DE4320625A1 - Schwingenrotor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft den Antrieb für Luftfahrzeuge, die sich am
Boden auf einem Luftkissen schwebend bewegen und in der Luft wie
ein Flugzeug fliegen (Anm. Deutsches Patentamt am 26.05.1992, Az:
P 42 17 374.4). Diese Fahrzeuge, auch Aerodynamische Mehrzweck
Apparaturen (AMA) genannt, benötigen einen Antrieb, der im Zusam
menwirken mit schwenkbaren Tragflächen zwischen zwei Rumpfzellen
in Katamarananordnung in Bodennähe im Stand ein Luftkissen aufbaut
und bei Vorwärtsbewegung für den Stauflügeleffekt den Luftstrom
sowie für die Transition in den normalen Flug die erforderlichen
Vor- und Auftriebskräfte (Schub) erzeugt. Prinzipiell ist es mög
lich, dafür herkömmliche Luftfahrzeugantriebe (Luftbeschleuniger)
zu verwenden, wobei allerdings Hilfseinrichtungen zur Verteilung
des Luftstroms über die schwenkbaren Tragflächen sowie zur Steue
rung der Richtung des Schubvektors erforderlich sind.
Die Erfindung ist dem besonderen aerodynamischen Prinzip der AMA
angepaßt. Sie ermöglicht die Erzeugung eines breiten, flachen
Luftstroms und die Steuerung der Richtung des Schubvektors in den
erforderlichen Grenzen. Besonders bei Luftfahrzeugen, die nicht
für den Flug mit großer Geschwindigkeit ausgelegt sind, sondern
bei denen es auf Senkrecht- oder Kurzstart- und -landeeigenschaf
ten (VSTOL) und einen stabilen Flug bei geringer Geschwindigkeit
(z. B. Fernerkundung) ankommt, kann die Anwendung von Schwingen
rotoren von Vorteil sein.
Antriebe für Luftfahrzeuge sind in jedem Fall Luft- oder Gas
beschleuniger. Bekannt sind Luftschrauben, Mantel- oder Tunnel
schrauben (Fan) sowie Reaktivantriebe wie Turbinen-Luftstrahl-
Triebwerke und Raketen. Während letztere die Reaktivkraft der bei
der Brennstoffverbrennung expandierenden und aus dem Brennraum
entweichenden Gase zur Schuberzeugung nutzen, arbeiten erstere
nach dem Ventilatorprinzip. Luftschrauben sind mechanisch oder
elektrisch mit einer Kraftmaschine gekoppelt. Sie bestehen aus
mindestens zwei um eine Achse rotierenden aerodynamisch optimal
geformten Blättern, deren Blattspitzen sich auf einer Kreisbahn
nahe der Schallgeschwindigkeit bewegen. Die aerodynamische Wech
selwirkung der Blätter mit der umgebenden Luft bewirkt deren Be
schleunigung in eine definierte Richtung und damit die Schuberzeu
gung. Die Luftschraubenachse ist i.R. parallel zur Flugrichtung in
das Luftfahrzeug eingebaut.
Sonderfälle der Anwendung von Luftschrauben sind Hubschrauber- und
Tiltrotorantriebe.
Weitere Erfindungen, die sich mit dem Antrieb von Luftfahrzeugen
befassen, sind Wellpropeller und elastische Weller /1/, /2/.
Wellpropeller arbeiten nach dem Prinzip des Pendelruders. Die
Funktionsweise ist ähnlich der des Schwingenrotors, wobei die
Einstellwinkel der Propellerblätter (Weller) während der
Drehbewegung über den Rotorkreis mechanisch so verstellt werden,
daß die anströmende Luft in eine definierte Richtung beschleunigt
wird. Dabei ist jedoch keine elektronische Regelung zur
Optimierung der Steuerung der Einstellwinkel vorgesehen und eine
Schubvektorsteuerung ist nicht möglich.
Der elastische Weller ist ein Wellpropeller mit elastischen
Propellerblättern.
Praktische Anwendungen dieser Antriebstechnik im Flugwesen sind
nicht bekannt.
Bekannt ist weiter ein Drehflügelantrieb für Luftfahrzeuge /3/.
An einem Pylon auf dem Rumpf eines an sich bekannten Flugzeugs
sollen über eine gemeinsame Welle zwei spiegelbildlich angeordnete
Flügel (Schwingen) über komplizierte Mechanismen in kegelförmigen
Bahnen derart bewegt werden, daß ein Schub entsteht. Diese
Anordnung ist als Alternative zur Luftschraube, insbesondere zur
Reduzierung der Lärmbelastung durch Luftfahrzeuge gedacht. Zur
Erzielung einer effektiven aerodynamischen Wechselwirkung ist eine
zyklische Steuerung der Blatteinstellwinkel vorgesehen. Es ist
leider nicht bekannt, ob der beschriebene Drehflügelantrieb je
funktioniert hat.
/1/ Antrieb für Luft-, Land- und Wasserfahrzeuge von mittlerer
Flug- bzw. Fahrgeschwindigkeit
Patent: DD 24 152
Erfinder: W. Schmidt, Dresden, DE.
/2/ Wellpropeller mit elastischem Wellerblatt
Patente: DD 1 11 186, DD 1 48 616
Erfinder: W. Schmidt, Dresden, DE.
/3/ Drehflügelantrieb für Luftfahrzeuge
Patent: DT 23 35 581 A1, 1973
Erfinder: U. Bischof, 7920 Ehingen, DE.
Patent: DD 24 152
Erfinder: W. Schmidt, Dresden, DE.
/2/ Wellpropeller mit elastischem Wellerblatt
Patente: DD 1 11 186, DD 1 48 616
Erfinder: W. Schmidt, Dresden, DE.
/3/ Drehflügelantrieb für Luftfahrzeuge
Patent: DT 23 35 581 A1, 1973
Erfinder: U. Bischof, 7920 Ehingen, DE.
Das Problem besteht darin, daß bekannte Luftfahrzeugantriebe bei
der Verwendung in AMA Nachteile aufweisen, die vor allem darin be
stehen, daß zur Verteilung des erzeugten Luftstromes über die
Tragflächen (Power Augmentation) und zur Steuerung der Richtung
des Schubvektors Hilfseinrichtungen erforderlich sind.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Antriebssystem für AMA
zu schaffen, das - zumindest für langsam fliegende AMA - den be
sonderen aerodynamischen Eigenschaften dieser Kategorie von Luft
fahrzeugen weitgehend angepaßt ist und die Verteilung des Luft
stromes über die Tragflächen sowie die Steuerung des Schubvektors
in den erforderlichen Grenzen ohne Hilfseinrichtungen ermöglicht.
Der Antrieb soll Schub erzeugen, der am Boden im Stand zur Ausbil
dung eines Luftkissens in dem Raum zwischen den beiden Rümpfen und
den schwenkbaren Tragflächen der AMA führt und bei Vorwärtsbewe
gung derselben den Stauflügeleffekt unterstützt, während er im
Fluge den Vortrieb gewährleistet und den Auftrieb in Abhängigkeit
vom Flugzustand unterstützt.
Der Schwingenrotor arbeitet nach dem Prinzip des Schaufelrades,
wobei erfindungsgemäß die Rotorblätter (Schwingen) nicht starr be
festigt sind, sondern um ihre Querachsen schwenkbar an der Peri
pherie zweier parallel um eine Achse rotierender Räder gelagert
sind. Während der Drehbewegung des Schwingenrotors im Luftstrom
des Fahrtwindes sollen die Anstellwinkel der Schwingen in Abhän
gigkeit vom Drehwinkel, der Fluggeschwindigkeit und der Schubvek
torsteuerung so gesteuert werden, daß möglichst in jedem Drehwin
kel ein Impuls in Richtung des geforderten Schubvektors erzeugt
wird. Damit wird die aerodynamische Effektivität des Antriebes ge
währleistet und eine Steuerung der Richtung des Schubvektors in
den für AMA erforderlichen Grenzen ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt.
Der Schwingenrotor besteht aus zwei parallel um eine Achse rotie
renden Rädern (1) und dazwischen an deren Peripherie erfindungsge
mäß schwenkbar gelagerten Schwingen (2) mit symmetrischem aerody
namischem Profil. Die Drehbewegung des Rotors wird durch mechani
sche oder elektrische Kopplung der Achse über eine Welle mit einer
an sich bekannten Kraftmaschine gewährleistet. Die Rotorachse, die
quer zur Flugrichtung des Luftfahrzeugs angeordnet sein kann, und
deren Lager (3) müssen zur Aufnahme und Übertragung der durch den
Schub des Schwingenrotors erzeugten Kräfte und Momente ausgelegt
sein.
Die Schwingen (2) sind parallel zueinander an ihren beiden Enden
an der Peripherie je eines der beiden Räder schwenkbar gelagert
(mit einem Freiheitsgrad). Die Schwenkachse jeder Schwinge soll
nah am Druckpunkt des Profils des Schwingenblattes angeordnet
sein. Die Schwingenlager (4) müssen zur Aufnahme und Übertragung
der durch die aerodynamische Wechselwirkung der Schwingen entste
henden Kräfte und Momente ausgelegt sein.
Zur Optimierung der Anstellwinkel der Schwingen über die Kreisbe
wegung in Abhängigkeit vom Drehwinkel, der Fluggeschwindigkeit und
der verstellbaren Schubvektorrichtung ist ein Prozessorsystem vor
zusehen, das als Input die Größen *Geschwindigkeit und Anstellwin
kel der anströmenden Luft in Bezug zur Luftfahrzeuglängsachse
(Luftvektor V), *Drehzahl des Schwingenrotors und *geforderte
Richtung des Schubvektors PΣ erhält und daraus als Output die
Stellgrößen für die Steuerung der Einstellwinkel der Schwingen in
Bezug zur Tangente des Rotorkreises für jeden Drehwinkel
berechnet.
Die Stellgrößen sollen als elektrische Signale an entsprechende
Stellglieder übertragen werden und eine zyklische Regelung der An
stellwinkel der Schwingen während der Rotation des Schwingenrotors
gewährleisten. Die Stellglieder können elektromechanische oder
aerodynamische Vorrichtungen sein.
Die Lösung dieses Regelproblems hat Einfluß auf die Formgestaltung
der Schwingen sowie deren Lagerung.
Fig. 2 veranschaulicht den Prozeß der zyklischen Steuerung der
Einstellwinkel der Schwingenblätter und das Prinzip der Erzeugung
des Schubvektors. Der Impuls der Schwingenblätter Px als Beitrag
zum Gesamtschub des Rotors PΣ ist in den Drehwinkeln über den
Rotorkreis sehr unterschiedlich. Er kann aber - bis auf die
Wendepunkte - bei optimaler Steuerung der Einstellwinkel der
Schwingenblätter immer positiv sein.
In Fig. 3 ist ein Schwingenblatt (2) mit rechteckiger Form und
gerader Stirnkante dargestellt, welches zwischen zwei Rotorrädern
(1) gelagert ist. Die Verstellung des Einstellwinkels erfolgt hier
mittels elektromechanischer Vorrichtung (5) über die Schwenkachse
an einem der beiden Lager (4).
In Fig. 4 ist eine Aerodynamische Mehrzweck Apparatur (AMA) mit
Schwingenrotor-Antrieb skizziert. Die Anordnung von je zwei
Schwingenrotoren paarweise an der Vorderkante unterhalb und an der
Hinterkante oberhalb einer Mitteltragfläche zwischen zwei
Rumpfzellen in Katamarananordnung läßt im Zusammenwirken mit
weiteren schwenkbaren aerodynamischen Flächen den Effekt der
"Power-Augmentation" wirksam werden. Damit können Senkrecht- oder
Kurzstart- und -landeeigenschaften (V/STOL) erzielt werden. Die
Schubvektorsteuerung der Schwingenrotoren gewährleistet aber auch
den Horizontalflug sowie eine dynamische Regelung der Fluglage.
Claims (4)
1. Schwingenrotor mit zwei um eine Achse parallel rotierenden Rä
dern zwischen denen an deren Peripherien schwenkbar gelagerte
Schwingenblätter angeordnet sind, die bei Drehbewegung des Rotors
mit der Luft in aerodynamische Wechselwirkung treten, so daß erfin
dungsgemäß ein Schub erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Schwingenblätter wie an sich bekannte Tragflügel mit aerodynamischem Profil und aus elastischem Material geformt sind,
- b) die Anzahl der Schwingenblätter eines Rotors variabel sein kann (2 bis 8) und diese in gleichen Abständen parallel zu einander über den Kreisumfang der beiden Rotorräder verteilt angeordnet sind,
- c) die Einstellwinkel der Schwingenblätter in Bezug zur Tan gente des Rotorkreises verstellbar sind,
- d) die geometrische Form der Schwingenblätter in Abhängigkeit vom Prinzip der Einstellwinkelsteuerung und anderen Parametern unterschiedlich sein kann.
2. Schwingenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Rotorachse über eine Welle mechanisch oder elektrisch mit einer Kraftmaschine gekoppelt in Drehbewegung versetzt werden kann,
- b) die Rotorachse quer zur Flugrichtung in ein Luftfahrzeug eingebaut werden kann.
3. Schwingenrotor nach Anspruch 1 und 2, ausgestattet mit einem
System zur Steuerung der Einstellwinkel der Schwingenblätter bei
ihrer Bewegung über den Rotorkreis,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Einstellwinkel der Schwingenblätter so gesteuert wer den, daß diese bei ihrer aerodynamischen Wechselwirkung mög lichst in jedem Drehwinkel einen Impuls in Richtung eines geforderten Schubvektors erzeugen,
- b) die Steuerung der Einstellwinkel der Schwingenblätter über mechanische, elektrische oder aerodynamische Stellglieder er folgen kann.
4. Schwingenrotor nach Anspruch 1 und 3, ausgestattet mit einem
Prozessorsystem zur Generierung elektrischer Signale zur zykli
schen Regelung der Einstellwinkel der Schwingenblätter während ih
rer Bewegung über den Rotorkreis,
dadurch gekennzeichnet, daß
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) dem Prozessorsystem als Input die Parameter
- * Geschwindigkeit und Anstellwinkel der anströmenden Luft be züglich der Luftfahrzeuglängsachse (Luftvektor),
- * Rotordrehzahl und
- * geforderte Richtung des Schubvektors bezüglich der Luftfahr zeuglängsachse (Schubvektor) eingegeben werden,
- b) das Prozessorsystem so programmiert wird, daß mittels der generierten elektrischen Steuersignale die Einstellwinkel der Schwingenblätter derart gesteuert werden, daß ein Schub in die gewünschte Richtung entsteht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4320625A DE4320625A1 (de) | 1992-05-26 | 1993-06-22 | Schwingenrotor |
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DE4217374A DE4217374A1 (de) | 1992-05-26 | 1992-05-26 | Luftfahrzeug, das sich am Boden auf einem Luftkissen schwebend bewegt und in der Luft wie ein Flugzeug fliegt - Aerodynamische Mehrzweck Apparatur, Kurzbezeichnung AMA |
DE4320625A DE4320625A1 (de) | 1992-05-26 | 1993-06-22 | Schwingenrotor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4320625A1 true DE4320625A1 (de) | 1995-01-05 |
Family
ID=6459741
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4217374A Withdrawn DE4217374A1 (de) | 1992-05-26 | 1992-05-26 | Luftfahrzeug, das sich am Boden auf einem Luftkissen schwebend bewegt und in der Luft wie ein Flugzeug fliegt - Aerodynamische Mehrzweck Apparatur, Kurzbezeichnung AMA |
DE4320625A Ceased DE4320625A1 (de) | 1992-05-26 | 1993-06-22 | Schwingenrotor |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4217374A Withdrawn DE4217374A1 (de) | 1992-05-26 | 1992-05-26 | Luftfahrzeug, das sich am Boden auf einem Luftkissen schwebend bewegt und in der Luft wie ein Flugzeug fliegt - Aerodynamische Mehrzweck Apparatur, Kurzbezeichnung AMA |
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DE (2) | DE4217374A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1992
- 1992-05-26 DE DE4217374A patent/DE4217374A1/de not_active Withdrawn
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1993
- 1993-06-22 DE DE4320625A patent/DE4320625A1/de not_active Ceased
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