luftfahrzeuges benutzen kann, sondern auch jede andere
Art von VTOL-Luf tfahrzeug, das schwerer ist als
Luft. Fig. 14 veranschaulicht das Hybrid-Luftfahrzeug
mit Einzelrotor-VTOL-Flugzeug 92 an der Hubleitung, und ABB. 17 veranschaulicht ein Doppelrotor-VTOL-Flugzeug
in dieser Anordnung. Es wurde bereits bemerkt, daß eine wichtige Erwägung beim
Einsatz einer Hubschraubereinheit gemäß Fig . 1 die geringe Neigungsmöglichkeit für die Rotor-Blattspitzenebene ist, wenn die Hubleitung effektiv
durch die Nabe 16 verläuft und es unmöglich macht, das Hybrid-Luftfahrzeug unter neutralen Auftriebsbedingungen zu benutzen, weil der Rotor keine horizontalen
Antriebskräfte erzeugen kann, ohne auch vertikale Kräfte zu erzeugen, wodurch es unmöglich
ist, bei langsamer Translationsbewegung eine konstante Höhe beizubehalten, ohne Ballast abzuwerfen
oder Ventiltraggas abzulassen. (Bei höheren Geschwindigkeiten kann die LAL-Einheit einem dynamischen
Auftrieb ausgesetzt oder es kann ein solcher durch Hilfstragflächen erzeugt werden, die an der
Hubleitung befestigt sind, um der vertikalen Kraft-
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4ζ I I I ο : : : ::::::-,-
komponente des Rotorschubs entgegenzuwirken.) Ein für den praktischen Betrieb ausgelegtes Hybrid-Luftfahr2eug
mit Hubschraubereinheit muß über positiven Auftrieb ohne Nutzlast verfugen und sich der
negativen Schubkraft und Rückwärtsneigung des Hubschrauberrotors für die Höhensteuerung bei gleichzeitigem
Vortrieb bedienen. Der Einsatz voll neigbarer VTOL-Flugzeugeinheiten ermöglicht die Erzeugung
einer Vortriebskraft mit jeder gewünschten Größe der vertikalen RotorSchubkomponente, von Null
bis fast zur vollen Schubkraft, die am nach oben oder unten gerichteten Rotor zur Verfugung steht.
In Fig . 14 sind sämtliche Elemente ähnlich denjenigen, die in Fig. 1 dargestellt und bezeichnet sind,
abgesehen von den gabelförmigen Kabeln 106 und 107 und der VTOL-Flugzeugeinheit 92. Das Kabel 6 von
der LAL-Einheit 1 mündet am Drehgelenk 108, von dem aus die oberen gabelförmigen Kabel 106 mit dem oberen
Ende von Zapfenplatten 103 an den Flügelspitzen der VTOL-Flugzeugeinheit 92 in Verbindung stehen.
Untere gabelförmige Kabel 107 erstrecken sich vom unteren Ende der Zapfenplatten 103 zum unteren
Drehgelenk 108a, an das das untere Kabel 7 angeschlossen ist, welches durch das Nutzlast-Iod 3 zur
Nutzlast verläuft, wie in Fig. 1 dargestellt. Die VTOL-Flugzeugeinheit 92 besitzt einen Rumpf 109,
der einen Motor und.ein nicht abgebildetes Getrie-
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besystem für den Antrieb des Hauptrotors 93 enthält, sowie einen Gegendrehmomentrotor 95, der an
einem von der Spitze zur Tragfläche 94 verlaufenden Ausleger angebracht ist. Der Hauptrotor 93 ist an
der Nase des Rumpfes 109 angebracht und kann über nichtperiodische und periodische Steigungssteuerungen
verfugen, die nicht abgebildet sind. Vertikale Heckflächen 100 mit Rudern 101 und Verstellhöhenflossenflächen
99 sind an der Rückseite von Rumpf 109 angebracht. Eine flügelähnliche Seitenkrafterzeugungsfläche
97 ist am Rumpf 109 in Nähe der Zapfenachse 105a angebracht und dient auch als Mast
für Abspanndrähte 98, die mit der Tragfläche 94 in Verbindung stehen. Die Tragfläche 94 wirkt als Abstandselement
für die Kabel 106 und 107 und enthält die Querruder 96. Das VTOL-Flugzeugsteuersystem ist
eine elektrische "fly-by-wire"-Ausführung, deren
verschiedene Bauteile - elektronischer Signalprozessor, Stabilisationssystem und Steuerflächen-Betätigungselemente,
die dem Fachmann sämtlich bekannt und die nicht dargestellt sind - innerhalb des Rumpfes 109 untergebracht sind. Elektrischer
Strom für den Betrieb des Steuersystems kommt von einem nicht abgebildeten Stromgenerator, der am
Motor angebracht ist. Der Gegendrehmomentrotor 95 ist von der Art, wie man sie an Heckrotorhubschraubern
findet und verfügt für die Schubsteuerung über eine nichtperiodische Blatt-Steigungssteuerung. Der
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Rumpf 109 enthält einen nicht abgebildeten Kraftstoffbehälter. Der Kraftstoffbehälter wird über
Kabel 7 gemäß Fig. 2 gefüllt, wobei der Kraftstoff um das Drehgelenk 108a, durch eine nicht dargestellte
Drehkupplung in eine der Zapfenplatten 103 und von dort durch nicht dargestellte Leitungen in
die Tragfläche 94 fließt. Kraftstoff für das Triebwerk in der LAL-Einheit 1 wird um die Zapfenplatte
103 herum, von dort über d_as gabelförmige Kabel 106, um Drehgelenk 108 herum und durch Kabel 6 gepumpt.
Die elektrische Verdrahtung für Antrieb und Steuerung befindet sich im anderen Teil der gabelförmigen
Kabel 106 und 107, wobei nicht dargestellte Schleifringe oder Verdrahtungslitzen, ebenfalls
nicht abgebildet, benutzt werden, um elektrischen Strom über die Zapfenplatte 103 zum VTOL-Flugzeug
92 zu leiten, wobei Verdrahtungslitzen den Anschluß an den Drehgelenken 108 und 108a sicherstellen. Wie
in Fig . 5 gezeigt, enthalten die Kabel 6 und 7 eine elektrische Verdrahtung 37, die mit derjenigen in
den gabelförmigen Kabeln verbunden ist.
Innerhalb ausgewählter Grenzen von jenseits gerade nach oben bis jenseits gerade nach unten kann die
VTOL-Flugzeugeinheit frei um die Zapfenachse 105a an Welle 105 kippen, die drehbar im Zapfenplattenlager
104 angebracht ist, wie dies im einzelnen nachstehend beschrieben wird. Die ABB. 15 und 16
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zeigen die zwischen gabelförmigen Kabeln 106 und 107 aufgehängte VTOL-Flugzeugeinheit und die freie Kippmöglichkeit um die Zapfenachse 105a. Die Drehung der VTOL-Flugzeugeinheit erfolgt um die fast vertikale Achse 111, welche die Drehgelenke 108 und 108a verbindet. Drehgelenk 108 verbindet das Kabel 6 mit dem gabelförmigen Kabel 106 und das Drehgelenk 108a verbindet das Kabel 7 mit dem gabelförmigen Kabel 107.
zeigen die zwischen gabelförmigen Kabeln 106 und 107 aufgehängte VTOL-Flugzeugeinheit und die freie Kippmöglichkeit um die Zapfenachse 105a. Die Drehung der VTOL-Flugzeugeinheit erfolgt um die fast vertikale Achse 111, welche die Drehgelenke 108 und 108a verbindet. Drehgelenk 108 verbindet das Kabel 6 mit dem gabelförmigen Kabel 106 und das Drehgelenk 108a verbindet das Kabel 7 mit dem gabelförmigen Kabel 107.
In ABB. 17 ist die Einzel-Rotor-VTOL-Flugzeugeinheit
aus Fig. 14 durch ein VTOL-Flugzeug mit seitlich angeordneten Doppel-Rotoren für Gegenrotation
ersetzt. Kabel 6 ist über Drehgelenk 113 am oberen Ende der Zapfenstrebe 112 befestigt. Die Zapfenstrebe
112 enthält in der Mitte das Lager 115, durch welches der Rohrholm 114 hindurchtritt, so
daß die VTOL-Flugzeugeinheit frei durch die gewählten Grenzen kippen kann. Kabel 7 steht über Drehgelenk
113a mit dem unteren Ende der Zapfenstrebe 112 in Verbindung. Am Rohrholm 114 sind Tragflächenplatten
117 angebracht, die mit Rohrholm 114 den linken und den rechten Rumpf, 119 bzw. 119a, miteinander
verbinden. Diese Rümpfe sind im wesentlichen gleich. An der Nase jedes Rumpfes befinden
sich die Rotoren 121 und 121a, die in entgegengesetzter Richtung rotieren, um dem Drehmoment entgegenzuwirken.
Die Querruder 118 sind in der Trag
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fläche 117 eingebaut und die horizontalen Verstellhöhenflossen 122 und 122a, die vertikalen Seitenflossen
123 und 123a sowie die Ruder 124 und 124a sind hinten am Rumpf 119 bzw. 119a angebracht. Wie
bei der Einzel-Rotor-VTOL-Flugzeugeinheit gemäß Fig . 14 enthält jeder Rumpf einen Motor mit Stromgenerator,
Kraftübertragungsgetriebe, Steuersystemelementen und Kraftstoffbehälter. Eine nicht abgebildete
Querwelle verläuft durch den Rohrholm 114 und verbindet die Kraftübertragungen der einzelnen
Motore miteinander, so daß jeder Motor beide Rotoren antreiben kann. Der jeweils außer Betrieb befindliche
Motor wird durch eine nicht dargestellte Freilaufkupplung, die zwischen Motor und Getriebe
liegt, automatisch vom Antriebssystem abgekoppelt. Kraftstoff und elektrischer Strom werden durch die
Kabel 7 und 6 über Strebe 112 zur VTOL-Flugzeugeinheit und zur LAL-Einheit 1 gemäß Fig. 1 geleitet,
und zwar in ähnlicher Weise, wie bei der Einzel-Rotor-VTOL-Flugzeugeinheit
gemäß F ig . 14, nur daß die Kraftstoffleitungen und Stromkabel im Falle der Doppel-Rotor-Flugzeugeinheit nicht auf getrennten
Wegen verlaufen.
Bei der Ausführungsart der Erfindung mit VTOL-Kippflügelflugzeugen,
Fig . 14 und 17, hat man größere Freiheit bei der Wahl des zusätzlichen Auftriebs
für Flüge ohne Nutzlast als im Falle der Ausfüh-
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rungsart mit Hubschraubereinheit, Fig. 1. Bei der Ausführungsart mit dem VTOL-Flugzeug richtet sich
die Bemessung der LAL-Einheit und die Stärke der Schubkraft von den Rotoren des VTOL-Flugzeuges nach
solchen Erwägungen wie erforderliche Manövrierfähigkeit, Systemanschaffungskosten, Betriebskosten
und eventuell nach der Schubleistung bereits vorhandener
Hubschrauber-Rotor-Motor-Übertragung ssysteme, die für den Einsatz am VTOL-Flugzeug angepaßt
werden können. Obschon der Rotor sowohl als Hubrotor wie auch als Propeller arbeitet, besteht
die Möglichkeit, für diesen Zweck vorhandene Hubschrauberrotoren einzusetzen. Durch Auslegung des
Hybrid-Luftfahrzeuges rund um vorhandene Elemente lassen sich erhebliche Entwicklungs- und Fertigungskosten
einsparen, selbst wenn an den Bauteilen einige Änderungen vorgenommen werden müssen, um sie
für Kipprotoroperationen anzupassen.
Während an der VTOL-Flugzeugeinheit gemäß F-Ig . 14
ein blattspitzengetriebener Rotor (Fig· 3) verwendet werden kann, sind solche Rotoren im allgemeinen
für Systeme zum Anheben sehr schwerer Lasten bei geringer Kreisflächenbelastung und großem Durchmesser
gedacht. Ihr Einsatz an einem VTOL-Flugzeug setzt eine relativ große Flügel Spannweite mit den
entsprechenden konstruktiven Schwierigkeiten und Gewichtsauflagen voraus. Daher ist die vorzuziehen-
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5$
de Ausführungsart der VTOL-Flugzeugeinheit mit zahnradgetriebenen Rotoren ausgerüstet. Bei der
VTOL-Flugzeugeinheit kann es sich um die Ausführung mit Einzel-Hauptrotor oder Doppel-Seitenrotor handeln,
wobei sich die Wahl teilweise nach dem anzuhebenden Nutzlastgewicht und auch nach der Verfügbarkeit
bereits entwickelter Hubschrauberbauteile richtet, wenn die VTOL-Einheit auf solchen vorhandenen
Elementen aufbauen soll. Viele der betriebsmäßigen Erwägungen hinsichtlich beider Typen sind
gleich und daher treffen Teile der Besprechung der Einzel-Hauptrotoreinheit auch auf die Doppel-Seitenrotorausführung
zu. Weiterhin sollte beachtet werden, daß anstelle der Einzel-Hauptrotorausführung ein gegenläufiges Doppel-Rotor-Koaxial-System
benutzt werden kann, doch ist dies keine vorzuziehende Alternative, weil die Kosten höher sind und
weil solche Rotorsysteme im Westen nicht erhältlich sind β
Die VTOL-Flugzeugeinheit gemäß Fig. 14 arbeitet mit einem Hubschrauberrotor, der je nach Erfordernissen
nach oben oder unten gerichteten vertikalen Schub liefert und als Propeller bei schnellem Vorwärtsflug.
Der Rotor ist daher ein "Kipprotor" und sollte als solcher einen Blattwinkel aufweisen, der sowohl
im Schwebeflug als auch im Vorwärtsflug gute Wirkungsgrade ergibt. Dieser Rotor wird durch ein
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3 Λ 21 11 5 "
Rädergetriebesystem angetrieben, das von einer Freifahrturbine mit geteilter Welle angetrieben
wird, wodurch der Kipprotor bei verschiedenen Umdrehungsgeschwindigkeiten arbeiten kann, ohne daß
die zur Verfügung stehende Leistung reduziert oder die Motorleistung beeinträchtigt wird. Beim Senkrechtflug
und Flug mit geringer Geschwindigkeit
wird eine hohe Kipprotor-Rotationsgeschwindigkeit benutzt, um für das Anheben der Nutzlast und für
Manöver eine hohe Schubkraft zu erzielen. Wegen der geringeren Schubkraft, die beim Marschflug in Eropellerbetriebsart
erforderlich ist, muß zur Erzielung eines guten Vortriebsleistungsgrades die Kipprotor-Rotationsgeschwindigkeit
reduziert werden.
Während das VTOL-Flugzeug in der Lage sein könnte, mit seiner Längsachse in jedem beliebigen Winkel
von vertikal bis hin zu horizontal über 360° zu arbeiten, ist die Schräg stellung aus praktischen
Gründen auf ca. 200° begrenzt, wodurch es möglich wird, die Schubkraft in jede beliebige Richtung von
nahezu vertikal nach oben bis nahezu vertikal nach unten zu richten. In Kombination mit der Drehung um
die vertikale Achse ermöglicht dies der Schubkraft bei Schrägstellung die Ausübung einer horizontalen
Kraft auf die VTOL-Flugzeugeinheit in jeder beliebigen Richtung von vorwärts bis seitlich und rückwärts
im Verhältnis zur LAL-Einheit, was zu einer größeren Manövrierfähigkeit führt.
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Bei Vorwärtsflug ist die Linksachse des VTOL-Flugzeuges aus der Vertikalen in Flugrichtung geneigt,
und die Schrägstellung ist dabei so beschaffen, daß der Kipprotor sowohl Auftrieb, je nach Erfordernissen
entweder positiv oder negativ, als auch Vortriebskraft für das Hybrid-Luftfahrzeug liefert.
Die Neigung nimmt mit der Vorwärtsgeschwindigkeit
zu, bis die Längsachse nahezu horizontal ist, und an diesem Punkt liefern die Tragfläche des VTOL-Flugzeuges
zusammen mit der eventuell benutzten Hilfstragfläche und der aerodynamische Auftrieb der
LAL-Einheit die vertikale Kraft, die erforderlich ist, um den Unterschied zwischen dem Fluggewicht
des Hybrid-Luftfahrzeugs und seinem Auftrieb auszugleichen. Ist der Auftrieb größer als das Fluggewicht,
muß der dynamische Auftrieb negativ sein und VTOL-Flugzeug, Hilfstragfläche und LAL-Einheit arbeiten
sämtlich mit negativen Winkeln. Die Aufteilung des Auftriebs zwischen diesen Einheiten ist so
beschaffen, daß der geringste Rücktrieb und der beste Vorwärtsflug-Wirkungsgrad erzielt wird.
Zwischen Senkrechtflug und langsamem Vorwärtsflug arbeitet die VTOL-Einheit mit Neigungswinkeln, die
jenseits des Durchsackwinkels der Tragfläche liegen, soweit nicht eine frei verstellbare Tragfläche
oder ein feststehendes Flügelkipprumpfsystem benutzt
wird. Ein Durchsacken der Tragfläche bewirkt
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iCOPY
einen Verlust an Tragflächenauftrieb, höheren Rücktrieb
sowie Flattervibrationen. Diese Wirkungen werden auf ein Minimum reduziert, indem man Operationen
der VTOL-Einheit mit großem Anstellwinkel auf Langsamflug beschränkt, bei dem die dynamischen
Drücke und aerodynamischen Kräfte gering sind. Beim Obergang auf höhere Fluggeschwindigkeit wird das
VTOL-Flugzeug geneigt, um Tragflächenwinkel unterhalb der Durchsackgrenze zu erzielen, wobei die erforderliche
Auftriebzunahme aus den aerodynamischen Kräften abgeleitet wird, die auf die LAL-Einheit
und auf die Hilfstragfläche 128 einwirken (Fig·. 14). Diese Tragfläche 128 liegt zwischen LAL-Einheit
und SAL-Einheit. Im wesentlichen handelt es sich dabei um ein antriebsloses Flugzeug, das einem
Segelflugzeug gleicht, dessen tragflächenstabilisierende
aerodynamische Flächen sämtlich leicht ausgeführt sind. Tragfläche 128 ist auf ähnliche
Weise wie andere Einrichtungen, die in dieser Patentschrift beschrieben sind, am Kabel 6 befestigt.
Die Tragfläche des VTOL-Flugzeuges hat die Mindest-Sehnenlänge und Flügeltiefe, die erforderlich ist,
um eine ausreichende Struktur für die von den gabelförmigen Kabeln ausgehenden Druckbelastungen und
die aus dem Kipprotorschub und dem Gewicht des VTOL-Flugzeuges resultierenden Biegebelastungen zu
bieten. Die Flügellänge richtet sich auch nach dem Erfordernis zur Minimierung des Flügelrücktriebes
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bei höheren Vorwärtsgeschwindigkeiten und kleinen Anstellwinkeln sowie der Notwendigkeit, Querruder
einzubauen. Die Spannweite reicht aus, um das Flugzeug mit einem ausreichenden Abstand zwischen Kipprotorblattspitzen
und gabelförmigen Kabeln in Schrägstellung bringen zu können (siehe Fig. 15 und
16).
Da sie Wellenantrieb besitzt-/ benötigt die Einzel-Kipprotor-VTOL-Flugzeugeinheit
ein Gegendrehmomentsystem, wie z.B. einen Rotor 95 gemäß Fig. 14, welches außerhalb einer Tragflächenspitze angebracht
ist und mit seiner Drehebene im wesentlichen parallel zur Tragflächensehne und dessen Schub lotrecht
dazu verläuft. Im Schwebeflug wirken der Gegendrehmoment-Rotorschub, die Querruder 96 und
der Seitenkraftgenerator 97 dem Kipprotordrehmoment
entgegen und bewirken die Rollsteuerung. Die Rollsteuerung wird benutzt, um die Richtung der horizontalen
Komponente der Kipprotorschubkraft bei Schrägstellung aus der Vertikalen zu verändern, wie
in Fig . 15 dargestellt. Der Schubvektor wird azimutal
um die Achse 111 gedreht. Der Gegendrehmomentrotor 95 wird automatisch vom Antriebssystem abgekoppelt
und gestoppt, wenn die VTOL-Flugzeugeinheit
92 den Neigungswinkel erreicht hat, wo die Tragflächen 94 nicht mehr durchsacken.
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Die Schrägstellung der VTOL-Flugzeugeinheit erfolgt
um eine Welle 105 und ein Lagersystem 104 an jeder Flügelspitze; die Neigungsachse 105a verläuft in
der Nähe des mittleren aerodynamischen Mittelpunktes durch die Tragfläche und in etwa durch den
Schwerpunkt der Flugzeugeinheit. Die an jeder Tragflächenspitze überstehende Welle 105 paßt in eine
Lageranordnung in der Zapfenplatte und erlaubt aufgrund ihrer Konstruktion eine Rotation um die
Spannweitenachse sowie die Handhabung radialer, axialer und Zapfenplatten-Biegebelastungen/ ganz
ähnlich wie bei einem Automobilrad. Die Zapfenplatten 103 übertragen die Zugbelastungen der gabelförmigen
Kabel rund um die Flügelspitzen der VTOL-Flugzeugeinheit zu den oberen und unteren Kabeln 6
und 7.
Die Neigung der VTOL-Flugzeugeinheit wird durch periodische Längssteuerung des Kipprotors 93 und
durch die Rotation der Verstellhöhenflosse 99 bewirkt. Beim Senkrechtflug übt der Kipprotorstrahl
eine Kraft auf die Höhenflosse 99 aus, um die Neigung der Flugzeugeinheit zu unterstützen. Beim
Translationsflug wird der Höhenflossenwinkel so
eingestellt, daß die VTOL-Flugzeugeinheit eine gewählte Fluglage beibehält. Es können entweder Gelenkblatt-
oder gelenklose Rotorsysteme verwendet werden. Gelenklose Rotoren haben den Vorzug, daß
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W3
sie größere Nabenmomente erzeugen als Gelenkausführungen, und diese Eigenschaft ist von Nutzen bei
der Erzeugung von Momenten auf die Flugzeugeinheit in Längsrichtung und um die Gierachse. Nichtperiodische
und periodische Hubschrauber-Steigungssteuerungen werden benutzt, um den Kipprotorschub und
die vom Rotor erzeugten Momente zu steuern.
Sämtliche Steuerflächen an der VTOL-Flugzeugeinheit - die Querruder 96, das Höhenruder 99 (Höhenflosse)
, Ruder 101 und Seitenkrafterzeuger 97 - bleiben jederzeit an die Steuerorgane des Piloten angeschlossen
und bewegen sich, wenn der Steuerknüppel und die Ruderfußhebel bewegt werden. Die Ruder 9
der LAL-Einheit stehen ebenfalls mit den Steuerorganen des Piloten in Verbindung und sind jederzeit
funktionsfähig. Im Senkrechtflug und bei geringer Fluggeschwindigkeit, wenn die Längsachse der Flugzeugeinheit
nahezu vertikal ist, wie in Fig. 15 dargestellt, erzielt man eine Seitenkraft durch
Längsneigung der Flugzeugeinheit, Erhöhung des Schubes zur Aufrechterhaltung einer konstanten
vertikalen Kraft und Drehen der Flugzeugeinheit und der gabelförmigen Kabel, woran sie befestigt ist,
um die Achse 111, die von der Verbindungsleitung zwischen oberem und unterem Drehgelenk 108 und 108a
des gabelförmigen Kabelsystems gebildet wird. In fast senkrechter Lage können die Ruder 101 der
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Flugzeugeinheit das Flugzeug-* nicht -ure 'se ins -Gierachse
drehen, weil die gabelförmigen Kabel auf die Seitenneigung des Flugzeuges einschränkend wirken.
Der Seitenkrafterzeuger 97 bewirkt zu diesem Zeitpunkt nur eine relativ geringe Seitenkraft, da ihm
nur die Kipprotorstrahlgeschwindigkeit zur Verfugung steht; der Kipprotorschrägschub ist das Hauptmittel
zur Erzeugung der erforderlichen Seitenkraft.
Im Vorwärtsflug, wenn die Längsachse der Flugzeugeinheit im wesentlichen nach unten geneigt ist,
sich aber noch reichlich oberhalb der Horizontalen befindet, erzeugt der Einsatz der periodischen Seitensteuerung
am Kipprotor 93 zusammen mit den Rudern 101 und Querrudern 96 das Moment zum Drehen
der Flugzeugeinheit 92 und der gabelförmigen Kabel 106-107, wodurch die zum Drehen des Hybrid-Luftfahrzeuges
erforderliche Seitenkraft entsteht. Der Einsatz des Seitenkrafterzeugers 97 unterstützt den
Drehvorgang ebenso wie die Ruder 9 der LAL-Einheit.
Im Marschflug, wenn sich die Längsachse der Flugzeugeinheit in Nähe der Horizontalen befindet, wird
das Drehen der Flugzeugeinheit 92 und der gabelförmigen Kabel 106-107 durch Anwendung der periodischen
Kipprotor-Seitensteuerung und durch Benutzung des Ruders 101 bewirkt. Die so erzeugte Seitenkraft
wird durch Einsatz des Seitenkrafterzeugers 97 weiter erhöht.
- 60 _ ^-„^
Im Senkrechtflug und beim Flug mit geringer Geschwindigkeit werden die iendelbewegungen durch
Aktivierung der Steuereinrichtungen der Flugzeugeinheit mittels Bewegungssensoreingaben an den
Autopiloten gedämpft und automatisch gesteuert.
Die Doppel-Rotor-VTOL-Flugzeugeinheit gemäß Fig . 17
wird auf ganz ähnliche Weise eingesetzt wie die Einzel-Rotor-Flugzeugeinheit-gemäß Fig. 14, aber es
gibt Unterschiede in bezug darauf/ wie einige der Steuermomente erzeugt werden. Die Doppel-Kipprotor-Flugzeugeinheit
mit gegenläufig rotierenden Rotoren 121 und 121a ist eine Ausführung mit ausgeglichenem
Drehmoment und erfordert Links- und Rechts-Rotoren sowie Zahnradgetriebe. Es ist durchaus denkbar,
zwei Rotoren mit gleicher Drehrichtung zu benutzen, selbst wenn sich die Drehmomente addieren. Durch
Anwendung einer Differential-Längsneigung der Rotoren kann der Drehmomentreaktion der Flugzeugeinheit
entgegengewirkt werden. Während eine derartige Anordnung die Arbeitsweise des Autopilotsystems kompliziert,
ermöglicht sie den Einsatz vorhandener Hubschrauberrotoren, -Steuerorgane und -Zahnradantriebe
gleicher Art, die nach entsprechender Abänderung als Kipprotorantriebssysteme arbeiten
können.
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Die Doppelrümpfe 119 und 119a der Flugzeugeinheit gemäß ABB. 17 sind starr an der Tragfläche 117
befestigt. Jeder Kipprotor ist an der Nase seines Rumpfes angebracht und wird durch einen Motor über
ein Untersetzungsgetriebe angetrieben, das im vorderen Teil des Rumpfes angeordnet ist. Kraftstoffbehälter
und Bauteile des Flugsteuerungssystems liegen im Rumpf hinter den Motoren. Wie bei der
Einzel-Kipprotor-Flugzeugeinheit sind die Doppel-Kipprotoren 121 und 121a mit nichtperiodischen und
periodischen Steigungssteuersystemen in Hubschrauberausführung
ausgerüstet. Diese werden eingesetzt, um den Rotorvorschub und den Winkel der Blattspitzenebene zu verändern und an den Naben Kipp-
und Giermomente zu erzeugen. Durch gleichzeitige Anwendung der periodischen Längssteuerung in gleicher
Richtung an jedem einzelnen Rotor wird ein Kippmoment um die Seiten- oder Zapfenachse 116 der
Flugzeugeinheit erzeugt. Durch Einsatz einer periodischen Differentialsteuerung wird ein Rollmoment
um die Längsachse der Flugzeugeinheit erzeugt. Bei gleichzeitiger Anwendung der periodischen Seitensteuerung
in gleicher Richtung wird ein Giermoment am Flugzeug erzeugt, wie es auch bei Änderung der
nichtperiod iseheη Differentialsteigungssteuerung
der Fall ist. Diese Momente werden durch die Steuerflächen - Querruder 118, sofern vorhanden, und
Höhenflossen 122 und 122a sowie Ruder 124 und
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42 I lib 124a erhöht. Auch können--die Höfte η flosse η 122 und
122a als Elevons eingesetzt werden/ wobei Höhen- und Querruderfunktionen in diesen Einheiten zusammengefaßt
sind.
Die Drehachse der Flugzeugeinheit ist die Hauptachse der Zapfenstrebe 112, d.h. die Leitung 112a
zur Verbindung der oberen Kabelbefestigung 113 und der unteren Kabelbefestigung 113a. Beim Senkrecht-
und Langsamflug, wenn sich die Längsachse des Flugzeuges in Nähe der Vertikalen befindet, bewirkt der
Einsatz der periodischen Differential-Längssteuerung an den Kipprotoren 121 und 121a eine Drehung
der Flugzeugeinheit um die Achse 112a. Durch periodische Längssteuerung in gleicher Richtung in Verbindung
mit der Benutzung des Höhenruders wird die Flugzeugeinheit um die Zapfenachse 116 gedreht.
Durch Kombination dieser Vorgänge erzielt man den gewünschten Horizontalkraftvektor zum Manövrieren
der Flugzeugeinheit, des Nutzlast-Bods 3 und der darunter hängenden Nutzlast 4, worauf die LAL-Einheit
1 jeder längeren Translationsbewegung dieser Einheiten folgt.1
Wenn die Flugzeugeinheit gegenüber der Vertikalen erheblich nach unten geneigt ist, bis zu 90° (in
Nähe der Horizontalen), so erfolgt die Drehung um die Achse 112a durch Anwendung der nichtperiodi-
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w -— 1
sehen Differential-Steigungssteuerung auf die Kipprotoren
121 und 121a sowie Einwirkung der Ruder 124 und _124a. Bei dazwischenliegenden Neigungswinkeln
unterstützen die eventuell vorhandenen Querruder 118 und die Elevons 124 und 124a die Drehbewegung
des Flugzeuges um die Achse 112a. Das Drehmoment kann, wenn erforderlich, durch Anwendung der periodischen
Seitensteigung in gleicher Richtung an beiden Kipprotoren 121 und 121a sowie durch Einsatz
der periodischen Differential-Längssteigung vergrößert
werden.
Die Tragfläche 117 besitzt die erforderliche Mindestfläche und -sehne zur Erzielung einer Konstruktion,
die die aufgebrachten Lasten tragen kann, während sie eine Tragflächenform hat, die beim
Marschflug und Schnellflug einen geringen Rücktrieb ergibt. Die Tragfläche ist in zwei Hälften unterteilt,
die in der Mitte durch den Rohrholm 114 verbunden sind.. Der Holm wirkt als Zapfenwelle, die
durch die Lager 115 in der Zapfenstrebe 112 verläuft, und ermöglicht aufgrund der Konstruktion die
freie Drehung der Flugzeugeinheit um die Zapfenachse 116. Die Lager 115 sind ausreichen weit voneinander
angeordnet, um so viel Seitensteifigkeit zu erzeugen, daß die Zapfenstrebe 112 daran gehindert
wird, sich in die Rotationswege der Rotorblattspitzen durchzubiegen. Die Zapfenstrebe 112
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erfüllt die wichtige Funktion, die Kabelspannung durch die Flugzeugeinheit weiterzuleiten und die
Kabel 6 und 7 von den Blattspitzen entfernt zu halten. Die Zapfenstrebe 112 erstreckt sich fast bis
zur Kipprotorebene.
Die Kraftstoffleitung in Kabel 7 gleicht derjeni-— ■ gen, die in Fig. l (Kraftstoffleitung 39a) dargestellt
ist, und ist mit einer an der Zapfenstrebe angebrachten Kraftstoffleitung verbunden, die einen
elastischen Abschnitt besitzt, der gebogen werden kann und nicht mit der Kippbewegung der Flugzeugeinheit
in Konflikt gerät. Der elastische Abschnitt liegt in der Nähe des Tragflächenholms 114 und ist
mit Leitungen verbunden, die am Tragflächenholm überstehen und an den Motoren in die Rümpfe einmünden.
Kraftstoff für die LAL-Einheit 1 wird durch eine an der Zapfenstrebe 112 befestigte Leitung befördert.
Diese Leitung ist mit den Leitungen im unteren Kabel 7 und im oberen Kabel 6 verbunden.
Die Stromleitungen folgen einem ähnlichen Schema bei der Versorgung der Flugzeugeinheit und der LAL-Einheit
1 mit elektrischem Strom und Steuersignalen.
Die Querwelle, welche die Zahnradantriebssysterae
der beiden Kipprotoren 121 und 121a verbindet, verläuft durch die Tragfläche 117 und den Rohrholm 114
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in Tragflächenmitte. Die Querwelle ist so ausgelegt, daß bei Ausfall eines Motors jeder der Motoren
beide Rotoren antreiben kann. Normalerweise arbeiten Querwelle und zugehöriges Getriebe unter
geringen Drehmomentbelastungen, aber die Welle und das Getriebe müssen in der Lage sein, vorhandene
Antriebsbelastungen zu bewältigen, wenn ein Motor beide Kipprotoren antreibt.
Seitenkrafterzeuger ähnlich demjenigen, der an der
Einzel-Kipprotor-Flugzeugeinheit, losition 97 aus
Fig. 14, vorhanden ist, können an jedem Rumpf 119 und 119a im Kipprotorstrahl angebracht werden.
Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung eine Kombination von tandemförmig angeordneten VTOL-Einheiten
schwerer als Luft an der Hubleitung und sogar eine Kombination aus VTOL- und Nicht-VTOL-Einheiten
schwerer als Luft zum Einsatz kommen kann. Fig» 18 und 19 zeigen ein Hybrid-Luftfahrzeug-System,
bestehend aus einer LAL-Einheit 1, einer Hubschraubereinheit 2 und einer Einzel-Kipprotor-VTOL-Flugzeugeinheit
92 für Schrägstellung. Nicht dargestellt sind Nutzlast-Bad 3 und Nutzlast 4 aus
Fig . 1. Diese Anordnung gestattet den Einsatz eines Hubschrauberrotors mit großem Durchmesser, der,
wenn der Auftrieb geringer ist als das Fluggewicht, wie ein herkömmlicher Hubschrauberrotor wirkt und
-66 -
,·-" sowohl Auftriebs- als auch Vortriebskraft liefert.
Die VTOL-Flugzeugeinheit 92 ist so bemessen, daß die erforderliche Antriebskraft erzeugt wird, um
das Hybrid-Luftfahrzeugsystem ohne Nutzlast mit der erforderlichen Marschgeschwindigkeit anzutreiben.
Indem die VTOL-Flugzeugeinheit 92 beim Senkrecht- und Langsam'flug wenigstens ihr eigenes Gewicht
hebt, bewirkt sie keine Vergrößerung der LAL-Einheit 1 oder der Hubschraubereinheit 2. Wenn der
Auftrieb das Fluggewicht des Hybrid-Luftfahrzeuges übersteigt, erzeugt die Hubschraubereinheit 2, wie
weiter oben beschrieben, einen negativen Schub, braucht jedoch für die Translationsbewegung nicht
nach hinten geneigt zu werden. Eine derartige Bewegung wird von der VTOL-Flugzeugeinheit 92 bewirkt;
die Hubschraubereinheit braucht lediglich den negativen Auftrieb zu erzeugen.
Unter gewissen Umständen kann der Einsatz weiterer LAL-Luftfahrzeuge ähnlich dem Luftfahrzeug 1 wünschenswert
sein, um die Auftriebsleistung zu erhöhen. In solchen Fällen können diese zusätzlichen
Einheiten mit dem Luftfahrzeug 1 verbunden sein, indem man sie mit Hilfe eines weiteren elastischen
Zugelements ähnlich den gabelförmigen Elementen gemäß Fig. 14 über oder unter dem Luftfahrzeug 1
anordnet.
~ 67 "
Tritt an die Stelle des VTOL-Flugzeuges ein herkömmliches
Nicht-VTOL-Flugzeug, das hier nicht abgebildet ist, so wird die Anordnung etwas weniger
kompliziert, aber die Hubschraubereinheit 2 oder die LAL-Einheit 1, oder auch beide, müssen eine
höhere Auftriebsleistung besitzen, um das Gewicht des Nicht-VTOL-Flugzeuges zu tragen. Eine derartige
Einheit kann eine Adaptation eines vorhandenen Flugzeuges ohne Fahrgestell sein, wobei Rumpf und
Tragflächen so abgeändert oder ausgetauscht wurden, daß-das Gewicht der Flugzeugeinheit reduziert wird.
Die weiter oben beschriebenen Ausführungsarten sind
nur Beispiele, und es können auch andere Ausführungsarten als im Rahmen der Erfindung liegend angesehen
werden, wie es aus den nachfolgenden Ansprüchen hervorgeht.
- 68 -
Claims (1)
- Pat entansprüche1. Liift-Lastenhubeinrichtung mit mehreren Luftfahrzeugeinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Einheiten ein Luftfahrzeug leichter als Luft (1) ist und eine weitere Einheit ein angetriebenes Luftfahrzeug schwerer als Luft (2, 92) ist, wobei die beiden Einheiten durch ein elastisches Zugelement (6, 106) miteinander verbunden sind.2. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftfahrzeug schwerer als Luft (2, 92) derart ausgebildet ist, daß es in ^eder gewünschten Richtung eine Schubkraft erzeugt.3· Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftfahrzeug leichter als Luft (1) ein Luftschiff und das Luftfahrzeug schwerer als Luft (2, 92) ein Hubschrauber oder ein Senkrechtstarter (VTOL-Flugzeug) ist.34211Ί 54. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Luftfahrzeuge schwerer als Luft (2, 92), die vertikal zueinander ausgerichtet sind und sich im wesentlichen unterhalb des Luftfahrzeuges leichter als Luft befinden.5ο Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Luftfahrzeuge schwerer als Luft Hubschrauber sind oder daß einige der Luftfahrzeuge schwerer als Luft Hubschrauber und einige der anderen Luftfahrzeuge schwerer als Luft Senkrechtstarter sind.6. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites elastisches Zugelement (7, 107), das an dem Luftfahrzeug schwerer als Luft (2, 92) befestigt ist, wobei eine Nutzlast (4) an dem zweiten elastischen Zugelement (7, 107) angebracht und unterhalb des Luftfahrzeuges schwerer als Luft (2, 92) aufgehängt ist.7e Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Steuerelement (3), das unter dem Luftfahrzeug schwerer als Luft aufgehängt ist und Steuerorgane für wenigstens eine der Luftfahrzeugeinheiten (1, 2, 92) und weiterhin eine Besatzung enthält.- 70 -8. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Nutzlast (4), die an dem Steuerelement (3) befestigt oder darin enthalten ist.9- Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Zugelement (6, 106) so mit dem Luftfahrzeug schwerer als Luft (2, 92) verbunden ist, daß die Zugkräfte beim Betrieb der Einrichtung in dem Zugelement (6, 106) durch einen bestimmten Punkt an dem Luftfahrzeug schwerer als Luft zu irgendeinem Punkt des erwähnten Luftfahrzeuges leichter als Luft (1) verlaufen.10. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1,. gekennzeichnet durch ein zweites elastisches Zugelement (7, 107), das von dem Luftfahrzeug schwerer als Luft (2, 92) herabhängt und derart daran angebracht ist, daß die Zugkräfte beim Betrieb der Einrichtung in dem zweiten Zugelement durch einen bestimmten Punkt an dem Luftfahrzeug schwerer als Luft für einen beliebigen Winkel des zweiten elastischen Zugelements im Verhältnis zum Luftfahrzeug schwerer als Luft wirken.11. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftfahrzeug schwerer als Luft ein Hubschrauber (2) mit angetriebenem Rotor (15) ist, der Rotor zu dem ersten elastischen Zugelement (6) konzentrisch angeordnet und im Verhältnis dazu schrägstellbar ist,- 71 -ν ό ^ λ 1 ι 1 5* 12. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) mehrere Blätter (78, 82) aufweist und der Hubschrauber (2) zentral angeordnete Gelenkvorrichtungen (75) besitzt, wobei die Blätter (78, 82) an den Gelenkvorrichtungen (75) derart angeordnet sind, daß sie frei nach unten hängen, wenn sie nicht rotieren.. 13. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftfahrzeug schwerer als Luft ein Senkrechtstarter (VTOL-Flugzeug) (92) ist, der konzentrisch zu dem ersten (6, 106) und zweiten (7, 107) elastischen Zugelement derart angebracht ist, daß das Luftfahrzeug in Längsrichtung um seine horizontale Achse sowie Azimuthrotation schräg stellbar ist (neigbar ist).14. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Zugelemente gabelförmige Abschnitte (106, 107) aufweisen und das Flugzeug (92) ein Seitenelement (94) besitzt, das eine aerodynamische Auftriebsfläche darstellt und Vorrichtungen (103, 104, 105) an seinen äußeren Enden trägt, wobei die gabelförmigen Abschnitte(106, 107) so an den Vorrichtungen (103, 104, 105) angebracht sind, daß das Seitenelement um seine Achse schräg stellbar (neigbar) ist.- 72 -15. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Flugzeug einen Einzelauftriebskipprotor (93) und mehrere Auftriebs-Kipprotoren (121, 121a) besitzt, die an einer gemeinsamen Achse angebracht sind.16. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzliches auftrieberzeugendes Luftfahrzeug zwischen dem Luftfahrzeug leichter als Luft (1) und dem Luftfahrzeug schwerer als Luft (2, 92) angeordnet ist.17. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites elastisches Zugelement (7» 107), das an dem Luftfahrzeug schwerer als Luft hängt, wobei das Luftfahrzeug schwerer als Luft ein Senkrechtstarter (VTOL-Flugzeug) mit einem Paar seitlich angeordneter Kipprotoren ist, die durch ein starres Element (117, 118) unter Bildung einer aerodynamischen Auftriebsfläche miteinander verbunden sind und ferner durch ein Verbindungselement, das die elastischen Zugelemente (7, 107) miteinander verbindet, wobei das starre Element (117, 118) drehbar mit dem Verbindungselement verbunden ist, um das Luftfahrzeug um seine horizontale Achse zu neigen.18. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kraftstoffvorrat (40), ein Steuerelement (3)- 73 -und eine unter der Luftfahrzeugeinheit schwerer als Luft (2, 92) aufgehängte Nutzlast (4), wobei die Luftfahrzeugeinheit leichter als Luft (1) den Kraftstoffvorrat (40), das ; Steuerelement (3) und dieLuftfahrzeugeinheit schwerer als Luft (2, 92) mittels Auftrieb trägt.19. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (3) Steuerorgane für wenigstens eine der Luftfahrzeugeinheiten (1, 2, 92) und eine Besatzung aufweist.20. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (3) Mittel für die Längs-, Seiten-, Rotorblattsteuerung und Drosselung derLuftfahrzeugeinheit schwerer als Luft (2, 92) aufweist.21. Luft-Lastenhubeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens ein zusätzliches Luftfahrzeug leichter als Luft (1) und wenigstens ein zusätzliches elastisches Zugelement, wobei die zusätzlichen elastischen Zugelemente das erste und das zusätzliche Luftfahrzeug leichter als Luft miteinander verbinden.- 74 -22. Ein Verfahren zum Anheben und Befördern von Nutzlast mit Hilfe einer Flugeinrichtung, das ein Luftfahrzeug leichter als Luft und ein Luftfahrzeug schwerer als Luft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftfahrzeug leichter als Luft im wesentlichen oberhalb des Luftfahrzeugs schwerer als Luft angeordnet ist, daß die Luftfahrzeuge durch ein erstes elastisches Zugelement miteinander verbunden sind, daß die Nutzlast unter der Einrichtung mit Hilfe eines zweiten elastischen Zugelements aufgehängt ist und daß die Nutzlast angehoben und transportiert wird, während die Einrichtung bei minimaler Beeinflussung durch das Luftfahrzeug leichter als Luft manövriert wird.
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