WO2012069348A1 - Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung, notstromaggregat und luftfahrzeug - Google Patents

Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung, notstromaggregat und luftfahrzeug Download PDF

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WO2012069348A1
WO2012069348A1 PCT/EP2011/070292 EP2011070292W WO2012069348A1 WO 2012069348 A1 WO2012069348 A1 WO 2012069348A1 EP 2011070292 W EP2011070292 W EP 2011070292W WO 2012069348 A1 WO2012069348 A1 WO 2012069348A1
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French (fr)
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Jürgen STEINWANDEL
Johannes Stuhlberger
Guido Kurth
Peter JÄNKER
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Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH
EADS Deutschland GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D41/00—Power installations for auxiliary purposes
    • B64D41/007—Ram air turbines

Definitions

  • the invention relates to a rotational energy supply device and a method for generating rotational energy from chemical energy. Furthermore, the invention relates to an emergency generator with a
  • Maintaining on-board functions is advantageous when a major source of power of an aircraft, such as an airplane or helicopter, fails, either, to ensure airworthiness and either re-start the main power source or safely land the aircraft.
  • the on-board functions can only be maintained if electric power is supplied via the vehicle electrical system
  • Main power source or landing - this requires an electrical energy supply in a period of a few seconds to several minutes.
  • the object of the invention is to propose a device for providing electrical energy for supplying the on-board functions of an aircraft, wherein the device has a low weight and is largely maintenance-free.
  • Providing rotational energy to a generator includes an ignitable solid propellant for releasing kinetic energy upon ignition and a turbine for converting the kinetic energy released from the solid propellant into rotational energy.
  • the solid propellant When the solid propellant is ignited, it generates the activation energy needed to release the chemical energy stored in the solid propellant and convert it into kinetic energy.
  • the activation energy needed to release the chemical energy stored in the solid propellant and convert it into kinetic energy.
  • the solid propellant turbine is driven by interaction of the kinetic energy with the blades of the turbine and begins to rotate. This process converts the kinetic energy released from the solid propellant into rotational energy. The thus produced
  • Mechanical energy can be used to generate electrical energy and thus to provide on-board functions of an aircraft.
  • the size and weight of the rotary energy supply device depends only on the substances used in the solid propellant and their
  • the solid propellant is designed such that it releases after ignition in a period of 10 s to 300 s thrust gas in the direction of the turbine and thus drives the turbine.
  • An explosive release of kinetic Energy is in the case of a failure of the main energy source of an aircraft only a small advantage, since thus only a short time, albeit to a large extent, energy can be generated.
  • the solid propellant is preferably designed to release kinetic energy in the form of moving gas - propellant gas for a prolonged period of time, the turbine can be driven to generate the rotational energy over an extended period of time and thus generate electrical energy over a longer period of time become. This is advantageously a sufficient amount of time available to the
  • the solid propellant at least one inorganic
  • Oxidizing agent and at least one metallic fuel component are provided.
  • Substances that burn the metallic fuel component, creating great heat and releasing a great deal of energy are preferably transferred to the blades of a turbine by the emission of reaction gases, which generates rotational energy from the kinetic energy thus released.
  • the inorganic oxidizing agent is preferably selected from a group consisting of
  • the at least one metallic fuel component is preferably selected from a group containing Mg, Mg-Al alloys, Al, Ti, Zr, Fe, B, and Si.
  • Organic binders comprise molecularly hydrogen which is liberated as free hydrogen gas upon ignition of the solid propellant. Due to the high heat emission of the oxidized metal, the hydrogen gas is heated to a high temperature. Hydrogen gas has a very low molecular weight, so it is a very effective under high temperature
  • the solid propellant at least one organic binder.
  • the organic binder is preferably selected from a group comprising polyethers, polysulfide, polyurethane and butadiene-acrylic acid mixed polymers and / or butadiene-acrylic methacrylic acid copolymers intermixed with cellulose acetate, cellulose ethers, polyvinyl chloride or asphalt.
  • the solid propellant NH 4 CI0 4 and aluminum are preferred.
  • the ammonium perchlorate acts as an oxidizer for the aluminum and at the same time as a fuel, because it decomposes advantageous when burning, inter alia, in oxygen and chlorine. These gases continue to burn aluminum and contribute to an increase in the temperature of the reaction gases. The oxidation of the aluminum continues to generate a great deal of heat, which activates the energy of activation
  • the solid propellant aluminum with a mass fraction of up to 30 wt .-% on.
  • the solid propellant to an ignition device, wherein a controller is provided for driving the igniter and wherein the controller has its own independent power supply.
  • An emergency generator for providing electrical energy in case of failure of a main power source in aircraft has a
  • Rotation energy supply device on as well as a generator for
  • the turbine is preferably coupled to the generator, wherein the generator may be a DC or AC generator.
  • the emergency generator is designed to provide electrical energy with a power of 30 kW to 60 kW. Such power is sufficient to control the on-board functions to ensure maneuverability
  • an aircraft is with such an emergency generator
  • the generator is connected via a converter to an electrical system of the aircraft to supply this electrical system with electrical energy.
  • the converter preferably prevents energy peaks from causing the on-board functions to fail or ensures a constant supply of electrical energy for the vehicle electrical system.
  • a solid propellant is first ignited which releases kinetic energy and then converts this released kinetic energy into rotational energy by means of a turbine.
  • Solid propellant is directly kinetic energy available, which can be supplied to the on-board functions after conversion into electrical energy. It can be ensured without loss of time that the aircraft
  • a generator is driven to convert the rotational energy into electrical energy and to provide the electrical energy to a vehicle electrical system of an aircraft.
  • the solid propellant is ignited only in an emergency, only to provide the board functions of the aircraft electrical energy in case of failure of a main energy source.
  • Fig. 1 shows a first aircraft - aircraft - with different
  • Figure 2 shows a second aircraft - helicopter -.
  • Fig. 3 is a cockpit of the aircraft of FIG. 1 and FIG. 2 with a
  • Fig. 1 shows an aircraft 10 in the form of an aircraft 11 equipped with ailerons 12, elevators 14 and a rudder 16 as controls 17.
  • the ailerons 12 provide the flight control about the longitudinal axis 18 of the aircraft 1 1
  • the elevator 14 serve to rotate the aircraft 1 about its transverse axis 20
  • the rudder is used to rotate the aircraft 1 1 about its vertical axis 22. By means of these rotations can be the Maneuver airplane 1 1 safely in the air.
  • the controls 17 are generally controlled and monitored by a cockpit 24 of the aircraft 1 1 via aircraft instruments 25.
  • FIG. 2 another aircraft 10 is shown in the form of a helicopter 26.
  • the helicopter 26 harnesses the engine power of one or more rotors 28 for lift and propulsion.
  • Main rotor 30 level influenced.
  • the control is usually done via a Swash plate 31.
  • the swash plate 31 is driven, as well as the aircraft 1 1, from the cockpit 24 from.
  • Both here as aircraft 10 utilize fly-by-wire or fly-by-light, pilot control movements of the pilot being transmitted not by mechanical systems but by signal transmission (e.g., electrical, electromagnetic or optical).
  • signal transmission e.g., electrical, electromagnetic or optical
  • FIG. 3 shows a cockpit 24 of the aircraft 11 of FIG. 1 or of the helicopter 26 of FIG. 2 with associated energy supply 32 of a vehicle electrical system 33 and the aircraft instruments 25.
  • the power supply 32 has a main power source 36 and a
  • Both of the main energy source 36 and the emergency generator 38 electrical energy can be fed into the electrical system 33.
  • the electrical system 33 supplies both the aircraft instruments 25 and the controls 17 of the aircraft 10, for example, the ailerons, elevators and rudders 12, 14, 16 of the aircraft 1 1 or the swash plate of the aircraft
  • the emergency power generator 38 is switched on only in this case in order to ensure the maneuverability of the aircraft 10.
  • the emergency generator 38 is shown in detail in FIG. 4. It has one
  • Solids propellant 44 Solids propellant 44, a turbine 46, a generator 48 and a converter 50 on.
  • the solid propellant 44 is connected to an igniter 52, which is controlled by a controller 54.
  • the controller 54 has its own independent power supply 56, which is decoupled from the power supply of the main power source 36 and thus independent.
  • Emergency generator 38 is connected via the transducer 50 directly to the power supply 32 and thus provides electrical energy for the on-board instruments 25 and the controls 17th
  • the emergency power generator 38 will be described below. If the main energy source 36 of the aircraft 10 fails and thus the onboard instruments 25 and the controls 17 are no longer supplied with energy, activate the pilot or an automatic via the controller 54, which is located in the cockpit 24, the ignition device 52 and thus ignites the
  • Solids propellant 44 In the solid propellant 44 used in the present
  • the substances start a combustion process and thereby release combustion gases, which are passed as propellant gases 57 in the direction of the turbine 46 and drive them.
  • the solid fuel charge 44 burns in a period of 10 seconds to 300 seconds and drives in this period by the released thrust gases 57, the turbine 46 at.
  • the turbine 46 receives the kinetic energy of the propellant gases 57 via blades (not shown) and converts them into rotational energy.
  • Rotational energy supply device 58 Rotational energy supply device 58.
  • the rotational energy generated by the kinetic energy turbine 46 is transmitted to the generator 48 via a shaft 60. This converts the rotational energy into electrical energy in the usual way.
  • the electrical energy generated in this way is passed on to the vehicle electrical system 33 via the converter 50 and is thus available to the on-board instruments 34 and to the control elements 17.
  • Propellant gases 57 releases to the electrical system 33 to provide electrical energy so as to obtain the maneuverability of the aircraft 0.
  • the aircraft 10 may then be optionally landed or trials may be started to restart the main energy source 36.
  • Aggregates that can provide electrical energy (30 to 60 kW) for a limited period of time (approximately 10 to 300 s). This is of particular interest when the main energy source 36, e.g. electric generators coupled to prime movers on aircraft 1 1 or helicopters 26, short-term or final fails. Then a maintenance of the main energy source 36, e.g. electric generators coupled to prime movers on aircraft 1 1 or helicopters 26, short-term or final fails. Then a maintenance of the main energy source 36, e.g. electric generators coupled to prime movers on aircraft 1 1 or helicopters 26, short-term or final fails. Then a maintenance of the main energy source 36, e.g. electric generators coupled to prime movers on aircraft 1 1 or helicopters 26, short-term or final fails. Then a maintenance of the main energy source 36, e.g. electric generators coupled to prime movers on aircraft 1 1 or helicopters 26, short-term or final fails. Then a maintenance of the main energy source 36, e.g. electric generators coupled
  • Reduction gear is used.
  • the turbine 46 is over
  • Solid propellant trains 44 (gas generators) driven. Power and burn time are mediated by the energy content and chemical nature of the solid propellants 44.
  • An example of chemical propellants is ammonium perchlorate as an oxidizer with admixtures of aluminum up to 30 wt .-%.
  • the generators 48 may be constructed as DC or AC machines. Of the

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Ein Luftfahrzeug (10) ist für den Fall eines Ausfalls der Hauptenergiequelle (36) mit einem Notstromaggregat (38) ausgestattet, welches eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) sowie einen Generator (48) aufweist, welcher aus der erzeugten Rotationsenergie elektrische Energie für ein Bordnetz (33) des Luftfahrzeuges (10) bereit stellt. Die Rotationsenergie in der Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) wird durch Zündung eines Feststofftreibsatzes (44) und nachfolgendem Antrieb einer Turbine (46) durch die durch Verbrennung des Feststofftreibsatzes (44) freigesetzten Schubgase (57) erzeugt.

Description

ROTATIONSENERGIEBEREITSTELLUNGSVORRICHTUNG,
NOTSTROMAGGREGAT UND LUFTFAHRZEUG
Die Erfindung betrifft eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Rotationsenergie aus chemischer Energie. Weiter betrifft die Erfindung ein Notstromaggregat mit einer
Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung und mit einem Generator zum
Erzeugen von elektrischer Energie aus der Rotationsenergie und ein damit ausgestattetes Luftfahrzeug.
Wenn eine Hauptenergiequelle eines Luftfahrzeuges, wie beispielsweise eines Flugzeuges oder eines Hubschraubers, kurzfristig oder endgültig ausfällt, ist eine Aufrechterhaltung der Bordfunktionen von Vorteil, da so die Flugfähigkeit sichergestellt wird und die Hauptenergiequelle entweder wieder gestartet oder das Luftfahrzeug sicher gelandet werden kann. Die Bordfunktionen können jedoch nur aufrecht erhalten werden, wenn über das Bordnetz elektrische Energie zur
Verfügung steht. Je nach gewünschtem Manöver - entweder Neustart der
Hauptenergiequelle oder Landung - ist dazu eine elektrische Energiezufuhr in einem Zeitraum von wenigen Sekunden bis zu mehreren Minuten nötig.
Für solche Fälle besteht die Möglichkeit, Batterien oder auch Brennstoffzellen einzusetzen. Diese Systeme sind jedoch vergleichsweise schwer und sie sind daher nur bedingt für ein fliegendes Gerät geeignet. Bei Brennstoffzellen ist zudem ein zusätzlicher Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, erforderlich. Außerdem ist bei beiden Systemen zu berücksichtigen, dass sie eine ständige Wartung zum Erhalt der Funktionalität benötigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie zur Versorgung der Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges vorzuschlagen, wobei die Vorrichtung ein geringes Gewicht aufweist und weitgehend wartungsfrei ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie, ein Luftfahrzeug mit einem solchen Notstromaggregat sowie ein Verfahren zum Bereitstellen von Rotationsenergie sind Gegenstand der Nebenansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung zum verzögerungsfreien
Bereitstellen von Rotationsenergie für einen Generator weist einen zündbaren Feststofftreibsatz zum Freisetzen von kinetischer Energie bei Zündung und eine Turbine zum Umwandeln der von dem Feststofftreibsatz freigesetzten kinetischen Energie in Rotationsenergie auf.
Wird der Feststofftreibsatz gezündet, wird dadurch die Aktivierungsenergie erzeugt, die nötig ist, um die in dem Feststofftreibsatz gespeicherte chemische Energie freizusetzen und in kinetische Energie umzuwandeln. Eine in der Nähe des
Feststofftreibsatzes angeordnete Turbine wird durch Wechselwirkung der kinetischen Energie mit den Schaufeln der Turbine angetrieben und beginnt, sich zu drehen. Durch diesen Vorgang wird die von dem Feststofftreibsatz freigesetzte kinetische Energie in Rotationsenergie umgewandelt. Die derart erzeugte
mechanische Energie kann zum Erzeugen von elektrischer Energie und somit zum Versorgen von Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges verwendet werden. Die Größe und das Gewicht der Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung hängt lediglich von den in dem Feststofftreibsatz verwendeten Substanzen und deren
gespeicherter chemischer Energie ab. Somit kann ein kompakter, leichter Aufbau zum Erzeugen von Rotationsenergie zur Verfügung gestellt werden.
Vorzugsweise ist der Feststofftreibsatz derart ausgebildet, dass er nach Zündung in einem Zeitraum von 10 s bis 300 s Schubgas in Richtung der Turbine freisetzt und somit die Turbine antreibt. Ein explosionsartiges Freisetzen von kinetischer Energie ist im Falle eines Ausfalles der Hauptenergiequelle eines Luftfahrzeuges nur von geringem Vorteil, da somit nur kurzzeitig, wenn auch in hohem Maße, Energie erzeugt werden kann. Ist der Feststofftreibsatz jedoch vorzugsweise derart ausgebildet, dass er über einen längeren Zeitraum kinetische Energie in Form von sich bewegendem Gas - Schubgas - freisetzt, kann die Turbine zur Erzeugung der Rotationsenergie über einen längeren Zeitraum angetrieben werden und somit auch über einen längeren Zeitraum elektrische Energie erzeugt werden. Damit steht vorteilhaft eine ausreichende Zeitspanne zur Verfügung, um die
Hauptantriebsquelle des Luftfahrzeuges wieder zu starten bzw. um das
Luftfahrzeug zu landen.
Vorteilhaft weist der Feststofftreibsatz wenigstens ein anorganisches
Oxidationsmittel und wenigstens eine metallische Brennstoffkomponente auf.
Die anorganischen Oxidationsmittel zerfallen vorteilhaft beim Verbrennen in
Substanzen, die die metallische Brennstoffkomponente verbrennen, wobei große Hitze entsteht und damit eine große Energie freigesetzt wird. Die Energie wird vorzugsweise durch Ausstoß von Reaktionsgasen auf die Schaufeln einer Turbine übertragen, die aus der so freigesetzten kinetischen Energie Rotationsenergie erzeugt.
Das anorganische Oxidationsmittel ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die
NH4CIO4, NH4NO3, K, Na, Li, CaO2, BaO2 und Na2O2 enthält, ausgewählt.
Die wenigstens eine metallische Brennstoffkomponente ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die Mg, Mg-Al-Legierungen, AI, Ti, Zr, Fe, B und Si enthält, ausgewählt.
Organische Bindemittel weisen molekulargebundenen Wasserstoff auf, der nach Zündung des Feststofftreibsatzes als freies Wasserstoffgas freigesetzt wird. Infolge der hohen Wärmeabgabe des oxidierten Metalls wird das Wasserstoffgas auf eine hohe Temperatur erhitzt. Wasserstoffgas weist ein sehr geringes Molekulargewicht auf, weswegen es unter hoher Temperatur eine sehr wirksame
Schuberzeugungskomponente bildet. In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist der Feststofftreibsatz wenigstens ein organisches Bindemittel auf.
Das organische Bindemittel ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die Polyether, Polysulfid, Polyurethan und mit Celluloseacetat, Celluloseether, Polyvinylchlorid oder Asphalt vernetzte Butadien-Acrylsäure-Mischpolymere und/oder Butadien- Acrylmethacrylsäure-Mischpolymere enthält, ausgewählt.
Vorzugsweise weist der Feststofftreibsatz NH4CI04 und Aluminium auf. Das Ammoniumperchlorat wirkt als Oxidator für das Aluminium und gleichzeitig als Treibstoff, denn es zerfällt vorteilhaft beim Verbrennen unter anderem in Sauerstoff und Chlor. Diese Gase verbrennen weiter Aluminium und tragen zu einer Erhöhung der Temperatur der Reaktionsgase bei. Durch die Oxidation des Aluminiums entsteht weiter eine große Hitze, wodurch Aktivierungsenergie zum
Aufrechterhalten der Verbrennungsreaktionen bereit gestellt wird.
Vorzugsweise weist der Feststofftreibsatz Aluminium mit einem Massenanteil von bis zu 30 Gew.-% auf.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Feststofftreibsatz eine Zündvorrichtung auf, wobei eine Steuerung zum Ansteuern der Zündvorrichtung vorgesehen ist und wobei die Steuerung eine eigene unabhängige Energieversorgung aufweist. So ist es vorteilhaft möglich, den Feststofftreibsatz über die Zündvorrichtung durch Betätigung der Steuerung zu zünden, ohne dass Energie von der
Hauptenergiequelle zur Verfügung stehen muss. Beispielsweise kann die
Steuerung über handelsübliche Batterien, Akkumulatoren und/oder
leistungsfähigen Kondensatoren wie z.B. Goldcaps mit Energie versorgt werden.
Ein Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie bei einem Ausfall einer Hauptenergiequelle in Luftfahrzeugen weist eine
Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung auf sowie einen Generator zum
Umwandeln von Rotationsenergie in elektrische Energie. Wird durch eine kleine, kompakte und leichte Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung Rotationsenergie aus chemischer Energie erzeugt, kann diese durch Vorsehen eines Generators einfach in elektrische Energie verwandelt werden, welche dann zum Erhalt der Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges zur Verfügung steht.
Dazu ist vorzugsweise die Turbine mit dem Generator gekoppelt, wobei der Generator ein Gleichstrom- oder Wechselstrom-Generator sein kann.
Vorzugsweise ist das Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie mit einer Leistung von 30 kW bis 60 kW ausgebildet. Eine solche Leistung reicht aus, um die Bordfunktionen zur Sicherstellung der Manövrierfähigkeit des
Luftfahrzeuges aufrecht zu erhalten.
Vorzugsweise ist ein Luftfahrzeug mit einem solchen Notstromaggregat
ausgestattet, wobei der Generator über einen Wandler an ein Bordnetz des Luftfahrzeuges angeschlossen ist, um dieses Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Wandler verhindert hierbei vorzugsweise, dass Energiespitzen die Bordfunktionen zum Ausfall bringen bzw. sorgt für eine konstante Zufuhr elektrischer Energie für das Bordnetz.
In einem Verfahren zum verzögerungsfreien Bereitstellen von Rotationsenergie für einen Generator wird zunächst ein Feststofftreibsatz gezündet, der kinetische Energie freisetzt und danach diese freigesetzte kinetische Energie mittels einer Turbine in Rotationsenergie umwandelt. Durch das Zünden des
Feststofftreibsatzes steht unmittelbar kinetische Energie zur Verfügung, die nach Umwandlung in elektrische Energie den Bordfunktionen zugeführt werden kann. Es kann so ohne Zeitverlust sicher gestellt werden, dass das Luftfahrzeug
manövrierfähig bleibt, bis entweder die Hauptenergiequelle wieder gestartet worden ist bzw. bis das Luftfahrzeug gelandet worden ist.
Vorzugsweise wird ein Generator angetrieben, um die Rotationsenergie in elektrische Energie zu wandeln und die elektrische Energie einem Bordnetz eines Luftfahrzeuges zur Verfügung zu stellen. Bevorzugt wird der Feststofftreibsatz nur im Notfall gezündet, um lediglich beim Ausfall einer Hauptenergiequelle den Bordfunktionen des Luftfahrzeuges elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 ein erstes Luftfahrzeug - Flugzeug - mit verschiedenen
Steuerelementen;
Fig. 2 ein zweites Luftfahrzeug - Hubschrauber -;
Fig. 3 ein Cockpit der Luftfahrzeuge aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 mit einer
Hauptenergiequelle und einem Notstromaggregat; und
Fig. 4 das Notstromaggregat aus Fig. 3 im Detail.
Fig. 1 zeigt ein Luftfahrzeug 10 in Form eines Flugzeugs 11 , das mit Querrudern 12, Höhenrudern 14 und einem Seitenruder 16 als Steuerelemente 17 ausgestattet ist. Die Querruder 12 sorgen für die Flugsteuerung um die Längsachse 18 des Flugzeuges 1 1 , die Höhenruder 14 dienen zur Drehung des Flugzeuges 1 um seine Querachse 20 und das Seitenruder dient zum Drehen des Flugzeuges 1 1 um seine Hochachse 22. Mittels dieser Drehungen lässt sich das Flugzeug 1 1 in der Luft sicher manövrieren. Die Steuerelemente 17 werden im Allgemeinen von einem Cockpit 24 des Flugzeuges 1 1 aus über Bordinstrumente 25 angesteuert und überwacht.
In Fig. 2 ist ein weiteres Luftfahrzeug 10 in Form eines Hubschraubers 26 dargestellt. Der Hubschrauber 26 macht sich die Motorkraft eines oder mehrerer Rotoren 28 für Auftrieb und Vortrieb zu Nutze. Die zweidimensionale
Horizontalbewegung des Hubschraubers 26 wird durch Neigung der
Hauptrotorebene 30 beeinflusst. Die Ansteuerung erfolgt dabei zumeist über eine Taumelscheibe 31. Die Taumelscheibe 31 wird dabei, wie auch beim Flugzeug 1 1 , vom Cockpit 24 aus angesteuert.
Beide hier als Luftfahrzeuge 10 nutzen Fly-by-Wire oder Fly-by-Light, wobei Steuerbewegungen des Piloten nicht durch mechanische Systeme, sondern durch Signalübertragung (z.B. elektrisch, elektromagnetisch oder optisch) übertragen werden.
Fig. 3 zeigt ein Cockpit 24 des Flugzeuges 1 1 aus Fig. 1 oder des Hubschraubers 26 aus Fig. 2 mit zugehöriger Energieversorgung 32 eines Bordnetzes 33 und den Bordinstrumenten 25.
Die Energieversorgung 32 weist eine Hauptenergiequelle 36 und ein
Notstromaggregat 38 auf. Sowohl von der Hauptenergiequelle 36 als auch vom Notstromaggregat 38 kann elektrische Energie in das Bordnetz 33 eingespeist werden. Das Bordnetz 33 versorgt sowohl die Bordinstrumente 25 als auch die Steuerelemente 17 des Luftfahrzeuges 10, beispielsweise die Quer-, Höhen- und das Seitenruder 12, 14, 16 des Flugzeuges 1 1 oder die Taumelplatte des
Hubschraubers 26, über einen Anschluss 42 mit elektrischer Energie. Fällt die Hauptenergiequelle 36 aus, wird nur in diesem Fall das Notstromaggregat 38 zugeschaltet, um die Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeuges 10 zu gewährleisten.
Das Notstromaggregat 38 ist im Detail in Fig. 4 gezeigt. Es weist einen
Feststofftreibsatz 44, eine Turbine 46, einen Generator 48 und einen Wandler 50 auf. Der Feststofftreibsatz 44 ist mit einer Zündvorrichtung 52 verbunden, welche über eine Steuerung 54 angesteuert wird. Die Steuerung 54 weist eine eigene unabhängige Energieversorgung 56 auf, die von der Energieversorgung der Hauptenergiequelle 36 abgekoppelt und somit unabhängig ist. Das
Notstromaggregat 38 ist über den Wandler 50 direkt mit der Energieversorgung 32 verbunden und liefert so elektrische Energie für die Bordinstrumente 25 und die Steuerelemente 17.
Die Funktionsweise des Notstromaggregates 38 wird im Folgenden beschrieben. Wenn die Hauptenergiequelle 36 des Luftfahrzeuges 10 ausfällt und somit die Bordinstrumente 25 sowie die Steuerelemente 17 nicht mehr mit Energie versorgt werden, aktivieren der Pilot oder eine Automatik über die Steuerung 54, die sich in dem Cockpit 24 befindet, die Zündvorrichtung 52 und zündet somit den
Feststofftreibsatz 44. In dem Feststofftreibsatz 44, der in der vorliegenden
Ausführungsform ein Gemisch aus Ammoniumperchlorat und 30 Gew.-%
Aluminium aufweist, starten die Substanzen einen Verbrennungsvorgang und setzen dabei Verbrennungsgase frei, die als Schubgase 57 in Richtung der Turbine 46 geleitet werden und diese antreiben. Nach Start des Verbrennungsvorgangs brennt der Feststofftreibsatz 44 in einem Zeitraum von 10 s bis 300 s und treibt in diesem Zeitraum durch die freigesetzten Schubgase 57 die Turbine 46 an. Die Turbine 46 nimmt die kinetische Energie der Schubgase 57 über Schaufeln (nicht gezeigt) auf und wandelt sie in Rotationsenergie. Somit bilden der
Feststofftreibsatz 44 und die Turbine 46 gemeinsam eine
Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung 58.
Die von der Turbine 46 aus der kinetischen Energie erzeugte Rotationsenergie wird über eine Welle 60 auf den Generator 48 übertragen. Dieser wandelt in üblicher Weise die Rotationsenergie in elektrische Energie um. Die so erzeugte elektrische Energie wird über den Wandler 50 an das Bordnetz 33 weiter gegeben und steht somit den Bordinstrumenten 34 sowie den Steuerelementen 17 zur Verfügung. Somit ist es möglich, in der Zeit, in der der Feststofftreibsatz 44 brennt und
Schubgase 57 freisetzt, dem Bordnetz 33 elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, um so die Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeuges 0 zu erhalten. Das Luftfahrzeug 10 kann dann wahlweise gelandet werden oder Versuche gestartet werden, um die Hauptenergiequelle 36 wieder zu starten.
Dies wird durch das dargestellte System zur Stromerzeugung erreicht, das aus einer Turbine 46 mit einem gekoppelten elektrischen Generator 48 besteht. Der Antrieb der Turbine 46 erfolgt dabei mit Feststoffbrennelementen. Im Luftfahrtbereich besteht in verschiedenen Sektionen der Bedarf von
Aggregaten, die für einen begrenzten Zeitraum (ca. 10 bis 300 s) elektrische Energie (30 bis 60 kW) zur Verfügung stellen können. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Hauptenergiequelle 36, z.B. elektrische Generatoren gekoppelt an Antriebsmaschinen bei Flugzeugen 1 1 oder Hubschraubern 26, kurzfristig oder endgültig ausfällt. Dann ist eine Aufrechterhaltung der
Bordfunktionen zur Sicherstellung der Flugfähigkeit in einem Zeitraum zu gewährleisten, innerhalb dessen die Hauptmaschinen wieder gestartet werden können oder das Luftfahrzeug 10 sicher gelandet werden kann.
Bei zivilen und militärischen Flugzeugen 1 1 wird das Problem einer
Betriebsstörung der Hauptmaschine mittels einer Hilfsturbine mit gekoppeltem Generator (APU - auxiliary power unit) gelöst. Bei Hubschraubern 26 sind derartige Systeme nicht Stand der Technik. In solchen Fällen besteht die
Möglichkeit, Batterien oder auch Brennstoffzellen einzusetzen. Diese Systeme sind vergleichsweise schwer und sind daher nur bedingt für fliegendes Gerät geeignet. Bei Brennstoffzellen ist zudem ein zusätzlicher Betriebsstoff, in der Regel
Wasserstoff, erforderlich. Bei beiden Systemen ist zu berücksichtigen, dass diese eine ständige Wartung zum Erhalt der Funktionalität benötigen. Insofern besteht ein Bedarf an leichten, wartungsfreien und kostengünstigen Systemen zur
Stromerzeugung im Notfallbetrieb.
Daher wird ein leichtes, wartungsfreies und kostengünstiges System zur kurzfristigen elektrischen Bordenergieversorgung vorgeschlagen, wobei eine Turbine 46 mit gekoppeltem Generator 48 direkt oder über ein
Untersetzungsgetriebe eingesetzt wird. Die Turbine 46 wird dabei über
Feststofftreibsätze 44 (Gasgeneratoren) angetrieben. Leistung und Brenndauer werden über den Energieinhalt und die chemische Natur der Feststofftreibsätze 44 vermittelt. Ein Beispiel für chemische Treibsätze ist Ammoniumperchlorat als Oxidator mit Beimischungen von Aluminium bis zu 30 Gew.-%. Die Generatoren 48 können als Gleich- oder Wechselstrommaschinen aufgebaut sein. Der
Bordnetzanschluss erfolgt über eine jeweils erforderliche Strom- Spannungswandlung gemäß Stand der Technik. Das vorgeschlagene System bietet die Vorteile einer leichten, kompakten und wartungsfreien Einheit zur Stromerzeugung in Luftfahrzeugen 10 für den
Notfallbetrieb, wobei kein zusätzlicher Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff bei alternativ möglichen Brennstoffzellen erforderlich ist und wobei keine Abhängigkeit vom Hauptenergieträger, in der Regel Kerosin, besteht.
Bezugszeichenliste: Luftfahrzeug
Flugzeug
Querruder
Höhenruder
Seitenruder
Steuerelemente
Längsachse
Querachse
Hochachse
Cockpit
Bordinstrumente
Hubschrauber
Rotor
Hauptrotorebene
Energieversorgung
Bord netz
Hauptenergiequelle
Notstromaggregat
Anschluss
Feststofftreibsatz
Turbine
Generator
Wandler
Zündvorrichtung
Steuerung
unabhängige Energieversorgung
Schubgas
Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung Welle

Claims

Patentansprüche
1 . Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) zum verzögerungsfreien Bereitstellen von Rotationsenergie für einen Generator (48) mit einem zündbaren Feststofftreibsatz (44) zum Freisetzen von kinetischer Energie bei Zündung und mit einer Turbine (46) zum Umwandeln der von dem Feststofftreibsatz (44)
freigesetzten kinetischen Energie in Rotationsenergie.
2. Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Feststofftreibsatz (44) nach Zündung zum Freisetzen von Schubgas (57) in Richtung der Turbine (46) zum Antreiben der Turbine (46) in einem Zeitraum von 10 s bis 300 s ausgebildet ist.
3. Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) nach einem der
voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Feststofftreibsatz (44) wenigstens ein
anorganisches Oxidationsmittel aus der Gruppe, die NH4CI04, NH4N03, K, Na, Li, Ca02, BaÜ2 und Na202 enthält und wenigstens eine metallische
Brennstoffkomponente aus der Gruppe, die Mg, Mg-Al-Legierungen, AI, Ti, Zr, Fe, B, Si enthält, aufweist.
4. Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) nach einem der
voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Feststofftreibsatz (44) wenigstens ein
organisches Bindemittel aus der Gruppe, die Polyether, Polysulfid, Polyurethan und mit Celluloseacetat, Celluloseether, Polyvinylchlorid oder Asphalt vernetzte
Butadien-Acrylsäure-Mischpolymere und/oder Butadien-Acrylmethacrylsäure- Mischpolymere enthält, aufweist.
5. Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Feststofftreibsatz (44) NH4CI04 und Aluminium aufweist.
6. Rotationsenergiebereitsteliungsvorrichtung (58) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststofftreibsatz (44) Aluminium mit einem Massenanteil von bis zu 30 Gew.-% aufweist.
7. Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Feststofftreibsatz (44) eine Zündvorrichtung (52) aufweist, wobei eine Steuerung (54) zum Ansteuern der Zündvorrichtung (52) vorgesehen ist, wobei die Steuerung (54) eine eigene unabhängige
Energieversorgung (56) aufweist.
8. Notstromaggregat (38) zum Bereitstellen von elektrischer Energie bei Ausfall einer Hauptenergiequelle (36) in Luftfahrzeugen (10),
mit einer Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) nach einem der voranstehenden Ansprüche und einem Generator (48) zum Umwandeln von Rotationsenergie in elektrische Energie.
9. Notstromaggregat (38) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (46) mit dem Generator (48) gekoppelt ist, wobei der Generator (48) ein Gleichstrom- oder Wechselstromgenerator ist.
10. Notstromaggregat (38) nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Notstromaggregat (38) zum Bereitstellen von elektrischer Energie mit einer Leistung von 30 kW bis 60 kW ausgebildet ist.
1 1 . Luftfahrzeug (10) mit einem Notstromaggregat (38) nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
12. Luftfahrzeug ( 0) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (48) über einen Wandler (50) an ein Bordnetz (33) des Luftfahrzeugs (10) zum Versorgen des Bordnetzes (33) mit elektrischer Energie angeschlossen ist.
13. Verfahren zum verzögerungsfreien Bereitstellen von Rotationsenergie für einen Generator (48) mit
Zünden eines Feststofftreibsatzes (44) zum Freisetzen von kinetischer Energie und Umwandeln der von dem Feststofftreibsatz (44) freigesetzten kinetische Energie in Rotationsenergie mittels einer Turbine (46).
14. Verfahren nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch Antreiben eines Generators (48) zum Umwandeln der Rotationsenergie in elektrische Energie mittels einer Turbine (44) und Bereitstellen von elektrischer Energie durch den Generator (48) für ein Bordnetz (33) eines Luftfahrzeuges (10) zum Erhalt der Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeuges (10).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
gekennzeichnet durch Zünden des Feststofftreibsatzes (44) im Notfall bei Ausfall einer Hauptenergiequelle (36) in dem Luftfahrzeug (10).
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