DE4217374A1

DE4217374A1 - Luftfahrzeug, das sich am Boden auf einem Luftkissen schwebend bewegt und in der Luft wie ein Flugzeug fliegt - Aerodynamische Mehrzweck Apparatur, Kurzbezeichnung AMA

Info

Publication number: DE4217374A1
Application number: DE4217374A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Bach; Thomas Bach
Original assignee: Individual
Current assignee: BACH, EBERHARD, DIPL.-ING., 53639 KOENIGSWINTER, D
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1993-12-02
Also published as: DE4320625A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Fahrzeuge, die sich am Boden wie ein Luft kissenfahrzeug bewegen und manöverieren und in der Luft wie ein Flugzeug fliegen können. Sie kann als Luftfahrzeug mit Kurzstart- und -landeeigenschaften (STOL) bezeichnet werden. Dank der Mög lichkeit der Automatisierung der Flugstabilität und von Elementen der Flugführung kann es wie ein Auto benutzt werden. Es ist auto nom einsetzbar, d. h. es ist unabhängig von befestigten Start- und Landebahnen und einem aufwendigen Servicesystem. Die Erfindung ist zum Transport von Personen und Gütern ebenso geeignet, wie als Träger von Sensoren zur Fernerkundung der Erde oder andere Aufga ben der Luftfahrt.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind Luftfahrzeuge und Luftkissenfahrzeuge verschiedener Kategorien. Im Verkehrsflug am weitesten verbreitet sind Starrflü gelflugzeuge, die auf Grund ihrer Flugeigenschaften an große Flug hafenanlagen mit ausgedehnten Pisten und aufwendigen Serviceein richtungen gebunden sind.

Hubschrauber haben sich als Senkrechtstarter (VTOL) einen festen Platz in der modernen Luftfahrt erobert. Die Drehflügeltechnologie läßt aber nur Flüge mit geringen Geschwindigkeiten zu. Außerdem wird die Senkrechtstartfähigkeit mit einem sehr hohen Energieauf wand erkauft. Lärm und Vibration sind weitere Schwachpunkte der Hubschrauber.

Versuche einer Kombination dieser beiden Kategorien von Luftfahrzeugen (Verbundflugzeug, Tiltrotor, Kippflügler etc.) sind wegen extremer Stabilitätsprobleme aus dem Experimentstadium nicht her ausgekommen (1). Erwähnenswert sind erfolgversprechende Flugversu che mit Tiltrotorflugzeugen in den USA (X-19A 1963; Bell XV-15 1973) und Kippflügelsystemen (Ling Temco Vought XC-142 1964). Ent sprechende Projekte in Deutschland (VFW, MBB) wurden Anfang der 70er Jahre aufgegeben. Neuere Vorhaben z. B. mit schwenkbaren Blä sertriebwerken (Grumman-698 1979) oder MBB Rotorjet 1976 zeigen die Aktualität des V/STOL Flugproblems.

Weitere Erfindungen, die sich mit dem Luftkisseneffekt befassen, sind Stauflügelfahrzeuge (2), Luftkissenfahrzeuge (3) oder Boden effektfahrzeuge (4, 5, 6). Diese Fahrzeuge sind nur dazu geeignet, sich wenige Zentimeter über der Oberfläche ohne Haftreibung zu be wegen, sie können nicht fliegen.

(1) Hafer X., Sachs G. Senkrechtstarttechnik Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1982 (2) Volkersen, Olaf, Prof. Dr., 6144 Zwingenberg, DE "Stauflügelfahrzeug" Patentschrift DE 25 43 716 (3) Kjoelseth, Paul, 2007 Kjeller, NO; Mowill, Rolf Jan, Oslo, NO "Luftkissenfahrzeug" Patentschrift DE 33 19 127 (4) Blum, Albert, 5204 Lohmar, DE "Bodeneffektfahrzeug" Patentschrift DE 39 37 240 (5) Matsuoka, Toshio c/o Kobe, Japan "Ground surface-effect wing planet" Patentschrift EP 0411 358 A1, 11.7.1990 (6) Ronald L. Bourn, San Diego, Cal. USA (1987) "RAM Wing Surface Effect Vehicle" US Patent Number 4 705 234

Problemstellung, Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Luftfahr zeugs, mit Kurzstart- und -landeeigenschaften (STOL), das sich am Boden auf einem Luftkissen schwebend bewegen und in der Luft wie ein Flugzeug fliegen kann.

Darlegung des Wesentlichen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug zu schaf fen, das die Vorzüge eines Luftkissenfahrzeugs bei der Bewegung am Boden mit denen eines Flugzeugs im Fluge verbindet und darüber hinaus umweltfreundlich ist und die eingesetzte Energie effektiv in Bewegung umsetzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anordnung und Beweg lichkeit der Tragflächen und Antriebe nach Anspruch 1. und 2. ge löst. Ein Luftfahrzeug mit zwei Rumpfzellen in Katamarananordnung, zwischen denen mehrere Tragflächen hintereinander um ihre Querach sen schwenkbar angeordnet sind und an deren Oberseite Luftbe schleuniger accomodiert sind, ist bisher nicht bekannt. Mit dieser Lösung wird es möglich, vom Luftkissen-Schwebeflug zum normalen Flug und umgekehrt überzugehen. Darüber hinaus können mittels ei nes elektronischen Flugregelsystems die Flugstabilität automatisch gewährleistet und Elemente der Flugführung automatisiert werden.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 + 2 dargestellt.

Das Fahrzeug besteht aus zwei Rumpfzellen 1 in Katamarananordnung, zwischen denen erfindungsgemäß mehrere um ihre Querachsen schwenk bare Tragflächen 2 montiert sind, an deren Oberseite sich die An triebsaggregate 3 befinden, die so dimensioniert sein sollten, daß sie über die gesamte Breite der Tragflächen verteilt werden können (Tragflächen-/Antriebssystem 2/3). Zur Bewegung des Fahrzeugs am Boden (vorzugsweise auf Wasserflächen) werden das Tragflächen /Antriebssystem 2/3 und die zweigeteilte Heckfläche in eine Stel lung nach Fig. 1.1 gebracht. Wenn die Antriebsaggregate 3, die her kömmliche Propeller, Tunnelschrauben, Profan oder andere Luftbe schleuniger sein können, auf maximalen Schub gefahren werden, wird die Luft in dem Raum zwischen den Rumpfzellen 1 und den Tragflä chen 2 nach unten hin komprimiert und es bildet sich zwischen Fahrzeugunterseite und Erdboden (vorzugsweise auf Wasserflächen) ein Luftkissen. Bei genügender Dimensionierung der Antriebe wird sich das Fahrzeug leicht anheben. Elastische, nach innen gewölbte Kragen 10 an der Unterseite der Rumpfzellen 1 und die elastische Ausbildung der Endkanten der Tragflächen nach Anspruch 1.c) sowie die Einstellwinkel der Tragflächen nach Fig. 1.1 bewirken, daß der Luftkissenraum nach vorn hin hermetisiert wird, während es sich am Fahrzeugheck öffnet. Das Entweichen der Luft am Heck bewirkt eine sich beschleunigende Bewegung des Fahrzeugs nach vorn. Die Fahrtrichtung wird durch Leitwerksflossen 4 nach Anspruch 5. sta bilisiert und kann durch Steuerung der Richtung der aus dem Luft kissen aus strömenden Luft mittels Spreizklappen 7 an den äußeren Enden der elastischen Endkante der zweigeteilten Heckfläche 6 nach Anspruch 4. geändert werden.

Die Anordnung der Antriebsaggregate 3 an der Profiloberseite im letzten Drittel der Profiltiefe und die Verteilung derselben über die gesamte Breite der Tragflächen 2 nach Anspruch 2. bewirken schon in der Anfangsphase des Starts die Erzeugung aufwärts ge richteter Luftkräfte, die sich bei zunehmender Geschwindigkeit verstärken. Außerdem gewährleistet diese Anordnung die Stabilität des Flugzustandes bei geringer Geschwindigkeit und großen Anstell winkeln. Es empfiehlt sich, zur Vermeidung großer Massen der zu bewegenden Tragwerks-/Antriebssysteme 2/3 bei dieser Anordnung elektrisch getriebene Luftschrauben nach Anspruch 3. mit Versor gung von zentralen Energiestationen 11 zu verwenden.

Die Auftriebskomponenten der zweigeteilten Bugfläche 5 und der zweigeteilten Heckfläche 6 sind in der Phase des Abhebens und Auf holens der Geschwindigkeit am größten. Nach Schwinden des Luftkis seneffektes wird ihr Einstellwinkel verringert und sie sind im We sentlichen zur Stabilisierung der Längsneigung (pitch) nach An spruch 5d) wirksam, während die Auftriebswirksamkeit der seitli chen Stabilisierungsflossen 8 und des statischen Tragflächenteils 12 nach Anspruch 5. und 10. zunimmt.

Der Übergang der Tragwerks-/Antriebskonstruktionen 2/3 von der Startstellung (Fig. 1.1) in die Flugstellung (Fig. 1.2) und umge kehrt nach Anspruch 1. und 2. muß allmählich bei ständiger Gewähr leistung der aerodynamischen Stabilität des Fahrzeugs erfolgen. Dazu tragen die elektrisch verstellbaren Ruderorgane nach Anspruch 5. und 7., die Spreizklappen 9 nach Anspruch 6. sowie ein Flugregelsystem nach Anspruch 8. bei, welches über Strömungs-, Conditions- und Fluglagesensoren die erforderlichen Informationen zur automatischen Aufrechterhaltung der Flugstabilität mittels Prozessorsystem und elektrischer Stellglieder erhält. Die automa tische Regelung der Ruder- und Klappenstellungen sowie der indivi duellen Leistung der einzelnen Antriebsaggregate 3 wird nach An spruch 7. ermöglicht. Sie gewährleistet die Aufrechterhaltung des jeweils eingestellten Flugzustandes, der nach Anspruch 9. manuell gesteuert werden kann.

Im Steig-, Horizontal- und Sinkflug wird sich das Fahrzeug bei Flugstellung (Fig. 1.2) der Tragwerks-/Antriebskonstruktionen 2/3 ähnlich wie ein konventionelles Flugzeug verhalten. Der Landean flug kann bei allmählichem Übergang der Tragwerks /Antriebskonstruktionen 2/3 in eine Stellung nach Fig. 1.1 mit sehr geringer Geschwindigkeit erfolgen, was ein sanftes Aufsetzen auf Wasser- oder ebenen Grasflächen ermöglicht. Die Flugstabilität und Steuerbarkeit des Luftfahrzeugs werden in diesem Flugzustand dadurch gewährleistet, daß nach Anspruch 1. und 2. die Umströmung der Tragflächen ständig gewährleistet und ein Abreißen der Strö mung bei überkritischen Anstellwinkeln verhindert wird und daß nach Anspruch 8. dieser Prozeß automatisch geregelt wird. Bei Ver ringerung der Geschwindigkeit im Landeanflug und Erhöhung der An stellwinkel der Tragflächen 2 durch Schwenken der Tragwerks /Antriebskonstruktionen 2/3 wird im Bereich der kritischen An stellwinkel zur Erhaltung der Flugstabilität eine Erhöhung der Schubleistung der Antriebsagregate 3 erforderlich sein. Zusätzlich ausfahrbare Spreizklappen 9 an der Unterseite der Tragflächen 2 nach Anspruch 6. sorgen dabei für den notwendigen Widerstand zur weiteren Reduzierung der Geschwindigkeit bei gleichzeitiger Auf triebserhöhung.

Ein Verzicht auf die Masse aufwendiger Fahrwerkskonstruktionen trägt zur Energieeinsparung bei. Deshalb sollte das Fahrzeug vor zugsweise auf Wasserflächen starten und landen. Ein leichtes Fahr werk macht es aber auch auf der festen Oberfläche einsatzfähig. Wegen der geringen Geschwindigkeit und des geringen Bodendruckes bei Start und Landung sind keine versiegelten Flächen erforder lich, was sehr umweltfreundlich ist. Die Nutzlasten können im Fahrzeug nach Anspruch 10 entweder in den beiden Rumpfzellen 1 verteilt oder in statischen Tragflächenteilen 12 in Schwerpunktnähe untergebracht werden. Fig. 1A zeigt eine Variante des Luftfahrzeugs mit Fahrgastraum in einem statischen Tragflächenteil 12.

Die Kontrolle und Steuerung der dreidimensionalen Bewegungen des Fahrzeugs soll durch Nutzung des Navstar Global Positioning System (GPS) nach Anspruch 11 weitgehend automatisierbar sein. Die stän dige dreidimensionale Positionsbestimmung mit Genauigkeiten im Me terbereich erlaubt eine automatische Steuerung des Fahrzeugs nach Kurs, Geschwindigkeit und Höhe. Dadurch wird es unabhängig von Wetter und Tageszeit einsatzfähig. Die Erfindung ist als neuartiges Luftfahrzeug vielseitig verwendbar. Sie ist wegen ihrer Kurzstarteigenschaft (STOL) und autonomen Flugführung von großen Flughafenanlagen unabhängig und kann als Transportmittel wie ein Auto benutzt werden. Im Vergleich zum Auto ist sie schneller und beweglicher, weil von Straßen und Autobahnen unabhängig. Im Vergleich zum Hubschrauber ist sie wirtschaftlicher, umweltfreundlicher und schneller.

Claims

1. Luftfahrzeug mit schwenkbarem Tragwerke/Antriebssystem zwischen zwei Rumpfzellen in Katamarananordnung, welches für Bewegungen am Boden zwischen Fahrzeugunterseite und Erdoberfläche (vorzugsweise auf Wasserflächen) ein Luftkissen und für Bewegungen in der Luft die erforderlichen Auf- und Vortriebskräfte erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) mehrere (2 bis 4) Tragflächen mit aerodynamisch optimiertem Profil in definierten Abständen hintereinander zwischen zwei Rumpfzellen um ihre Querachsen schwenkbar angeordnet sind,
b) der Schwenkbereich Änderungen der Einstellwinkel zwischen den Profilsehnen der Tragflächen und den Rumpflängsachsen bis zu 60° zuläßt,
c) die Endkanten der Tragflächen und die geradlinige Unterseite der Rumpfzellen zur Erzielung des Luftkisseneffektes elastisch ausgebildet sind oder die Tragflächen an den Endkanten mit ausfahrbaren elastischen Klappen versehen sind.

2. Luftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsaggregate, die herkömmliche Propeller, Tunnelschrauben, Profan oder andere Luftbeschleuniger sein können, zur Erzeugung eines auftriebswirksamen Luftstroms an der Profiloberseite im letzten Drittel der Profiltiefe der schwenkbaren Tragflächen ange ordnet und über die gesamte Breite der Tragflächen verteilt sind.

3. Luftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsaggregate vorzugsweise elektrisch getriebene Propeller mit geringer Eigenmasse sind, die ihre Energie von zentralen Energie stationen beziehen, die im statischen Teil des Luftfahrzeugs in stalliert sein können.

4. Luftfahrzeug nach Anspruch 1, ausgestattet mit Spreizklappen an den äußeren Enden der elastischen Endkante der Heckfläche zur Steuerung der Richtung der aus dem Luftkissen entweichenden Luft bei Bewegungen des Fahrzeugs in Bodennähe.

5. Luftfahrzeug nach Anspruch 1, ausgestattet mit horizontalen Stabilisierungsflossen an den Außenseiten und mit vertikalen Sei tenleitwerksflossen am Heck der beiden Rumpfzellen sowie mit Ru derorganen zur Steuerung des Flugzustandes, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Kursstabilität durch die Wirkung der vertikalen Leit werksflossen und Winglets erhalten wird und der Kurs (yaw) mit Seitenruder steuerbar ist,
b) die Querstabilität durch die aerodynamische Wirkung der seitlich angebrachten Stabilisierungsflossen mit Winglets er halten wird und die Querneigung (roll) durch Anstellwinkelver änderung der äußeren Segmente einer Tragfläche, auf welche der Luftstrom je eines Antriebsaggregats einwirkt, steuerbar ist.
c) die Längsstabilität durch die aerodynamische Wirkung der Stabilisierungsflossen mit Winglets sowie der Bug- und Heckflächen erhalten wird und die Längsneigung (pitch) durch koordinierte Änderung der Einstellwinkel der Bug- und Heckflä chen steuerbar ist und
d) die Bug- und Heckflächen zur Erhöhung der Stabilität bei großen Anstellwinkeln zweigeteilt sind.

6. Luftfahrzeug nach Anspruch 5, ausgestattet mit Spreizklappen an der Unterseite der Tragflächen zur Erhöhung des Widerstandes und des Auftriebes im Landeanflug bei geringer Geschwindigkeit und großen Anstellwinkeln sowie zur Umlenkung der Schubstrahlen der Antriebsaggregate nach unten.

7. Luftfahrzeug nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen, die Ruderorgane und die Leistung der einzelnen Antriebsaggregate elektrisch verstellbar sind (fly by wire).

8. Luftfahrzeug nach Anspruch 7, ausgestattet mit einem Flugregel system, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Fluglageparameter (roll, pitch, yaw), die Einstellwin kel der Tragflächen und Ruderorgane und die Schubleistung der einzelnen Antriebsaggregate sowie an definierten Stellen der Tragflächen die Störungsparameter (Anstellwinkel, Geschwindig keit) ständig gemessen und einem Mikroprozessorsystem zuge führt werden, welches für jeden möglichen Flugzustand die op timalen Einstellwinkel der Tragflächen und Ruderorgane sowie die erforderliche Schubleistung für jedes Antriebsaggregat er mittelt und
b) mittels der ermittelten Steuersignale durch automatische Verstellung der Ruderorgane und der Schubleistung der Antrieb saggregate ständig ein stabiler Flugzustand gewährleistet wird.

9. Luftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flugzustand über Bedienhebel (joystik) manuell gesteuert werden kann.

10. Luftfahrzeug nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, daß die Nutzlasten in den beiden Rumpfzellen ver teilt oder in im Schwerpunktbereich des Fahrzeugs befindlichen statischen Tragflächenteilen untergebracht sein können.

11. Luftfahrzeug nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgestat tet mit einem GPS Empfangs- und Verarbeitungssystem dadurch ge kennzeichnet, daß mittels der empfangenen GPS-Signale eine stän dige Überwachung der dreidimensionalen Bewegungen des Luftfahr zeugs erfolgt und eine automatische Steuerung des Flugzustandes nach Kurs, Geschwindigkeit und Höhe ermöglicht wird.