DE3423976A1

DE3423976A1 - Antriebsvorrichtung, vorzugsweise fuer raum-, luft-, wasser- oder unterwasserfahrzeuge

Info

Publication number: DE3423976A1
Application number: DE19843423976
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: GRASSMANN JUSTUS M SC
Current assignee: GRASSMANN JUSTUS M SC
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1986-01-09

Description

Jipl.-ing. H. Schmitt _ÄÄ

DlpL-lng.W. Mauoher r 28. Juni 1984

Drelkönigstraße 13 -?-.... - - ^Ul" ^Ι3°*

Freiburg ; : : .-__..

Herr ' '" ? L ? Ί Q 7 R

Justus Grassmann M.Sc. (.MWbJ(.MbLHj Merianstr. 8
7800 Freiburg

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, vorzugsweise für Raum-, Luft-, Wasser- oder Unterwasserfahrzeuge, mit um eine senkrecht zur Fahrtrichtung verlaufende Drehungsachse antreibbaren Rotoren, mit auf diesen diametral gegenüberliegend angeordneten, in Richtung quer zur Drehungsachse hin- und her verschiebbaren Schwungmassen, die während jeder Rotorumdrehung mittels einer Führungseinrichtung exzentrisch zur Drehungsachse geführt sind.

Die Umformung der Zentrifugalkraft in lineare Kraft wird dadurch erzielt, daß an zumindest zwei, um eine senkrecht zur Fahrtrichtung verlaufende Drehungsachse gegenläufig umlaufenden Rotoren gleich schwere Schwungmassen angeordnet sind, die auf vertikal zur Drehungsachse angeordneten, sich um«180° diametralbeiderseits derselben erstreckenden und zusammen mit dem Rotor drehenden Armen durch eine Führungseinrichtung in Richtung radial zur Drehungsachse hin- und her verschiebbar sind, so daß die Schwungmassen mit in bezug zur Drehungsachse veränderlichem Radius eine zur Drehungsachse exzentrische Umlaufbahn beschreiben, so daß hierbei durch die Schwungmassen eine Unwucht erzielt wird, durch die eine das Fahrzeug in linearer Richtung antreibende lineare Schubkraft erzeugt wird.

Bei einer derartigen bekannten Antriebsvorrichtung (s.u.S-PS 3 968 700) dient als Führungseinrichtung für die hin- und hergehende Verschiebungsbewegung der Schwungmassen entlang den rotierenden Armen in zur Drehungsachse radialer Richtung eine zur Drehungsachse exzentrisch

gelagerte starre Nockenführungsbahn.

Eine derartige bekannte Führungseinrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Schwungmassen, die während ihrer Rotationsbewegung mit beträchtlicher durch die Fliehkraft erzeugter Andruckskraft an die Nockenführungsbahn angedrückt werden, bei ihrer Rotationsbewegung beträchtlicherReibungsverluste entlang der Nockenführungsbahn verursachen.

Weitere Nachteile der bekannten Vorrichtung bestehen hierbei darin, daß die die rotierenden Schwungmassen leitende Nockenführungsbahn starr ist, wodurch die Größe der Vorschubkraft nur durch eine Änderung der Umlaufgeschwindigkeit der Schwungmassen veränderbar ist.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß die mechanische Führungseinrichtung und somit die Steuerung starr ist, und daß dadurch die gegenseitige Lage der die Schwungmassen tragenden und gegenläufig zueinander rotierenden Rotoren nicht veränderbar ist. Auch wirkt sich das Fehlen von Einrichtungen zur vertikalen Verstellung der Rotationsebene der Rotore in bezug zur Drehungsachse nachteilig aus, so daß derartige bekannte Antriebsvorrichtungen für Flugkörper nicht geeignet sind, da mit einer solchen Gestaltung eine nur unzureichende Manövrierfähigkeit erzielbar ist.

Es ist auch eine der vorgenannten ähnliche Antriebsvorrichtung bekannt (s. FR-PS 2 020 488) bei der ein mit in Bezug zur Drehungsachse radial frei verstellbaren Schwungmassen versehener Rotor innerhalb einer Führungsbahn exzentrisch gelagert ist.

Eine derartige bekannte Antriebsvorrichtung, bei der die Schwungmassen durch die während der Rotationsbewegung des Rotors auftretende Zentrifugalkraft an die exzentrisch gelagerte Führungsbahn angepreßt werden, weist den gleichen Nachteil, wie die vorgenannte Antriebsvorrichtung auf, daß erstens erhebliche Reibungskräfte erzeugt werden und daß zweitens die Steuerung relativ starr ist und drittens, daß die gegenseitige Lage der die Schwungmassen tragenden und gegensinnig zueinander rotierenden Rotoren nicht veränderbar ist und daß Einrichtungen zur vertikalen Verstellung der Rotationsebene der Rotore in Bezug zur Drehungsachse fehlen, so daß hierdurch desgleichen eine nur unzureichende Manövrierfähigkeit erzielbar ist.

Es ist auch eine den beiden vorgenannten Antriebsvorrichtungen ähnliche Gestaltung bekannt (s. DE-OS 2 819 409), bei der um eine Drehungsachse drehbare Schwungmassen verwendet werden, deren Schwerpunkt bei Verwendung biegsamer , mittels Drucklufteinrichtung in Richtung quer zur Drehungsachse verschiebbar ist. Eine derartige bekannte Antriebsvorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß diese nur für den Antrieb geringer Schwungmassen verwendbar ist und daß nur geringe Vorschubkräfte und dadurch nur ein geringer Wirkungsgrad erzielbar ist, und daß die Antriebsvorrichtung durch die starre Gestaltung der mechanischen Steuerung nicht für Flugkörper geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Antriebsvorrichtung, vorzugsweise zur Verwendung für Raum-, Luft-, Wasser- oder Unterwasserfahrzeuge zu schaffen, mit der die Nachteile bisher bekannter Antriebsvorrichtungen vermieden werden können, wobei eine derartige Führungseinrichtung für die Einhaltung der erforderlichen Umlaufbahn der rotierenden Schwungmassen geschaffen werden soll, daß bei ihrer Rotationsbewegung die Schwungmassen nur geringen Reibungskräften ausgesetzt.sind, wobei eine unkomplizierte momentan wirksame Steuerungsmöglichkeit für eine Änderung der Flugrichtung ermöglicht werden soll.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst, sowie durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 18.

Erfiridungsgemäß ergibt sich der Vorteil, daß durch die neuartige Führungseinrichtung die Durchführung der in Richtung radial zur Drehungsachse erforderlichen Verschiebung der Schwungmassen ermöglicht wird, ohne daß hierbei nennenswerte Reibungsverluste auftreten können, wobei es des weiteren vorteilhaft ist, daß auf einfache Weise eine Änderung der Umlaufbahn der Schwungmassen ermöglicht werden kann, so daß durch eine individuelle Steuerungsmöglichkeit der die Schwungmassen verschiebenden Hubvorrichtungen der Größe des Verschiebungsweges der Schwungmassen und damit die Größe der Vorschubkraft auf bequeme einfache Weise geändert bzw. gesteuert werden kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Richtung der Vorschubkraft und damit die Flugrichtung auf einfache, momentan wirksame Weise äaderbahr ist, indem entweder die Richtung der Exzentrizitätsachse der Umlauf-

bahn der Schwungmassen verändert wird oder der Neigungswinkel der Rotationsebene in bezug zur Drehungsachse verändert wird.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Führungsund Steuerungseinrichtung der die Schwungmassen verschiebenden . Hub -Zylinder und durch die Möglichkeit des Zirkulierens , des Druckfluidums im geschlossenen Umlaufsystem sowie durch die elektrische Steuerungsmöglichkeit ergibt sich der Vorteil, daß die gesamte Antriebsvorrichtung in einem geschlossenen Behälter untergebracht werden kann, und daß diese für jegliche Art von Fahrzeugen, üie beispielsweise auch für Raumfahrzeuge und Unterwasserfahrzeuge verwendbar ist.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 die Antriebsvorrichtung im seitlichen Schnitt;

Fig. 2 die Antriebsvorrichtung mit zwei zueinander gegensinnig umlaufenden Rotoren im Querschnitt;

Fig. 3 eine zum Flug in der Erdatmosphäre dienende Flugscheibe, die sowohl mit auf einem Rotor radial verschiebbare Schwungmassen tragenden und unterschiedliche Fliehkräfte in eine lineare Vorschubkraft umwandelnden Antriebsvorrichtung als auch zusätzlich mit konventionell aerodynamisch antreibenden Propellern ausgestattet ist, in schematischer Darstellung im Schnitt;

Fig. 4 einen Flugkörper gemäß Fig. 3, bei dem die durch die unterschiedlichen Fliehkräfte antreibenden gegensinnig umlaufenden Rotoren in vertikalem Bereich um einen Winkel ο»» verstellbar sind;

Fig. 5 ein, dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ähnliche Gestaltung einer Flugscheibe mit einem einzigen in horizontaler Ebene umlaufenden Propeller und einem zusätzlichen, am Heck angeordneten, sich in vertikaler Ebene drehenden Propeller;

Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel des Flugkörpers, das dem in Fig. 3 dargestellten ähnlich ist, wobei die radial verschiebbaren Schwungmassen auf aerodynamisch antreibenden Propellern angeordnet sind;

Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel des Flugkörpers gemäß Fig. 3, bei dem anstelle der den Auftrieb bewirkenden zusätzlichen, in horizontaler Richtung umlaufenden Propellern zwei in vertikaler Ebene zueinander gegensinnig umlaufende, verschiebbare Schwungmassen tragende Rotoren verwendet sind;

Fig. 8 eine kompakter gestaltete Ausführungsform des. Flugkörpers gemäß Fig. 7, bei dem die in horizontaler Ebene umlaufenden Rotoren am Umfang zweier zueinander paralleler Ringe angeordnet sind;

Fig. 9 ein durch Gasfüllung getragenes Luftschiff, das mit der Antriebsvorrichtung in Form von radial verschiebbare Schwungmassen tragender Rotoren ausgestattet ist-,-νοη denen einige in horizontaler Ebene umlaufen und einige in senkrechter Ebene umlaufen;

Fig. 10 das Luftschiff gemäß Fig. 9, bei dem nach Erreichen einer vorgeschriebenen Flughöhe die für den Flug in vertikaler Richtung vorgesehenen Rotoren um 90 in die horizontale Flugrichtung umschwenkbar sind;

Fig. 11 ein anderes Ausführungsbeispiel für den Antrieb eines Raumschiffes, das nicht durch Gasfüllung getragen wird, sondern bei dem sowohl der Auftrieb , d.h. der Flug in vertikaler Richtung, als auch der Flug in horizontaler Richtung durch radial verschiebbare Schwungmassen tragende Rotore bewirkt wird;

Fig. 12 die Antriebsvorrichtung für das Raumschiff gemäß Fig. 11, bei dem nach Erreichen größerer Flughöhen einige der zum Vorschub in vertikaler Richtung dienende Rotore zur Steigerung der Fluggeschwindigkeit um 90° in die horizontale Flugrichtung umschwenkbar sind.

Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung beruht auf dem Prinzip der Umwandlung der Energie mit unterschiedlichen Fliehkräften rotierender Schwungmassen in lineare Antriebskraft, wobei auf einem Rotor beiderseits der Drer.--hüngs.achse zwei sich diametral gegenüberliegende Schwungmassen angeordnet sind, die mittels einer Führungsein-

richtung, die in Form von mit den Schwungmassen verbundenen steuerbaren . Hub ,-Zylindern gestaltet sind, bei jeder Umdrehung des Rotors hin- und hergehend in Richtung radial zur Drehungsachse und fort von dieser verschoben werden, so daß die Schwungmassen auf einer zur Drehungsachse des Rotors annähernd exzentrischen Umlaufbahn geführt werden, wodurch unterschiedliche Fliehkräfte auftreten, die ohne Masseausstoß eine lineare Vorschubkraft erzeugen. Das Prinzip der Erzeugung einer linearen Vorschubkraft mit rotierenden, ihren radialen Abstand während jeder Umdrehung ändernden Schwungmassen ist nicht neu. Meistens werden bei derartigen bekannten Antriebsvorrichtungen die Schwungmassen bei jeder Umdrehungsbewegung mittels einer Führungseinrichtung radial hin und her verschoben, die in Form einer Nockenbahn gestaltet ist, an die die Schwungmassen durch eine von der Zentrifugalkraft bewirkte Andruckskraft angepreßt werden. Es ist fraglich, ob mit derartigen bekannten Vorrichtungen eine effektive Vorschubkraft überhaupt erzielbar ist, da die auftretenden Reibungskräfte beträchtlich sind. Es ist auch argumentiert worden, daß in einem geschlossenen mechanischen System keine resultierende Vorschubkraft ohne einen Ausstoß von Masse, erzeugbar ist. Um zu beweisen, daß eine effektive Vorschubkraft auf diese Weise erzielbar ist, wurden mit entsprechenden Versuchsmodellen erfolgreiche Versuche durchgeführt, wobei es sich auch erwies, daß es möglich ist, die Richtung der erzielbaren Vorschubskraft und damit die Fahrtrichtung von derart antreibbaren Fahrzeugen oder Flugkörpern auf einfache Weise zu ändern.

Die erfindungsgemäße, vorzugsweise für Raum-, Luft-, Wasser- oder Unterwasserfahrzeuge verwendbare Antriebsvorrichtung (Fig. 1) weist, um eine senkrecht zur Fahrt-

richtung "A" verlaufende Drehungsachse 1 umlaufende Rotoren 2 auf, die in Form von Scheiben oder von quer zur Drehungsachse 1 verlaufenden, sich diametral beiderseits derselben erstreckenden Armen 6 bestehen und die von einem Elektromotor 12 als Hauptantriebsmotor angetrieben werden, wobei auf den Rotoren sich diametral gegenüberliegende Schwungmassen 3, 3* befinden, die in Richtung quer zur Drehungsachse 1 mittels einer Führungseinrichtung radial hin- und hergehend verschiebbar sind. Die Führungseinrichtung besteht in der gezeigten Ausführungsform aus auf den Armen 6 bzw. . .

6' der Rotoren 2 angeordneten Druckfluidum-Zylindern 4, 4' deren jeder über eine Kolbenstange 5 bzw. 5¹ mit einer, von jeweils gleich großen Schwungmassen 3 bzw. 3¹ verbunden ist. Die als Führungseinrichtung für die hin- und hergehende Verschiebungsbewegung der Schwungmassen 3, 3' dienende Druckfluidum-Zylinder 4, 4¹ werden mittels eines hydraulischen oder pneumatischen Systems betätigt, wobei das Druckfluidum über eine mit einem Absperrventil 7 versehene Zuleitung 8 von einem mit einem Druckfluidumbehälter verbundenen Kompressor 9 mittels einer Gleitkupplung 10 einem in der Drehungsachse 1 liegenden Rohrstutzen 11 zugeführt wird, wobei die Gleitkupplung 10 ein kragträgerförmiges freies Ende des Rohrstutzens 11 koaxial umfaßt, wbbei diese Gleitkupplung 10 das Druckfluidum vom stationären Teil zum rotierenden Teil der Antriebsvorrichtung überträgt. Durch diesen in der Drehungsachse liegenden Rohrstutzen 11 gelangt das Druckfluidum zu einem elektrisch betätigbaren steuernden Druckfluidum-Ventil 13, welches über einen mittels eines Servomotors 18 verstellbaren Kommutator 14 mit einer elektrischen Stromquelle, beispielsweise einer Batterie

15 verbunden ist, wobei der Kommutator 14 mit Unterbrechungen aufweisenden Leiterbahnen ausgestattet ist.

Durch den Kommutator 14 wird während einer halben Umdrehung der den Rotor 2 bildenden Arme 6, 6',der Stromkreis unterbrochen. Dadurch strömt das Druckfluidum in der in der Zeichnung durch Pfeile angedeuteten Richtung in gegengerichtete Zylinderräume der Zylinder 4 bzw. 4', so daß sowohl die Schwungmasse 3 als auch die Schwungmasse 3¹ gemäß Fig. 1 in Richtung nach rechts verschoben wird. Drehen sich die den Rotor 2 bildenden Arme 6 und 6* um weitere 180°, so wird der Stromkreis im Kommutator 14 wieder geschlossen und das Druckfluidum-Ventil 13 betätigt, wobei dann das Druckfluidum in umgekehrte Richtung in die gegenüberliegenden Zylinderräume der Zylinder 4 bzw. 4¹ gelangt, wobei die Kolben derselben zusammen mit den Schwungmassen 3 bzw. 3¹ in Gegenrichtung verschoben werden, derart, daß die Schwungmasse 3 in der Zeichnungsebene gemäß Fig. 1 nach links, d.h. nach außen und die Schwungmasse 3' nach innen verschoben wird.

Dadurch wird während des gesamten Vorganges durch jeweils unterschiedliche Fliehkräfte eine lineare Vorschubkraft in Richtung des Pfeiles "A", d.h. in Fahrtrichtung erzeugt, die von folgenden vier Größen abhängt:

a) von der Größe der Schwungmasse 3 bzw. 3$,

b) vom Abstand der Schwungmassen zum Zentrum des Rotors,

c) von der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors,

d) von der Geschwindigkeit, mit der die Schwungmassen 3, 3¹ hin- und herbewegt werden können.

Zur Vermeidung von Vibrationen und Unwuchten müssen die rotierenden Teile der Antriebsvorrichtung und zwar der Rotor 2 bzw. die gegensinnig umlaufenden Rotoren 2, 2¹, die Schwungmassen 3, 3', die Druckfluidum-Zylinder 4, 4¹ usw. genau ausgewuchtet sein.

Um eine Änderung der Vorschubkraft in horizontaler Ebene zu erreichen, d.h. ,um die Flugrichtung in der lotrecht zur Drehungsachse liegenden horizontalen Ebene zu verändern, wird der mit Schleifkontakten versehene stationäre Teil des Kommutators 14 durch Drehung im Bereich von 0 bis 360° verstellt, wodurch es möglich ist, den Vorschub bzw. die Flugrichtung im Bereich von desgleichen 0 bis 360° in horizontaler Ebene zu verändern.

Der mit Schleifkontakten versehene stationäre Teil des Kommutators 14 ist mit zur Änderung der Größe der

Vorschubkraft dienenden, die Kontaktdauer ändernden, d.h. verkürzenden oder verlängernden besonderen Kontaktflächen ausgestattet.

Es kann auch eine die Kontaktdauer der Kontaktflächen des Kommutators 14 ändernde elektrische Zeitschalteinrichtung verwendet werden.

Um eine größere oder kleinere Schubkraft vorzusehen, können auch die Schwungmassen 3, 3¹ bei stehendem Motor gegen anders wichtige Schwungmassen ausgewechselt werden.

Zusätzlich zur Erzielung eines Vorschubes in horizontaler Richtung, d.h. in" zur Drehungsachse 1 lotrechter Ebene, kann auch mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 1 eine Vorschubkomponente in vertikaler Richtung, d.h. in parallel zur Drehungsachse 1 verlaufender Ebene erzielt werden, indem die Rotationsebene des die Schwungmassen 3,3' tragenden Rotors 2 in bezug zur Drehungsachse 1 um einen vertikalen Winkel oL mittels eines elektrisch antreibbaren Servomotors 16 verstellt werden, wodurch es möglich ist, die Vorschubrichtung und damit die Fahrtrichtung in vertikaler Ebene im Bereich zwischen 0 und 360° zu ändern.

Um eine horizontale, lineare Flugrichtung einhalten zu können, werden jeweils zwei um die Drehungsachse 1 gegensinnig und synchron mit gleicher Umlaufgeschwindigkeit umlaufende gleichwichtige Rotoren 2, 2' verwendet.

Die Größe der Vorschubkraft kann auch durch Änderung der Art der Bewegung der gegensinnig rotierenden Arme 6, 6' des Rotors 2 bzw. 2¹ beeinflußt werden. Laufen die gegensinnig umlaufenden Arme 6, 6' der Rotore 2, 2¹ synchron zueinander, derart, daß sich die jeweils in der äußersten radialen Stellung befindlichen Schwungmassen 3, 3¹ gleichzeitig begegnen, dann hat die resultierende Schubkraft auch ihre maximale Größe. Wird die relative Lage zueinander der in ihrer äußersten radialen Stellung befindlichen Schwungmassen 3 bzw. 3¹ geändert, so tritt auch eine Änderung der Größe der Vorschubkraft ein. In diesem Falle gilt der Antrieb der beiden Rotoren 2, 2" nicht als starr, wie das beim bisher bekannten Stand der Technik der Fall war, sondern jeder der die Schwungmassen 3, 3' tragenden und gegensinnig umlaufenden Rotoren 2 bzw. 2¹ kann mit variabler Geschwindigkeitsregelung und dadurch mit individueller Umlaufsgeschwindigkeit angetrieben werden, mittels in Form von gesonderten Elektromotoren gestalteten Hauptantriebseinrichtungen 12,

Durch Änderung der Drehungsrichtung des stationären Teiles des Kommutators 14 und durch die dadurch bewirkte Änderung der durch die jeweils äußerste Stellung der Schwungmassen 3, 3' gehenden horizontale Achse wird somit eine Änderung der horizontalen Fahrtrichtung im Bereich zwischen 0 und 360 ermöglicht und zweitens kann durch die Möglichkeit einer Änderung der horizontalen Lage der

Rotationsebene des Rotors in bezug zur Drehungsachse 1 eine Änderung der Fahrtrichtung in vertikaler Ebene desgleichen im Bereich zwischen 0 und 360° erzielt werden, so daß auf einfache Weise eine momentan wirksam werdende Änderung der Vorschubsrichtung praktisch in jeder beliebigen Flugrichtung erzielbar ist, wobei im Zusammenhang mit der Änderungsmöglichkeit der Kontaktdauer des Kommutators oder der Verwendung eines individuellen Antriebes für jeden der gegensinnig umlaufenden Rotoren eine momentan wirksam werdende Änderung der Größe der Vorschubkraft ermöglicht wird, so daß für ein Fahrzeug oder einen Flugkörper eine momentan wirksam werdende extreme Manövrierfähigkeit erzielt wird, wobei sowohl die Antriebsvorrichtung als auch die Steuerungseinrichtung bei den gegebenen Möglichkeiten eine sehr einfache bauliche Gestaltung aufweisen, auf wirtschaftliche Weise herstellbar sind und bei geringem Eigengewicht einen extrem hohen Wirkungsgrad ermöglichen.

Dadurch, daß die Schwungmassen hydraulisch oder pneumatisch steuerbar sind, werden die bei bisher bekannten Vorrichtungen entlang mechanischer Nockenprofile auftretenden Reibungsverluste vermieden. Hierdurch wird die Antriebsvorrichtung auch zum Antrieb von Raumfahrzeugen und großen Flugscheiben verwendbar.

In der Antriebsvorrichtung (Fig. 1) ist eine Ansaugpumpe 17 vorgesehen, welche das von den Zylindern 4, 4 ^Ί entströmende Druckfluidum wieder aufsaugt und in den Kompressor 9 zurückführt.

Es folgt ein mit einem Versuchsmodell durchgeführtes Versuchsbeispiel für die Erzielung von linearen Vorschubkräften mittels rotierender Schwungmassen. Die

Zentrifugalkraft F eines Körpers mit einer bestimmten Masse M, der sich auf einer Kreisbahn vom Radius R mit gleichmäßiger Geschwindigkeit ν bewegt, ist :

Mv²

g . R

M = Masse des Körpers (gm) ν = Geschwindigkeit des Körpers (cm/see)

2 g = Konstante (981,45 cra/sec )

R = Radius des Kreises (cm) ist.
Das Versuchsmodell wies folgenden Aufbau auf:

Um die Arbeitsweise der Antriebsvorrichtung zu veranschaulichen und um die günstigsten Versuchs-Parameter festzustellen, wurde ein Modell erstellt, das einen Rotor 2 aufweist, der von einem Elektromotor mit 220 Volt A.C. mit 0,6 KW angetrieben wird. Die Schwungmassen 3, sind jeweils 1 Kg schwer. Sie werden von Zylindern 4, um eine Wegstrecke von 10 cm hin-und herbewegt und werden elektrisch gesteuert.

Der maximale Abstand einer jeden der Schwungmassen 3 bzw. 3' von der Drehungsachse 1 des Rotors 2 beträgt 23 cm und der Minimalabstand 13 cm (sh. die nebenstehende Skizze). Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Antriebmotors war stufenlos verstellbar,' wobei Druckluft von 5,5 Bar von einem Kompressor geliefert wurde, der von einem 0,4 KW, 220 V Motor angetrieben wurde. Nachdem zur Durchführung eines praktischen Versuches ein Druck von 5,5 Bar in der Druckluftzuleitung 8 erreicht war, wurde der Hauptmotor 12 angeschaltet und der Rotor 2 in Bewegung gesetzt. Während dieser Zeit war das Absperrventil 7 geschlossen und verhinderte auf diese Weise, daß die Zylinder 4, 4¹ mit Druckluft gefüllt wurden. Auf diese

Weise wurden die Schwungmassen 3 und 3* durch die auftretende Zentrifugalkraft in ihre äußerste Stellung geschoben; als der Rotor beschleunigte, war das System schon dynamisch ausgewuchtet. Nachdem die optimale Drehzahl des Rotors 2 erreicht war, wurde das Absperrventil 7 geöffnet und die Schwungmassen 3 und 3* begannen sich im Rhytmus hin- und herzubewegen.

Mittels der erzeugten Vorschubkraft begann sich jetzt das auf Rädern oder auf Luftkissen gelagerte gesamte Aggregat in Rieh tung der Vorschubkraft F₁ vorwärts zu bewegen.

Die Vorschubkraft konnte mittels einer Federwaage gemessen werden. Mit einem Stroboskop wurde die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors, bei welcher der optimale Vorschub erzeugt wurde, gemessen. Sie betrug etwa 250 U.P.M. Bei höheren Geschwindigkeiten war der Zeitintervall für die Schwungmassen 3, 3¹ zu kurz, um je Umdrehung in ihre ursprüngliche Ausgangslage zurückzukehren, welche 13 cm von der Drehungsachse lag. Das Gewicht des gesamten Apparates betrug 25 kg. Der Versuch ergab folgende Ergebhisse: Die Vorschubkraft F- für die Schwungmasse 3 beträgt:

wobei M₁ = 1 Kg = 1000 gm

V	=	602	—	Ι« Λ* —/ 60	(602)	1	cm/sec
V	SS	cm/see		2	= 23 cm
	^F1	1000 ·
		Λ Λ Λ M Ψ»	Λ . α. λ.

Kg -

F

F 2

Skizze

Für die Schwungmasse 3¹ :

M-, · v²

F = -1

g · R₂

wobei: M₂ = 1 Kg = 1000 gm

ν = cm/sec 60

ν =340 cm/sec

_{F =} _{Kq = 9 Kq}

^Δ 981,45 · 13 . 1000

Netto-Vorschu^:

₁-F₂ = 16 - 9 Kg = 7 Kg

Diese Vorschubkraft wurde nur während eines kurzen Teiles einer Umdrehung erzeugt und hatte mehr den Charakter eines

Impulses. Sie wirkte jedoch in der vorgeschriebenen Richtung. Gleichzeitig traten auch Reaktionskräfte auf, jedoch waren diese geringer. Der Beweis dafür war, daß sich der Gesamtapparat während seines Probelaufes in der vorgeschriebenen Richtung vorwärtsbewegte.

Um eine gleiche Bewegung des Apparates vom Ruhestand aus zu verursachen, wurde eine mit der Federwaage gemessene Zugkraft von 1,2 Kg benötigt.

Mit einer entsprechend größere Abmessungen aufweisenden entsprechenden Antriebsvorrichtung mit den entsprechend größeren Schwungmassen können selbstverständlich weit größere Vorschubkräfte erzielt werden. Das Prinzip ein Fahrzeug oder ein Flugkörper durch auf einem Rotor angeordnete, diametral hin- und herbewegbare, unterschiedliche Fliehkräfte erzeugende Schwungmassen anzutreiben, kann im weiten Bereich verwendet werden. Die Antriebsenergie kann von einem Verbrennungsmotor oder von einer elektrischen Energiequelle geliefert werden.

Da der Antrieb ohne Massenausstoß erfolgt und lediglich eine elektrische Energiequelle benötigt, eignet sich dieser besonders zum Antrieb von Raum-Flugkörpern. Ein solches Gerät ist im Querschnitt in Fig. 2 dargestellt. Hier sind zwei , in einem geschlossenen Behälter angeordnete identische, um eine gemeinsame Drehungsachse 1 gegensinnig zueinander rotierende Rotore 2, 2' mit auf diesen diametral gegenüberliegend in Richtung radial zur Drehungsachse durch Druckfluidum-Zylinder hin- und herverschiebbare Schwungmassen 3,3' vorgesehen. Gegensinnig zueinander rotierende Rotore sind erforderlich, um eine Drehung des Flugkörpers um seine

vertikale Achse durch auftretende Reaktionskräfte zu verhindern.

Die Steuerung erfolgt auf folgende Weise: Erstens kann eine Änderung der Fahrtrichtung zwischen 0 bis 360° in horizontaler, quer zur Drehungsachse verlaufender Ebene bewirkt werden, indem der nicht rotierende Teil des Kommutators 14 um einen entsprechenden Winkel verstellt wird.

Es kann auch eine Änderung der Fahrtrichtung in vertikaler, parallel zur Drehungsachse verlaufender Ebene im Bereich von 0 bis 360 erzielt werden, indem die die Schwungmassen 3, 3¹ tragenden, gegensinnig umlaufenden Rotoren 2,2' in bezug zur Drehungsachse 1 um einen vertikalen Winkel pt/ verstellt werden

Eine Änderung der Größe der Vorschubkraft während des Betriebes kann erstens durch Änderung der Kontaktdauer (oder durch eine Zeitschaltung) des Kommutators erzielt werden oder zweitens auch dadurch, daß die beiden gegenläufig rotierenden Rotoren mit jeweils gesonderten , nicht mit synchroner Umdrehungszahl antreibbaren Motoren angetrieben werden.

Der Antrieb von Raumflugkörpern kann durch eine elektrische Kraftquelle darunter auch durch Solarenergie bewirkt

werden, wobei·Raumflugkörper in kurzer Zeit auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können, da große Schubkräfte erzeugbar sind.

Es ist hierbei für den Antrieb von Raumflugkörpern vorteilhaft, daß kein Masseausstoß erfolgt und daß das für die Verschiebung der Schwungmassen benötigte Druckfluidum im geschlossenen System umlaufend geführt werden kann.

Beim Antrieb von Raumflugkörpern ergibt sich der Vorteil, daß der Raumflugkörper extrem schnell manövrierfähig ist und daß die Antriebsvorrichtung eine sehr einfache, auf wirtschaftliche Weise herstellbare bauliche Gestaltung aufweist, daß die Vorrichtung ein sehr geringes Eigengewicht aufweist und einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweist, und nur geringen Reibungsverlusten ausgesetzt ist, da bei der pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch betätigbaren Verschiebung der Schwungmassen praktisch keine Reibungskräfte auftreten können.

Eine Antriebsvorrichtung mit gegensinnig rotierenden Rotoren, auf denen sich diametral gegenüberliegende und radial hin- und her verschiebbare Schwungmassen 3, 3¹ vorgesehen sind, kann auch erfolgreich für den Antrieb von in der Atmosphäre fliegenden Flugscheiben verwendet werden, wobei durch die mögliche wirkungsvolle Steuerung eine momentane Richtungsänderung in sowohl horizontaler als auch vertikaler Flugrichtung im Bereich von 0 bis 360° erzielbar ist.

Beim Flug von Flugscheiben in der Atmosphäre (s. Fig. 3"

und Fig. 4) können zusätzlich zueinander gegensinnig rotierende Propeller 19, 19¹ verwendet werden, wobei bei niedrigen Geschwindigkeiten offenbare Luftklappen 20, 20' in der Gehäusewand vorgesehen sind, die bei größeren Fluggeschwindigkeiten geschlossen werden, so daß der Auftrieb dann durch die aerodynamische Form der Flugscheiben gefördert wird.,

In Fig. 4 sind die gegensinnig rotierenden Rotoren 2, 2¹ zur Geschwindigkeitsänderung um eine in bezug zur Drehungsachse 1 vertikalen Winkel OU verstellbar angeordnet. In größeren Höhen, in denen durch den geringeren Luftwiderstand größere horizontale Geschwindigkeiten er-

zeugt werden können, können die Luftklappen 20, 20· geschlossen und die Propeller 19, 19* stillgesetzt werden, wobei der Auftrieb dann durch die aerodynamische Form gewährleistet wird, wobei durch Drehung der Rotoren 2, 2¹ um einen vertikalen Winkel die Flugscheibe auch in vertikaler Richtung manövrierbar ist.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer in der Atmosphäre fliegenden Flugscheibe dargestellt, bei der außer ('den gegensinnig rotierenden Rotoren 2,

2¹ mit auf diesen hin- und herverschiebbaren Schwungmassen 3, 3¹ , für die Erzielung des Auftriebes ein einziger, um die Drehungsachse 1 in horizontaler Ebene rotierender Propeller 19 und ein zweiter in vertikaler Ebene rotierender Propeller 19" vorgesehen ist.

Die in Fig. 6 dargestellte Flugscheibe ist der in Fig. 3 dargestellten ähnlich, wobei es lediglich anders ist, daß die verschiebbaren Schwungmassen 3 und 3¹ auf den Enden der Propeller 19 bzw. 19' montiert sind.

Gemäß Fig. 7 sind die in einem geschlossenen Behälter um die Drehungsachse 1 antreibbaren, mit auf diesen diametral gegenüberliegend angeordneten hin- und herverschiebbaren Schwungmassen 3, 3¹ versehenen Rotoren

2, 2¹ , wie oben angegeben, in horizontaler Ebene drehbar angeordnet, wobei der Auftrieb jedoch nicht durch Propeller sondern desgleichen durch mit in vertikaler Ebene drehbaren Rotoren 2", 2"· bewirkt werden, die den in horizontaler Ebene rotierenden Rotoren 2, 2" identisch sind.

In Fig. 8 ist ein entsprechendes weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die in horizontaler Ebene rotierenden Rotoren 2, 2" am Umfang von zwei zueinander

parallel angeordneten Ringen befestigt sind.

Derartige in einem geschlossenen Behälter angeordnete Vorrichtungen, die mit entsprechenden elektrischen Antriebsquellen versehen sind, können als Raumfahrzeug oder als Unterwasserfahrzeug verwendet werden. In Fig. 9 ist ein mit Gas,beispielsweise mit Heliumgas gefülltes Luftschiff dargestellt, für dessen in vertikaler Richtung erfolgenden Vorschub in vertikaler Ebene gegensinnig zueinander rotierende Rotoren 21, 21' angeordnet sind, auf denen in der genannten Weise mittels Zylindern diametral hin- und her verschiebbare Schwungmassen vorgesehen sind,und für den Antrieb in horizontaler Ebene eben solche Rotoren 22, 22' mit auf diesen angeordneten durch Zylinder diametral hin- und her verschiebbaren Schwungmassen. Beim Erreichen -von Flughöhen, in denen durch den geringeren Luftwiderstand größere Geschwindigkeiten möglich sind, können gemäß Fig. 10 die bisher in vertikaler Richtung antreibenden Antriebsvorrichtungen durch Umschalten der Rotoren 21, 21' um 90° in die horizontale Richtung desgleichen für den Antrieb in horizontaler Richtung verwendet werden.

Bei einem '

Raumschiff gemäß Fig. 11 sind für den Antrieb in vertikaler Richtung insgesamt sechs Antriebsvorrichtungen mit in vertikaler Richtung rotierenden Rotoren 21, 21 * bzw. 22, 22' vorgesehen, von denen unter gegebenen Umständen zur Erhöhung des horizontalen Antriebes die vorderste und die rückwärtige Antriebsvorrichtung um

90° gedreht werden können, so daß deren zueinander im Gegensinn rotierende Rotoren 21, 21' das Raumfahrzeug zusätzlich in horizontaler Richtung antreiben.

Anstatt Druckfluidum-Zylindern, d.h. insbesondere Pneumatik- oder Hydraulikzylindern, können auch elektromagnetische Hubzylinder, z.B. Hubmagnete verwendet werden, durch die ein zusätzliches Betriebsmedium vermieden werden kann.

Erwähnt sei noch, daß durch Drehmomentenverschiebung insbesondere bei gegenläufigen Rotoren auch ein Positionieren des gesamten Fahrzeuges um die Drehachse möglich ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE - . . - ^ Juni 1984

DIPL.-ING. H. SCHMITT 7eyn>iiBijfioi:iin " "" : ^T

• W. MAUCHER 3 k 23976

707 74

Herr

Justus Grassmann M.Sc.(ENG) (MECH)

Merianstraße 8 7800 Freiburs

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M 84 173

Antriebsvorrichtung, vorzugsweise für Raum-, Luft-, Wasser- oder Unterwasserfahrzeuge.

Patentansprüche

M.ι Antriebsvorrichtung, vorzugsweise für Raum-, Luft-, Wasser- oder Unterwasserfahrzeuge, mit um eine senkrecht zur Fahrtrichtung verlaufende Drehungsachse antreibbaren Rotoren, mit auf diesen diametral gegenüberliegend angeordneten, in Richtung zur Drehungsachse hin- und her verschiebbar en Schwungmassen, die während jeder Rotorumdrehung mittels einer Führungseinrichtung exentrisch zur Drehungsachse geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung aus auf den Rotoren (2, 2¹) angeordneten steuerbaren Druckfluidum-Zylindern (4, 4'), Hubmagneten od.dgl. Hubvorrichtungen besteht,die mit jeder der Schwungmassen (3, 3') verbunden sind und diese während jeder Umdrehung in Richtung radial zur Drehachse hin- und herverschieben.

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2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet , daß die Rotoren (2, 2') in Form von diametral zur Drehungsachse (1) verlaufenden Armen (6, 6') gestaltet sind.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (2, 2') in Form einer Scheibe gestaltet sind.
4. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei mit gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit gegenläufig um die Drehungsachse (1) rotierende Rotoren (2, 2¹) vorgesehen sind.
5. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Hubzylinder als Druckfluidum-Zylinder die Drehungsachse als Rohrstutzen (11) ausgebildet ist, an dessen kragträgerförmig gestaltetem freien Ende eine das Druckfluidum zuführende, koaxiale Gleitkupplung (10) angeordnet ist.
- 6. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte, vorzugsweise elektrische Antriebseinrichtung innerhalb eines geschlossenen Behälters angeordnet ist und das Druckfluidxum in geschlossenem Umlaufsystem zirkulierend geführt ist.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Hubbewegung der die Schwungmassen (3, 3¹J verschiebenden Druckfluidum-Zylinder (4, 4¹) ein elektrisch betätigbares Druckfluidum-Ventil (13) dient.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Druckfluidum-Ventiles (13) über einen Kommutator (14) erfolgt, der die Stromzufuhr zeitlich unterbrechende Schleifkontakte aufweist.
9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Schleifkontakten versehene stationäre Teil des Kommutators (14) um die Drehungsachse (1) im Bereich von 0° bis 360 verstellbar ist.
10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Schleifkontakten versehene stationäre Teil des Kommutators (14) mit zur Änderung der Größe der Vorschubkraft dienenden, die Kontaktdauer ändernden , d.h. verkürzenden oder verlängernden besonderen Kontaktflächen ausgestattet ist.
11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Kontaktdauer der Kontaktflächen des Kommutators (14) ändernde elektrische Zeitschalteinrichtung vorgesehen ist.
12. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsebene des die Schwungmassen (3, 3¹) tragenden Rotors (2,-2') in Bezug zur Drehungsachse (1) um einen vertikalen Winkel oe, verstellbar ist.
13. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der die Schwungmassen (3, 3¹)tragenden und gegensinnig umlaufenden Rotoren (2, 2') eine eigene, mit individueller Umlaufgeschwindigkeit antreibbare, als Elektromotor gestaltete Hauptantriebseinrichtung (12) aufweist.
14. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmassen (3, 3') gegen anders wichtige Schwungmassen auswechselbar sind.
15. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Antrieb von Flugscheiben, um die Drehungsachse rotierende, einen Senkrechtstart ermöglichende Propeller (19, 19') vorgesehen sind.
16. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung in Raumflugkörpern oder Luftschiffen sowohl um eine senkrecht zur Fahrtrichtung verlaufende Drehungsachse (1) rotierende Rotoren (2, 2') als auch um eine parallel zur Fahrtrichtung verlaufende Drehungsachse (1') rotierende Rotoren (2", 2"¹) verwendet sind.
17. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehungsachsen der Rotoren (2, 2¹ bzw. 2", 2"') um einen Drehungswinkel von 90° verstellbar sind.
18. Antriebsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Hubvorrichtungen als Hubmagnete diese eine Zylinderspule sowie einen Tauchanker aufweisen und daß sie insbesondere direkt elektrisch mit dem Kommutator (14) verbunden sind.

- Beschreibung -