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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein von einem Rotor getragenes Luftfahrzeug
umfassend eine Antriebseinheit mit einem Antriebsmotor, einem an der
Antriebseinheit aufgehängten
Träger,
der mit dieser über
ein kardanartiges Gelenk verbunden ist, um ein begrenztes Kippen
der Antriebseinheit in Bezug auf den Träger in zwei orthogonale Richtungen
entsprechend den Roll- und Nickrichtungen des Fahrzeugs zu ermöglichen
und um eine Relativbewegung zwischen der Antriebseinheit und dem
Träger
in der Gierrichtung des Fahrzeugs zu verhindern, und einer Steuervorrichtung
zum Steuern der Bewegung des Fahrzeugs während des Flugs.
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Eine
von Piloten gesteuerte Variante dieses von einem Rotor getragenen
Fahrzeugtyps ist in der
FR 1
604 722 offenbart und umfasst ein Cockpit, das an einer
Doppelrotorantriebseinheit über
ein Kardangelenk aufgehängt
ist. Die Antriebseinheit ist mechanisch durch zwei Hydraulikzylinder
mit der Kabine verbunden. Der Pilot bedient die Hydraulikzylinder, die
die Antriebseinheit relativ zu der Kabine neigen, um somit die Bewegung
des Fahrzeugs während
des Fluges zu steuern.
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Unbemannte
Varianten dieser von einem Rotor getragenen Luftfahrzeugtypen werden
in immer größer werdenden
Umfang in erster Linie als Plattform für Aufklärung, Überwachung und Vermessung und
zur Nachrichtenübertragung
usw. für
zivile sowie militärische
Aufträge verwendet.
Solche Fahrzeuge weisen eine geeignete Tragkraft in Form von Sensoren
für verschiedene
Aufgaben und Kommunikationseinrichtungen auf, die die Sensorinformationen an
die Empfänger übermitteln.
Ferner müssen
Sensoren vorhanden sein, die den Flugzustand messen, um das Luftfahrzeug
selbständig
steuern zu können und
um die am Boden stationierte Überwachungszentrale
via Telemetrie zu informieren. Falls notwendig werden normalerweise
bei nicht selbständiger Steuerung
Steuerbefehle von der Überwachungszentrale
an das Luftfahrzeug gesendet.
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Der
Einsatz eines unbemannten Luftfahrzeuges anstatt eines bemannten
Fahrzeuges hat den Vorteil, dass das Leben oder die Gesundheit der
Besatzung während
der Missionen nicht gefährdet
wird. Des weiteren ist mehr Freiraum bei der Entwicklung des Luftfahrzeuges,
vorhanden, um die Eigenschaften und die Leistung des Fahrzeugs zu
optimieren, ohne auf die Bedürfnisse
der Besatzung Rücksicht nehmen
zu müssen.
Dieser Freiraum bei der Entwicklung kann dazu verwendet werden,
um die Flughöhe
oder die Fluglänge
des Fahrzeugs zu erhöhen, oder
um kleine und relativ einfache Luftfahrzeuge bereitzustellen. Deswegen
unterscheidet sich üblicherweise
der Aufbau eines unbemannten Luftfahrzeuges erheblich von dem eines
entsprechenden bemannten Luftfahrzeugs.
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Die
Entwicklung von unbemannten Luftfahrzeugen (Unmanned Aerial Vehicles,
UAV) wurde bis jetzt durch militärische
Bedürfnisse
bestimmt. Drei Hauptgruppen des UAV wurden entwickelt, nämlich dass
UAV für
große
Höhen und
lange Einsatzdauer, das UAV für
mittlere Höhe
und mittleren Entfernungen und das UAV für Einsätze im Nahbereich und in niedrigen
Höhen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein UAV für die zuletzt genannte Hauptgruppe.
Solche Einsätze
im Nahbereich machen es vor allem notwendig, das Fahrzeug derart
zu entwerfen, dass es im Stande ist, vertikal zu starten und zu
landen, so dass das Fahrzeug nicht länger von mehr oder weniger
weit entfernten Flugplätzen
abhängig
ist, die lange Flüge
zu und von dem Einsatzbereich der Mission erfordern könnten.
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Es
gibt verschiedene Gruppen von bekannten Luftfahrzeugen, die geeignet
sind, um ein UAV für den
Nahbereich zu entwickeln. Ein bekannter Typ ist das von einem Rotor
getragene Luftfahrzeug, wie z.B. der Hubschrauber. In der Tat gibt
es bekannte UAV's,
die dem Hubschrauber ähneln.
Andererseits gibt es UAV's,
die sich ziemlich von den Hubschraubern unterscheiden, obwohl die
Auftriebskraft des Fahrzeugs durch Rotoren erzeugt wird. Bei der
Entwicklung eines solchen Rotorfahrzeuges ist es besonders wichtig,
gute Schwebeeigenschaften des Fahrzeugs zu erreichen, d.h. wenn
das Luftfahrzeug in der Atmosphäre
stillgehalten werden soll. Gute Schwebeeigenschaften bedeuten üblicherweise
verschlechterte Hochgeschwindigkeitseigenschaften.
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Die
meisten gegenwärtig
eingesetzten Hubschrauber haben einen einzelnen Rotor mit vielen Rotorblättern. Um
dem Drehmoment des Rotors entgegenzuwirken und das Gieren des Hubschraubers zu
steuern, wird üblicherweise
ein Heckrotor verwendet, der ein steuerbares Giermoment ermöglicht.
Der Heckrotor hat jedoch verschiedene Nachteile wie beispielsweise
den Anstieg des Energieverbrauchs oder einen komplexeren Aufbau
des Hubschraubers. Der Hubschrauber wird in Flughöhe über die
Neigungs- und Rollachse durch eine Steuervorrichtung gesteuert,
die die Rotorblätter
um deren Längsachse
verdreht, d.h. um den Anstellwinkel der Rotorblätter zu ändern. Diese Steuervorrichtung
umfasst Gestänge, welche
die Rotorblätter
drehen, und eine die Rotorwelle umschließende sogenannte Taumelscheibe. Das
Einstellen der Taumelscheibe wird durch zwei Steuerhebel in dem
Cockpit gesteuert. Ein Nachteil einer solchen Steuervorrichtung
ist der relativ komplizierte Aufbau und die Empfindlichkeit gegenüber Schmutz,
vor allem bei kleineren Hubschraubern.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein unbenanntes,
von einem Rotor getragenes Luftfahrzeug mit einem einfachen, robusten
Design und guten Schwebeeigenschaften bereitzustellen.
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Dieses
Ziel wird durch das eingangs dargestellte Luftfahrzeug erreicht,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass:
- – das Luftfahrzeug
unbemannt ist,
- – die
Antriebseinheit nur einen einzigen Rotor umfasst, der durch einen
Antriebsmotor betrieben wird, um einen im Wesentlichen nach unten
gerichteten Luftstrom zu erzeugen,
- – der
Träger
mit der Antriebseinheit nur durch das kardanartige Gelenk mechanisch
verbunden ist, um ein drehmomentfreies und begrenztes Neigen der
Antriebseinheit relativ zum Träger
zuzulassen,
- – die
Steuervorrichtung mehrere einstellbare Steuerflächen aufweist, die an der Antriebseinheit gelenkig
angebracht und derart angeordnet sind, dass im Wesentlichen die
nach unten gerichtete Luftströmung
des einzigen Rotors auf diese wirkt,
- – die
Steuerflächen
unter dem Schwerpunkt des Fahrzeugs derart positioniert sind, dass
den durch Luftstöße gegen
den Rotor erzeugten, auf das Fahrzeug wirkenden Nick- und Rollmomente durch
das Einwirken der Luftstöße auf die
Steuerflächen
entgegengewirkt wird. Dabei wird das Fahrzeug in zwei gegenseitig
bewegbare Module aufgeteilt, wodurch sich folgende Vorteile ergeben:
- – entgegen
einer starren Verbindung zwischen den beiden Fahrzeugmodulen, die
ein wesentlich größeres Steuermoment
benötigen,
um einen bestimmten Kippwinkel des Rotors zu erreichen, bietet das
Kardangelenk eine gute Steuerbarkeit.
- – da
der Träger
an dem kardanartigen Gelenk aufgehängt ist, neigt er aufgrund
der Schwerkraft dazu, eine stabile Ausrichtung anzunehmen, wodurch
er sich für
Nutzlast eignet, die in einer stabilen Lage eingesetzt werden sollte,
wie beispielsweise Aufklärungsausrüstung (Kameras
und ähnliches).
- – temporäre Kräfte oder
Momente, die durch Geschwindigkeit, Windstöße und Steuerflächenstörungen induziert
werden und auf die Antriebseinheit wirken, stören den Träger nicht wesentlich, da er über ein
kardanartiges Gelenk mit der Antriebseinheit verbunden ist.
- – die
Anordnung der Steuerflächen
bewirkt, dass die Rotorblätter
nicht mittels einer Taumelscheibe oder dergleichen über ihre
Längsachse
drehbar sein müssen,
um Nick- und Rollmomente
bereitzustellen, sondern sie können
an der Achse des Rotors befestigt werden, ohne einen Heckrotor zu benötigen, der
die Giermomente bereitstellt.
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Die
Antriebseinheit ist vorzugsweise über zwei horizontale Achsen
drehbar, die sich rechtwinklig zueinander über das kardanartige Gelenk
erstrecken, wobei die Antriebseinheit über eine der besagten Achsen
in der Rollrichtung und über
die andere Achse in der Nickrichtung drehbar ist.
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Das
Steuerprinzip, welches den Einsatz von Steuerflächen umfasst, ist nicht neu,
sondern wurde bereits offenbart. Beispielsweise kann man sich auf die ältere US-Patentschrift
Nr. 2 439 324, ausgegeben 1948, beziehen. Die Erfahrungen eines
solchen Steuerprinzips scheinen jedoch nicht positiv gewesen zu
sein, da wahrscheinlich geeignete Stellen für die Steuerflächen nur
schwer an einem Hubschrauber einzurichten sind. Der Grund dafür ist wahrscheinlich,
dass die relativ starken Momente, die für das Steuern des Luftfahrzeugs
benötigt
werden, nicht ohne die Verwendung von unverhältnismäßig großen Steuerflächen erreicht
werden. Um solche großen
Steuerflächen
zu vermeiden, müssen
die Hebelarme der Steuerflächen
zum Schwerpunkt des Luftfahrzeugs relativ lang sein. Deswegen ist
das Design eines Luftfahrzeuges, das entsprechend dem oben beschriebenen
Steuerprinzip gesteuert wird, von dem üblichen Hubschrauberdesign
ziemlich verschieden.
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Bei
dem Luftfahrzeug der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine
effiziente Momentsteuerung dadurch zu erreichen, indem die Komponenten
der Antriebseinheit wie beispielsweise der Antriebsmotor so nah
wie möglich
an den Rotorblättern
positioniert werden. Weiterhin wird der gesamte Treibstoff, die Nutzlast
und die Zusatzgeräte,
die nicht an einem bestimmten Stelle angebracht werden müssen, in
dem Träger
platziert, der an der Antriebseinheit über das kardanartige Gelenk
aufgehängt
ist. Da die Steuerflächen
starr mit der Antriebseinheit verbunden sind, erreicht man den Vorteil,
dass sich die Steuerflächen leichter
in die Nick- und Rollrichtung neigen können, anders als wenn der Träger starr
mit der Antriebseinheit verbunden wäre. Ein wichtiges Ergebnis
der oben beschriebenen Anordnung besteht darin, dass die Nutzlast
in dem Träger,
während
des Schwebeflugs und des Flugs in einem nicht beschleunigenden Zustand,
in einer relativ stabilen Position bleibt. Da der Träger und
die Antriebseinheit in Gierrichtung mittels einem kardanartigen
Gelenk starr miteinander verbunden sind, ermöglicht die Giersteuerung der Antriebseinheit
ebenfalls die Giersteuerung des Trägers.
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Ein
Nachteil unbeweglicher Rotorblätter
in einem konventionellen Hubschrauber besteht darin, dass durch
Geschwindigkeit und Wind induzierte Rotormomente auf den Körper des
Hubschraubers übertragen
und somit unerwünschte
dynamische Kräfte
verursacht werden. Dieser Nachteil führte schon bei den ersten Hubschraubern
zu einer Entwicklung von Rotorblättern
mit einstellbarer Neigung. Der Träger in dem Luftfahrzeug gemäß der Erfindung ist
dennoch von dem Einfluss solcher dynamischer Kräfte durch das kardanähnliche
Aushängen
des Trägers
isoliert.
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Die
Erfahrung hat gezeigt, dass schwebende Hubschrauber in einer niedrigen
Höhe teilweise
empfindlich gegen Windstöße sind,
wodurch es schwierig ist, die gewünschte Ausrichtung und Position
des Hubschraubers beizubehalten. Der Grund für die den Hubschrauber beeinflussenden
Windstöße ist vor
allem, dass die Windstöße auf den
Rotor wirkende Kräfte
erzeugen, die den Hubschrauber drehen und auch seitlich bewegen.
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Natürlich besteht
das gleiche Problem in einem durch einen Rotor getragenen UAV und
erschwert deswegen den Einsatz beispielsweise von Aufklärungseinsätzen. Durch
die Anordnung der Steuerflächen
gemäß der oben
beschriebenen Ausführungsform
können
diese Windstoßeinflüsse reduziert
werden. Die durch Windstöße hervorgerufenen horizontalen
Kräfte
greifen das UAV in der Rotorblattebene des Rotors an, d.h. über dem
Schwerpunkt des Luftfahrzeugs. Diese Windstöße verursachen dennoch auch
horizontale Kräfte
auf die Steuerflächen.
Durch geeignetes Positionieren der Steuerflächen können die horizontalen Kräfte auf
den Steuerflächen
unter dem Schwerpunkt des Luftfahrzeugs angreifen, so dass das Luftfahrzeug
stabilisiert wird. Der Effekt, dieser durch die durch Windstöße erzeugten
Kräfte
könnte
durch eine geeignete Wahl der Stellung und Größe der Steuerflächen neutralisiert
werden. Alternativ oder als Ergänzung
könnte
ein bandförmiger
Rand die Steuerflächen
umgeben. Der Rand könnte
auch verwendet werden, um die Gelenke der Steuerflächen anzubringen
und um die Steuerflächen
zu schützen.
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Die
Steuerflächen
sind so weit unter den Rotorblättern
angebracht, wie es praktisch möglich
ist, um einen so langen Hebelarm wie möglich zu erreichen. Ein derartiger
Hebelarm könnte
eine Stange oder andere starre verlängerte Strukturen umfassen, die
an einem Ende an ihren zugehörigen
Steuerflächen
festgemacht sind und an ihren anderen Enden an die Antriebseinheit
befestigt sind. Zwei Steuerflächen
werden normalerweise als Rollsteuerung und zwei weitere Steuerflächen als
Nicksteuerung verwendet, wobei die vier Steuerflächen in einer Kreuzförmigen Anordnung
befestigt sind.
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Geeigneterweise
sind die Steuerflächen
mittels Servoeinheiten neigbar. Die kleinste Anzahl an Servoeinheiten
ist zwei (jeweils für
Roll- und Nicksteuerung). Mit vier Servoeinheiten (eine Servoeinheit
pro Steuerfläche)
könnte
die Giersteuerung die Roll- und Nicksteuerung überlagern.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen
genauer beschrieben, wobei:
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1 eine
Seitenansicht eines unbemannten, von einem Rotor getragenen Luftfahrzeug
entsprechend der Erfindung schematisch darstellt, umfassend eine
Hubeinheit und einen daran aufgehängten Träger, wobei aufgrund der besseren Übersicht die
den Flug des Fahrzeugs steuernde Steuereinheit nicht dargestellt
wird, und
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2 das
Fahrzeug von 1 zeigt, das mit einer Steuereinheit
zum Steuern des Flugs des Fahrzeugs ausgestattet ist, wobei zur
Verdeutlichung der Träger
weggelassen wurde.
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In
den Figuren werden identische Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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1 stellt
schematisch ein unbemanntes, von einem Rotor getragenes Luftfahrzeug
(UAV) entsprechend der Erfindung dar, umfassend zwei Hauptmodule,
und zwar eine Antriebseinheit 5 und einen Träger 7,
der von der Antriebseinheit 5 herabhängt. Die Antriebseinheit 5 umfasst
einen einzigen Rotor 1 mit Rotorblättern 6, die starr
auf einer Rotornabe 3 und einer starr mit der Rotornabe 3 befestigten
Rotorwelle, befestigt sind. Die Antriebseinheit 5 umfasst weiterhin
einen Antriebsmotor, beispielsweise einen Verbrennungsmotor (nicht
dargestellt), der mit der Rotorwelle 4 über ein Untersetzungsgetriebe
(nicht dargestellt) in Verbindung steht. Der Antriebsmotor und das
Untersetzungsgetriebe sind im Gehäuse 8 untergebracht.
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Der
Träger 7 der
entsprechende Ausstattung enthält,
wie beispielsweise Aufklärungskameras
und einen Treibstofftank, ist gelenkig mit der Antriebseinheit 5 über ein
Gelenk in Form eines Kardangelenks 9 verbunden. Das Kardangelenk 9 umfasst
zwei horizontale Drehbolzen, die an dem Gehäuse 8 einander gegenüberliegend
angebracht sind. Ein Kardanring 13 umgibt das Gehäuse 8 und
ist drehbar auf dem Drehbolzen 11 derart gelagert, dass
bei Gleichgewichtszustand des Fahrzeugs der Kardanring 13 über die
durch die Drehbolzen 11 sich erstreckende horizontale Achse
A-A drehbar ist. Zwei weitere horizontale Drehbolzen 15 sind
an dem Kardanring 13 gegenseitig gegenüberliegend angeordnet und erstrecken
sich rechtwinklig zu der Achse A-A. Zwei Paar verlängerte Streben 17,
die mit dem Träger durch
eine geeignete, nicht weiter beschriebene Verbindung starr befestigt
sind, wie beispielsweise durch Nietverbindungen, sind drehbar auf
den zwei Drehbolzen 15 entsprechend befestigt, so dass
der Träger 7 über die
horizontale Achse B-B, die sich durch die Drehbolzen 15 rechtwinklig
zur Achse A-A erstreckt, drehbar ist. Wie 1 zeigt,
bilden die zwei Streben 17 auf jedem Drehbolzen 15 gegenseitig
einen spitzen Winkel, wobei der Fachmann natürlich feststellen wird, dass
zum Verbinden des Kardangelenks 9 mit dem Träger 7 auch
Verbindungsmittel in einer beliebigen Art und Weise hergestellt
werden können.
Im Ruhezustand wird der Träger 7 durch
ein Fahrwerk getragen, welches hier mit mehreren Standbeinen 19 dargestellt
wird, die am unteren Ende des Trägers 7 angebracht
sind.
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2 zeigt
schematisch eine Steuereinheit 20, umfassend eine im Wesentlichen
U-förmige
Halterung 21, die an der Unterseite des Gehäuses 8 angebracht
ist und vier Steuerflächen 25,
die durch die Halterung 21 getragen werden. Die Schenkel 24 der U-förmigen Halterung 21 sind
weit auseinander, um es der Antriebseinheit 5 zu ermöglichen,
sich relativ zum Träger 7 zu
neigen, ohne zwischen der Halterung 21 und dem Träger 7 bei
normalen Flugbedingungen störend
zu wirken. Am unteren Teil der Halterung 21 ist ein horizontal
ausgerichteter Haltering 23 starr befestigt, auf dem die
vier Steuerflächen 25 neigbar
angeordnet und gleichmäßig um den
Haltering 23 verteilt sind. Jede Steuerfläche 25 hat
einen sich verjüngenden
Querschnitt, so dass die Steuerfläche in der Richtung betrachtet,
in der der durch den Rotor 1 erzeugte Luftstrom verläuft, ein
relativ dickes Führungsende 28 und
ein relativ dünnes
unteres Ende 29 hat. In Grundposition sind die Steuerflächen 25 vertikal
mit den Führungsenden 28 der
Steuerflächen 25 nach
oben ausgerichtet. Die vier Steuerflächen 25 sind mit vier
horizontalen Achsen 26 gelenkig verbunden, ragen dementsprechend
aus dem Haltering heraus und sind durch Servoeinheiten 27 neigbar,
um ein gewünschtes
Steuermoment an der Antriebseinheit 5 zu ermöglichen.
Die Steuerflächen 25 werden
natürlich
derart platziert, um auf den nach unten gerichteten Luftstrom einzuwirken,
der durch die Rotorblätter 6 während des
Betriebs erzeugt wird.
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In
den Ausführungsformen
gemäß 1 und 2 sind
die Antriebseinheit 5 und der Träger 7 gelenkig miteinander
mittels eines Gelenkes in Form eines Kardangelenks 9 verbunden.
Ein Fachmann würde
natürlich
erkennen, dass jeder geeignete Typ von kardanartigen Gelenken verwendet
werden könnte,
um die gewünschte
vielseitige Bewegung zwischen der Antriebseinheit 5 und
dem Träger 7 zu
ermöglichen,
vorausgesetzt, dass solch ein kardanartiges Gelenk zwei Freiheitsgrade
(Roll und Nick) umfasst und dass es in Gierrichtung eine relative
Versetzung zwischen der Antriebseinheit 5 und dem Träger 7 unterbindet.