DE60007887T2

DE60007887T2 - Fluggerät und Verfahren zu dessen Betrieb eines Fluggeräts

Info

Publication number: DE60007887T2
Application number: DE60007887T
Authority: DE
Inventors: Franz Bucher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-23
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2020-10-24
Also published as: CA2389008A1; CA2389008C; EP1224117B1; EP1224117A1; AU765314B2; CN1384793A; RU2002113662A; ATE258133T1; CN1171759C; DE60007887D1; RU2250181C2; JP2003512253A; ES2211621T3; WO2001030652A1; JP4603222B2; AU7680900A

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Fluggerät und ein Verfahren zu dessen Betrieb, insbesondere ein Fluggerät mit elektrisch angetriebenen Motoren.
Hintergrund
Moderne Fluggeräte müssen ein hohes Mass an Sicherheit mit wirtschaftlicher Effizienz kombinieren. Zudem sollten sie an verschiedene Anwendungen anpassbar sein.
Ein sehr vielseitiges Konzept wird durch Fluggeräte des VTOL-Types (Vertical Take-Off and Landing) bereitgestellt, so wie es z. B. in US 5 419 514 offenbart ist. Obwohl verschiedene Designs in diesem Gebiet vorge- schlagen worden sind, hat keines davon zu einem Fluggerät geführt, dass die Anforderungen eines modernen kommerziellen Flugbetriebs erfüllen würde, insbesondere im Hinblick auf Sicherheit und Effizienz.
Beschreibung der Erfindung
Die zu lösende Aufgabe ist deshalb, ein Fluggerät und ein Verfahren zum Betrieb eines Fluggeräts bereitzustellen, die ein hohes Niveau an Sicherheit und wirtschaftlicher Effizienz bieten.
Diese Aufgabe wird von den unabhängigen Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäss wird die Leistung für die Antriebe von einem Verbrennungsmotor erzeugt, der einen elektrischen Generator treibt. Die vom Generator erzeugte Leistung wird von den elektrisch betriebenen Triebwerken benutzt, um den Auf- und Vortrieb des Fluggeräts zu erzeugen. Dadurch wird das gute Verhältnis zwischen Gewicht und Energiereserve eines Verbrennungsmotors kombiniert mit der Zuverlässigkeit und schnellen Reaktionszeit von elektrischen Antrieben. Da der Verbrennungsmotor lediglich einen Generator treibt, sind seine Betriebsparameter geringeren Schwankungen ausgesetzt als jene konventioneller Flugzeugmotoren, was die Gefahr von Defekten reduziert und die Effizienz erhöht.
Einige oder vorzugsweise alle der Triebwerke können individuell geschwenkt werden, so dass deren Schubkraft den Bedürfnissen angepasst werden kann. Da sie elektrische Motoren und keine Verbrennungsmotoren aufweisen, wird ihr zuverlässiger Betrieb durch die Schwenkbewegungen nicht beeinträchtigt. Die Triebwerke können von einer vertikalen Position bis in eine horizontale Position geschwenkt werden. In der vertikalen Position erzeugen sie einen Auftrieb, der das Fluggerät im Schwebeflug trägt. In der horizontalen Position erzeugen sie einen Vortrieb für einen Gleitflug des Fluggeräts.
Die Triebwerke sind vorzugsweise als Impeller („ducted fans") ausgestaltet, mit mindestens einem Flügelrad, das in einem rohrartigen Gehäuse angeordnet ist. Derartige Impeller erreichen sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten und erzeugen nur wenig Lärm.
Durch Anordnung der Triebwerke auf einem Kreis wird eine besonders stabile und einfach zu steuernde Konfiguration bereitgestellt. Vorzugsweise besitzt das Fluggerät eine zentrale Kabine und einen um die Kabine angeordneten Rundflügel. Die Triebwerke sind zwischen der Kabine und dem Rundflügel angeordnet. Eine Konstruktion sehr hoher Symmetrie, in welcher zwischen der Kabine und dem Rundflügel ein Spalt zur Aufnahme der Triebwerke vorgesehen ist, wird bevorzugt, da ein solches Fluggerät sich aus relativ wenigen, einfachen Bauteilen zusammenbauen lässt.
In ihrer Horizontalposition sollten die Schubachsen der Triebwerke über der Zentralebene des Rundflü gels liegen, so dass die Luftströmung an dessen Oberseite verstärkt und der Auftrieb verbessert wird.
Vorzugsweise werden mindestens fünf Triebwerke verwendet, da bei vier Triebwerken der Ausfall nur eines davon zu einer Konfiguration führt, die sich in den meisten Fällen nicht mehr kontrollieren lässt.
Ebenso wird bevorzugt, die Triebwerke nicht auf einer Linie anzuordnen, sondern z. B. in einem Kreis, weil eine solche Anordnung eine sichere Steuerung von Nick- und Kippbewegungen erlaubt. Dies ist besonders wichtig während dem Übergang von Schwebe- zu Gleitflug, wo beträchtliche Kippmomente kompensiert werden müssen.
Das Fluggerät kann in Schwebeflug und Gleitflug betrieben werden. Im Schwebeflug sind die Triebwerke nach unten geschwenkt, um einen Auftrieb zu erzeugen, der das Gerät in der Luft hält. Im Gleitflug sind die Triewerke nach hinten geschwenkt und erzeugen einen Vortrieb, wobei der Auftrieb dynamisch vom Profil des Fluggerätkörpers erzeugt wird.
Die Lage des Fluggeräts, also Kipp-, Schwenkund Drehbewegungen, kann durch Schwenken der Triebwerke und Justieren Ihres Schubs gesteuert werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung ist besser zu verstehen und andere als die oben genannten Ziele werden klar, wenn deren folgende detaillierte Beschreibung betrachtet wird. Diese Beschreibung bezieht sich auf die Figuren, wobei
1 eine Vorderansicht einer Ausführung der Erfindung im Gleitflug,
2 ein Schnitt durch das Gerät nach 1 in Startposition,
3 ein Horizontalschnitt durch das Gerät von 2 und
4 eine teilweise Schnittansicht eines Triebwerks mit einstellbarem Ausgangsdurchmesser ist.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Der Grundaufbau einer bevorzugten Ausführung des Fluggeräts ergibt sich aus den 1–3. Es besitzt eine längliche zentrale Kabine 1, welche in der Mitte einer zentralen Scheibe 2 angeordnet ist. Konzentrisch um die zentrale Scheibe 2 ist ein. Ringflügel 3 angeordnet. Ein ringförmiger Spalt 4 ist konzentrisch zu und um die zentrale Scheibe 2 bzw. die Kabine 1 angeordnet. Radiale Streben 5 erstrecken sich durch den Spalt 4. Zwischen den Streben 5 sind entlang der Innenseite des Ringflügels 3 zwölf Triebwerke 101–112 angeordnet. Der Aufbau und die Funktion dieser Triebwerke wird unten im Detail beschrieben.
Wie in 2 und 3 gezeigt, bietet die vorliegende Ausführung des Fluggeräts Platz für zwei Piloten und sechs Passagiere. Die Kabine 1 bietet ausserdem Platz für eine Steuerkonsole 10 und einen Einstieg 11. Vier an der Kabine 1 befestigte, ausfahrbare Beine 12 werden zum Parkieren und Verfahren benutzt.
In der zentralen Scheibe 2, seitlich der Kabine 1, befinden zwei Verbrennungsmotoren 14, welche je einen Generator 15 antreiben. Die Generatoren 15 liefern Leistung zum Speisen der elektrisch angetriebenen Triebwerke 101–112. Die Verbrennungsmotoren 14 und die Generatoren 15 sind so dimensioniert, dass sogar nach Ausfall eines Motors oder Generators noch genügend Leistung für eine sichere Landung zur Verfügung steht.
Jedes Triebwerk besitzt einen elektrisch angetriebenen Impeller mit einem Flügelrad 20 und einem elektrischen Motor. Das Flügelrad 20 ist konzentrisch in einer rohrförmigen Führung 22 angeordnet. Die Führung 22 ist schwenkbar zwischen zwei Armen 24, 25 montiert. Die Schwenkposition des Impellers wird von einem elektrischen Stellgeber in einem Bereich von mehr als 90° gesteuert. Insbesondere können die Triebwerke aus der in 1 ge zeigten Horizontalstellung, in welcher sie einen Vortrieb für das Fluggerät erzeugen, in die in 2 gezeigte Vertikalstellung geschwenkt werden, in der sie einen Auftrieb erzeugen.
Wie bereits erwähnt, werden alle Triebwerke von den Generatoren 15 gespeist, wobei die Leistung jedes Triebwerks von einer schematisch dargestellten Steuerung 29 individuell eingestellt wird. Ebenso kann die Schwenkposition jedes Triebwerks von der Steuerung 29 individuell gesteuert werden. All die hierzu notwendigen Steuer-Signale werden aus den Flugbefehlen des Piloten berechnet. Der Pilot muss sich nicht um die Einstellung der einzelnen Bauteile kümmern, sondern gibt lediglich die für ihn interessanten Parameter, wie z. B. Neigung, Drehung, Geschwindigkeit seines Fluggeräts, an.
Das Fluggerät kann im Schwebeflug und Gleit flug betrieben werden, und es kann den Übergang zwischen diesen beiden Zuständen sicher meistern.
Im Schwebeflug sowie beim Starten und Landen sind die Triebwerke 101–112 so geschwenkt, dass sie einen nach unten gerichteten Luftstrom 30 erzeugen. Dies entspricht der in 2 gezeigten Stellung. Der so erzeugte Auftrieb reicht aus, um das voll beladene und betankte Fluggerät in der Schwebe zu halten.
Lage und Bewegungen des Geräts im Schwebeflug können über die Leistung und Schwenkwinkel der Triebwerke 101m–112 eingestellt werden.
Zum Ändern des Auftriebs kann die Leistung aller Triebwerke gleichzeitig erhöht oder verringert wer den. Ein seitliches Kippen des Geräts wird vorzugsweise durch Reduzieren bzw. Erhöhen der Leistungen der seitlichen Triebwerke 103, 104, 109, 110 kontrolliert, Nickbewegungen durch Reduzieren bzw. Erhöhen der Leistungen der vorderen und hinteren Triebwerke 101, 112 bzw. 106, 107. Für Drehungen werden die seitlichen Triebwerke 103, 104, 109, 110 gegengleich geschwenkt.
Seitliches Verschiebungen des Geräts können erreicht werden, indem die Schubkraft der Triebwerke auf der einen Seite gegenüber jener auf der anderen Seite reduziert wird. Dies erzeugt eine leichte Seitenlage, was zu einer leichten seitlichen Schubkraft führt.
Vor- und Rückwärtsbewegungen können z. B. durch Verschwenken aller Triebwerken kontrolliert werden.
Im Gleitflug mit hoher Geschwindigkeit sind alle Triebwerke vorzugsweise parallel zur Flugrichtung F angeordnet, wie dies in 1 dargestellt ist, und erzeugen einen nach hinten gerichteten Luftstrahl und somit den Schub für die Vorwärtsbewegung. Der Auftrieb wird vom Auftrieb erzeugenden Profil des Fluggeräts (Ringflügel und Kabine) erzeugt.
Für die Lagekontrolle im Gleitflug werden der Schwenkwinkel und/oder die Schubkraft der Triebwerke variiert. Keine Steuerklappen, Seitenruder oder Querruder werden benötigt.
Beim Übergang vom Schwebe- in den Gleitflug werden die Triebwerke von der vertikalen Stellung nach 2, 3 in die horizontale Stellung nach 1 gebracht. Hierzu können z. B. alle Triebwerke simultan langsam um 90° geschwenkt werden. Alternativ kann der Übergang gestartet werden, indem nur ein Teil der Triebwerke geschwenkt werden, während die anderen Triebwerke nach unten gerichtet bleiben.
Die vorliegende Ausführung des Geräts ist für vertikale Landung ausgelegt. Für Notlandungen ist im Gerät ein Fallschirm angeordnet, welcher zusammen mit der grossen Flügelfläche ausreicht, den Fall genügend abzubremsen. Im Falle einer Notlandung wirken die federgedämpften Beine 12 als Knautschzone.
Bei einem Ausfall der Antriebsleistung können die Antriebe weiterhin geschwenkt und als Steuerklappen verwendet werden, so dass ein Gleitflug möglich ist.
Das in den 1–3 gezeigte Ausführungsbeispiel des Fluggeräts hat einen äusseren Durchmes ser von rund 8 m und eine Flügelfläche von ca. 29 m². Es kann aus synthetischen Materialien hergestellt werden und besitzt ein Leergewicht rund 2 t. Das maximale Startgewicht beträgt 3.6 t bei einer redundanten Antriebsleistung 2 × 1600 PS und einer totalen Triebwerkleistung von 100 kW. Das Fluggerät kann einfach auf andere Grössen skaliert werden.
Je nach Grösse des Geräts kann die Zahl der Triebwerke variiert werden. Mindestens fünf, vorzugsweise mindestens sechs Triebwerke sind bevorzugt.
Wegen der hohen Symmetrie des Geräts und der Verwendung mehrerer identischer Triebwerke werden Herstellung, aber auch Ersatzteilmanagement und Wartung wesentlich vereinfacht. Gleichzeitig besitzt das Fluggerät hohe Stabilität.
Im vorliegenden Beispiel ist der Ringflügel 3 des Fluggeräts völlig rund. Es ist jedoch möglich, einen ringförmigen Flügel aus mehreren geraden Flügelabschnitten herzustellen, die im wesentlichen tangential um die Kabine 1 herum angeordnet sind. Oder dem Flügel kann ovale Form haben. Der Begriff „ringförmiger Flügel", der in den Ansprüchen verwendet wird, soll alle solchen Ausführungen umfassen.
Andere Flügelformen, insbesondere Dreieckflügel, könnten ebenfalls verwendet werden.
Das vorliegende Fluggerät eignet sich als Personen- oder Lastentvehikel. Dank seiner Fähigkeit, vertikal abzuheben, kann es auch bei begrenzten Platzverhältnissen eingesetzt werden.
Da für die Triebwerke mehrere Elektromotoren verwendet werden, kann das Fluggerät sehr schnell reagieren, wenn sich die angelegten Kräfte verändern, und ist sehr beweglich. Ausserdem sind dank der Verwendung vieler Triebwerke die einzelnen Motoren relativ klein, so dass sie schnell reagieren können.
Im Schwebeflug ist die Geschwindigkeit des Fluggeräts ziemlich klein, während der von den Triebwer ken 101–112 zu erzeugende Schub ziemlich hoch sein muss. Im Gleitflug ist die Geschwindigkeit des Fluggeräts hoch, während der Schub kleiner sein kann als während dem Schwebeflug. Deshalb ist es bevorzugt, die Triebwerke so auszulegen, dass sie einen hohen Schub für den Schwebeflug erzeugen, währenddem sie eine hohe Luftaustrittsgeschwindigkeit für den Gleitflug erzeugen.
Eine bevorzugte Ausführung der Triebwerke, die diese Anforderung erfüllen, wird in 4 gezeigt. Wie ersichtlich, wird die Luftaustrittsöffnung 40 des Triebwerks von einer Vielzahl von Führungsplatten 42 gebildet, die zur Bildung einer sich aufweitenden Öffnung angeordnet sind. Der Austrittsdurchmesser D ist mit den Führungsplatten in der Position von 4 grösser als der Durchmesser der Austrittsöffnung ohne die Führungsplatten 42. Typisch kann der Durchmesser D mit den Führungsplatten z. B. 95 cm sein und 65 cm ohne sie. Um den Durchmesser der Austrittsöffnung zu reduzieren, können die Führungsplatten 42 in die Führung 22 zurückgezogen werden. Deshalb wird die Anordnung von 4 mit den ausgefahrenen Führungsplatten 42 und dem grossen Austrittsdurchmesser D für den Schwebeflug verwendet, während die Führungsplatten 42 im Gleitflug eingezogen sind.
Alternativ zum Einziehen der Führungsplatten 42 in die Führung 22 können die Führungsplatten so konstruiert werden, dass sie gegen die Achse des Triebwerks geschwenkt werden können, wodurch sie den Durchmesser D reduzieren, ohne dass sie eingezogen werden.
Andere Anordnungen zur Reduktion des Austrittsdurchmessers der Triebwerke, wie Irisanordnungen oder Anschlagplatten, die einen Teil der Austrittsöffnung schliessen, sind dem Fachmann bekannt.
Die Führungsplatten 42 können durch speziell dafür vorgesehene Servomotoren bewegt werden. Vorzugsweise wird ihre Bewegung jedoch an die Schwenkbewegung der Triebwerke gekoppelt, so dass der Durchmesser D automatisch reduziert wird, wenn die Triebwerke von ihrer ver tikalen Position in ihre horizontale Position geschwenkt werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines veränderbaren Austrittsdurchmessers D, kann der Anstellwinkel des Impellers oder Ventilators 20 justierbar sein. Er wird im Gleitflug erhöht und im Schwebeflug reduziert.
Während derzeit bevorzugte Ausführungen der Erfindung gezeigt und beschrieben werden, ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern im Rahmen der folgenden Ansprüche auch in anderer Art in verschiedener Weise ausgeführt und praktiziert werden kann.

Claims

Fluggerät umfassend eine zentrale Kabine (1), einen Flügel (3), der sich mindestens teilweise um die Kabine erstreckt, mindestens einen Generator (15) zur Erzeugung elektrischer Leistung, mindestens einen Motor (14) zum Antrieb des Generators (15) und elektrisch angetriebene Triebwerke (101– 112) zur Erzeugung von Auftrieb und Vortrieb, wobei mindestens ein Teil der Triebwerke von einer vertikalen Position in eine horizontale Position schwenkbar sind, und Mittel zum individuellen Justieren der Leistung mindestens eines Teils der Triebwerke (101–112), wobei in der vertikalen Position die Triebwerke ausgestaltet sind zum Erzeugen eines Auftriebs, der ausreicht um das Gewicht des Fluggeräts zu heben, und wobei die Triebwerke in der horizontalen Position ausgestaltet sind um einen Vortrieb zu erzeugen, während der Auftrieb aerodynamisch von der Kabine (1) und vom Flügel (3) erzeugt wird.
Fluggerät nach Anspruch 1; wobei mindestens einige der Triebwerke individuell schwenkbar sind.
Fluggerät nach Anspruch 2, dadurch jedes der schwenkbaren Triebwerke um eine Schwenkachse schwenkbar ist, wobei die Schwenkachsen zueinander parallel sind und senkrecht zu einer Vorwärtsflugrichtung des Fluggeräts.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Triebwerke Impeller aufweisen.
Fluggerät nach Anspruch 4, wobei die Impeller einen variablen Austrittsdurchmesser aufweisen.
Fluggerät nach Anspruch 5, wobei die Impeller eine einziehbare, sich erweiternde Austrittsöffnung (40) aufweisen.
Fluggerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Austrittsdurchmesser durch Schwenken der Triebwerke aus der vertikalen Position in die horizontale Position reduziert wird.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Triebwerke (101–112) auf einem Kreis angeordnet sind.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Triebwerke (101–112) zwischen der Kabine (1) und dem Flügel (3) angeordnet sind.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Flügel (3) ein Rundflügel ist.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem im wesentlichen ringförmigen Spalt (4) zwischen der Kabine (1) und dem Flügel (3), wobei die Triebwerke (101–112) im Spalt angeordnet sind.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Schubachse der schwenkbaren Triebwerke (101–112) in eine Horizontalposition schwenkbar ist, in welcher die Triebwerke einen Vortrieb erzeugen, wobei die Schubachsen in der Horizontalposition über einer Mittelebene des Flügels (3) liegen.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche mit mindestens fünf Triebwerken (101–112).
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche mit mindestens sechs Triebwerken (101–112).
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Triebwerk (101–112) ein Flügelrad (20) mit justierbarem Anstellwinkel aufweist.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei alle Triebwerke (101–112) im wesentlichen gleich sind.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes der Triebwerke einen Elektromotor aufweist.
Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Triebwerke zur Kontrolle von Neigung und Kippen des Fluggeräts nicht auf einer Linie angeordnet sind.
Fluggerät, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine zentrale Kabine (1), einen Flügel (3), der sich mindestens teilweise um die Kabine herum erstreckt, mindestens ein Generator (15) zur Erzeugung elektrischer Leistung, mindestens einen Motor (14) zum Antreiben des Generators (15) und elektrisch angetriebene Triebwerke (101– 112), die zwischen der Kabine (1) und dem Flügel (3,) angeordnet sind zur Erzeugung von Auftrieb und Vortrieb, wobei mindestens ein Teil der Triebwerke von einer vertikalen Position in eine horizontale Position schwenkbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Fluggeräts wobei das Fluggerät mindestens einen Generator (15) zum Erzeugen elektrischer Leistung aufweist, mindestens einen Motor (14) zum Antreiben des Generators, und elektrisch angetriebene, schwenkbare Triebwerke (101–112) zum Erzeugen von Auftrieb und Vortrieb, wobei jedes Triebwerk eine Schubachse besitzt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Justieren der Schubachsen der Treibwerke (101 –112) nach unten zum Erzeugen eines Vorschubs zum Anheben des Gewichts des Fluggeräts zum Schwebeflug und horizontales Justieren der Schubachsen der Triebwerke (101–112) zum Erzeugen eines Vortriebs zum Gleitflug, wobei im Gleitflug ein Auftrieb von einem aerodynamischen Profil des Fluggeräts erzeugt wird, wobei im Schwebeflug eine Lage des Fluggeräts exklusiv durch ein Schwenken der Triebwerke und ein Justieren des Schubs der Triebwerke kontrolliert wird.
Verfahren zum Betrieb eines Fluggeräts, insbesondere nach Anspruch 20, wobei das Fluggerät mindestens einen Generator (15) zum Erzeugen elektrischer Leistung aufweist, mindestens einen Motor (14) zum Antreiben des Generators, und elektrisch angetriebene, schwenkbare Triebwerke (101–112) die Luftstrahlen erzeugen zum Erzeugen von Auftrieb und Vortrieb, wobei jedes Triebwerk eine Schubachse aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist Justieren der Schubachsen der Triebwerke (101 –112) nach unten zum Erzeugen eines Auftriebs um das Gesicht des Fluggeräts im Schwebeflug anzuheben, horizontales Justieren der Schubachsen der Triebwerke (101–112) zum Erzeugen eines Vortriebs zum Gleitflug, wobei im Gleitflug ein Auf trieb von einem aerodynamischen Profil des Fluggeräts erzeugt wird, wobei eine Austrittsluftgeschwindigkeit der Triebwerke während dem Gleitflug auf einen höheren Wert justiert wird als während dem Schwebeflug indem ein Austrittsdurchmesser mindestens einiger der Triebwerke reduziert wird oder indem ein Anstellwinkel eines Flügelrads mindestens einiger der Triebwerke erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei eine Lage des Fluggeräts ausschliesslich durch Kippen der Triebwerke und Justieren des Schubs der Triebwerke kontrolliert wird.