WO2015124556A1 - Fluggerät - Google Patents

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WO2015124556A1
WO2015124556A1 PCT/EP2015/053294 EP2015053294W WO2015124556A1 WO 2015124556 A1 WO2015124556 A1 WO 2015124556A1 EP 2015053294 W EP2015053294 W EP 2015053294W WO 2015124556 A1 WO2015124556 A1 WO 2015124556A1
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Meinhard Schwaiger
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Iat 21 Innovative Aeronautics Technologies Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an alternative VTOL aircraft that launch and land vertically, levitating, rotating about each space axis, moving in any direction in the air, and flying higher in flight forward at higher efficiency than known helicopters and quadro - / Multicopter can reach.
  • the aircraft according to this invention essentially consists of an aircraft sump, on which several, preferably three to ten, propeller units can be pivoted independently of each other about an axis perpendicular to the axis of rotation of the propellers.
  • the aircraft sump is supplemented by a pivotable wing unit, which gives the aircraft in forward flight a flight characteristic similar to a surface aircraft.
  • Aircraft compliant with the prior art are quadrocopters (eg KR 101199536, EP 2497555 D'Haeryer Frederic), US 2011/0299732 (Jonchery Ciaire), WO 2013/1445078 (Callou Francois), KR 20120065546 (Joo Byung Kyu ), KR 100812756 (Kang Min Sung), KR 100812755 (Kang Min Sung), CZ 26152 (Klekner Ota), CN20132236591 (Chen Jiayan), RU 2500577 (Kuzmich Borzenko Jakov)) with four propeller units or multicopters with more than four propeller units, each rigidly connected to the aircraft.
  • the thrust and rotor torque per propeller are varied and the aircraft is controlled. It can thus start and land vertically, rotate about the vertical axis or swivel around a transverse axis and flow in a defined direction.
  • the vertical lift is generated by the propeller in forward flight and tilting of the entire aircraft by a defined angle, a proportionate force component is used for the actual forward flight.
  • a disadvantage of such systems is the comparatively low share of force that can be exploited for the forward flight and the associated low forward speed or low efficiency.
  • ES 2326201 Pulras Vila
  • a quadrocopter configuration which shows four rigidly arranged propeller units and four pivotable flow directors below the propeller units so that the air flow of the propeller can be controlled in forward and backward directions respectively.
  • the flow guides are not suitable as wings.
  • US Pat. No. 5,000,398 discloses an aircraft configuration in which vertical lift is generated with rigidly arranged rotor units and a forward thrust can be generated with additional engines.
  • the fuselage of the aircraft is designed to accommodate a larger load (eg an aircraft) and miss actual wings.
  • EP 2 690 011 Fink Axel
  • an aircraft configuration is known, which is provided with an aircraft fuselage on which a main rotor is provided approximately in the center of gravity and is designed with four wings, at the front major wings each having a propeller is arranged rigidly in the direction of flight.
  • the wings are rigidly connected to the aircraft sump.
  • EP 2 690 010 (Fink Axel) is a is a aircraft configuration known, with an airframe muff, to which a main rotor approximately in Mass center of gravity is provided and with two wings, which are connected via a double fuselage, is executed, at the rear wings in each case a thrust propeller is rigidly arranged.
  • the wings are rigidly connected to the aircraft sump.
  • EP 2 666 718 an aircraft configuration is known which is rigid with an aircraft sump on which a main rotor, designed as a coaxial rotor, approximately in the center of gravity and is designed with four wings, at the front major wings is arranged in the direction of flight.
  • the wings are rigidly connected to the aircraft sump.
  • KR 20130126756 (Kroo Ilan) aircraft configuration is known, which is arranged with an airframe muff, on which laterally arranged in series vertical vertical propeller and is designed with four wings, at the rear two wings each having a propeller is rigidly arranged.
  • the wings are rigidly connected to the aircraft sump.
  • RU 2500578 (Nikolaevich Pavlov Sergej) is one is a aircraft configuration known with an airframe muff, on which a main rotor is provided approximately in the center of gravity, with two in the front area laterally to the aircraft sump parallel to the direction of flight arranged propeller units for the forward thrust and two pivoting wings is executed in the rear area.
  • WO 2003/029075 (Milde Karl F. Jr.) several aircraft configurations are known where rigid airfoils are arranged on an airframe sump and with the wings or in the wings a plurality of ducted propellers (ducted fan) are connected or integrated, which are additionally designed with flow guides.
  • ducted propellers ducted fan
  • From DE 1926568 is a is a aircraft configuration known in which the aircraft sump two rigid wings are arranged at the ends of which are pivotable propellers, and are arranged in the rear of the aircraft engines for a forward thrust, so that a vertical Starting and landing and forward flight is possible, but not a stable transition from limbo to forward flight.
  • WO 2005/037644 (Dzerins Peteris) is a is a aircraft configuration known, designed as a multicopter with pivoting propellers, so that a vertical takeoff and landing and forward flight is possible, but no gliding, since wing units are missing.
  • an aircraft configuration in which a plurality of drive rotors are arranged on swivel arms on the aircraft sump, which allow a vertical takeoff and landing and a forward flight, and in a second position of the drive rotor on the fuselage or the wing or in the fuselage or the wing, and stabilized in the flight phase with a vertical and vertical stabilizer. leads is.
  • the support surface is pivotable about an axis transverse to the longitudinal axis of the aircraft.
  • a disadvantage of all known aircraft configurations is the lack of efficiency in forward flight and / or the lack of full 360 ° maneuverability around each spatial axis and / or the stable transition from levitation to forward flight.
  • Object of the present invention is to define an aircraft that start and land vertically, take a limbo, rotate around each space axis, move in any direction in the air and in forward flight a higher airspeed with higher efficiency than known helicopters and Quadro - / Multicopter can reach.
  • the aircraft When taking off and landing, the aircraft should be as compact as possible.
  • the aircraft In the event of failure of the propeller units due to a component failure or a fuel shortage, the aircraft should allow a safe landing by autorotation capability.
  • this object is achieved in that the wings are at least partially pivotable relative to the aircraft sump and independently of the propeller units.
  • the direction of the thrust vector is oriented approximately parallel to the flight direction.
  • the required lift is generated in forward flight and achieved a higher efficiency in forward flight over known helicopters and quadro- / multicopter.
  • the wings are pivotable about an axis of rotation, so that a higher efficiency and precision can be achieved in vertical climb (vertical start) or when landing maneuver.
  • the number of propeller units is three to ten, so that a stable attitude in vertical takeoff and vertical landing, in limbo and in the transition region from the floating state in the forward flight and the forward flight is possible in the floating state, in contrast to alternative aircraft with only two propeller units, in which the stability is possible only in the attitude above a critical airspeed.
  • the propeller units are provided within wings.
  • the arrangement of the propeller unit within wings allows a targeted influence on the aerodynamics of the aircraft.
  • the alternatively provided arrangement of the propeller units within the aircraft overall structure or within the wings allows a moderate collision with obstacles without risk of damage to the aircraft (eg touching rock walls, docking to vertical walls, flight through small openings in buildings such. Windows, ).
  • the arrangement of the propeller units within a protective frame increases the safety of the aircraft with moderate collision with obstacles, but also allows the touch of the aircraft in operation without risk of injury to persons.
  • the propeller units are arranged relative to the aircraft sump at a swivel angle which, starting from a middle position, is approximately 90 ° in both directions. This is in addition to the vertical take-off and landing and in forward flight thrust reversal possible, on the one hand agility enormously improved but also a suction on a solid surface possible.
  • the propeller units are pivotable relative to the aircraft sump about a pivot axis which is parallel to the transverse axis of the aircraft, independently for each individual propeller unit, allowing extreme maneuvers and turning with the least turning circles.
  • the propeller units are electrically driven and can be controlled individually.
  • a simplified power transmission to the individual propeller units is possible by electrical power supply. Due to the limited capacity and the high weights today conventional electric storage (batteries) is a hybrid power supply, consisting of fuel cells or combustion engine and generator for generating electrical energy, provided in a further embodiment. Ranges and service lives of both manned and unmanned aerial vehicles are of enormous importance, which is why solar cells are also provided for generating electrical energy.
  • Ranges and periods of use with autonomous power supply on board are advantageously possible by means of propeller units, which are driven by at least one internal combustion engine.
  • the wings are pivotable about an axis with respect to the aircraft sump, which is arranged parallel or at an acute angle to the transverse axis of the aircraft and in the economic forward flight employment of the wing with an angle of attack that allows a minimum Strömungswinderstand with optimal buoyancy.
  • the wings can be brought into a helically pivoted position in the case of rotation of the aircraft about its vertical axis or about an axis parallel to the vertical axis, but outside of the aircraft, vertical lift is generated for a climb with low energy use (similar to a "screwing" eagle in the air).
  • Fig. 1 shows an inventive aircraft, consisting of an airframe mast 1, a not necessarily required outer protective frame 2, a plurality, preferably 4 propeller units 3, for each propeller unit 3, a pivoting device 4, the definable by the position of the propeller units direction of flight 6 and possible rotational movements of the aircraft about the vertical axis 7, transverse axis 8 and longitudinal axis. 9
  • Fig. 2 shows the aircraft according to the invention, with the pivot unit 4 and the pivoting movement 4 'of the propeller unit 3, wherein the pivot angle can be more than +/- 180 °.
  • FIG. 3 shows the aircraft according to the invention in a view from above in a variant with wings 5, which can be pivoted rigidly or according to a further embodiment along a pivot axis 5 'by a pivoting angle 5 "preferably in the range +/- 90 ° is in the direction of flight 6 in forward flight and the propeller units 3 are aligned in the direction of flight.
  • FIG. 4 shows the aircraft according to the invention according to FIG. 3 in side view.
  • the wings 5 are employed for optimum lift generation by the angle of attack 5 "against the direction of flight.
  • Fig. 5 shows the aircraft according to the invention in the optimal forward flight with salaried wings 5, which are arranged on the aircraft sump 1.
  • the propeller units 3 and the pivoting device 4 may be protected by a protective frame 2.
  • the aircraft sump 1 and the protective frame 2 may have an aerodynamic shape.
  • Fig. 6 shows the aircraft according to the invention with laterally folded wings for a particularly small outer dimension, as z. B. for a landing maneuver in the smallest space may be required.
  • Fig. 7 shows the aircraft according to the invention with oppositely salaried wings, so that the aircraft can be placed about the vertical axis in a rotation, similar to a gyroplane in height or in case of failure of the propeller units in the vertical direction in free fall down 6 at the same time can be offset in rotation about the vertical axis and can absorb an impact by timely countermeasure of the wing inclination taking advantage of the rotational energy.
  • Fig. 8 shows the aircraft according to the invention in a further embodiment in which individual propeller units 3 are arranged directly on the support surface with folded wing for a stable stand on the ground z. B. in a startup or a safe landing in a small space.
  • FIG. 9 shows the aircraft according to the invention in the further embodiment variant according to FIG. 8, in which individual propeller units 3 are arranged directly on the support surface and the wings have been unfolded after the starting process.
  • Fig. 10 shows the aircraft according to the invention in the further embodiment of FIG. 8, in which individual propeller units 3 are arranged directly on the wing and the wings have been unfolded after the takeoff in forward flight, with the aircraft in this phase of flight similar to a classic surface aircraft (eg motor glider) with low flow resistance behaves.
  • An essential aspect of the invention is also that the aircraft can be executed free of tail units or stabilization surfaces.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fluggerät mit einem Fluggeräterumpf (1) und mehreren Propellereinheiten (3), die schwenkbar in Bezug auf den Fluggeräterumpf (1) angeordnet sind und mit Tragflächen (5), die zumindest teilweise gegenüber dem Fluggeräterumpf (1) und unabhängig von den Propellereinheiten (3) verschwenkbar sind.

Description

Fluggerät
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf ein alternatives VTOL-Fluggerät, das senkrecht starten und landen, einen Schwebezustand einnehmen, sich um jede Raumachse drehen, sich in jede Richtung in der Luft bewegen und im Vorwärtsflug eine höhere Fluggeschwindigkeit bei höherer Effizienz als bekannte Helikopter und Quadro-/Multicopter erreichen kann. Das Fluggerät gemäß dieser Erfindung besteht im Wesentlichen aus einem Fluggeräterumpf, an dem mehrere, vorzugsweise drei bis zehn Propellereinheiten um eine Achse senkrecht zur Drehachse der Propeller unabhängig voneinander geschwenkt werden können. In einer weiteren bevorzugten Ausprägung wird der Fluggeräterumpf um eine schwenkbare Flügeleinheit ergänzt, die dem Fluggerät im Vorwärtsflug eine Flugcharakteristik ähnlich einem Flächenflugzeug verleiht.
Dem Stand der Technik entsprechen Fluggeräte, ausgeführt als Quadrocopter (z. B. KR 101199536, EP 2497555 D'Haeryer Frederic), US 2011/0299732 (Jonchery Ciaire), WO 2013/1445078 (Callou Francois), KR 20120065546 (Joo Byung Kyu), KR 100812756 (Kang Min Sung), KR 100812755 (Kang Min Sung), CZ 26152 (Klekner Ota), CN20132236591 (Chen Jiayan), RU 2500577 (Kuzmich Borzenko Jakov)) mit vier Propellereinheiten oder Multicopter mit mehr als vier Propellereinheiten, die jeweils starr mit dem Fluggerät verbunden sind . Durch individuelle Variation der Propellerdrehzahl oder des Pitch wird der Schub und das Rotordrehmoment pro Propeller variiert und das Fluggerät gesteuert. Es kann sohin definiert vertikal starten und landen, um die Hochachse drehen oder um eine Querachse geschwenkt und in eine definierte Richtung geflogen werden. Dabei wird auch im Vorwärtsflug der Vertikalauftrieb über die Propeller erzeugt und durch Neigung des gesamten Fluggerätes um einen definierten Winkel wird eine anteilige Kraftkomponente für den eigentlichen Vorwärtsflug verwendet. Nachteilig bei derartigen Systemen ist der vergleichsweise geringe Kraftanteil, der für den Vorwärtsflug ausgenützt werden kann und die damit verbundene geringe Vorwärtsgeschwindigkeit bzw. geringe Effizienz.
Aus der KR 20120060590 (Jung Seul) ist eine Konfiguration bekannt, bei der die Propellereinheiten um 90° gegenüber der Vertikalachse des Fluggerätes geschwenkt werden können, damit das Fluggerät in eine definierte Richtung auf dem Boden mittels der frei drehenden Räder des Fahrwerkes geschoben werden kann. Im Flugzustand wird gemäß dieser Beschreibung der Vertikalauftrieb in bekannter weise über die Propellereinheiten erzeugt. Aus der CN 103359283 (Xian Bin) ist eine Konfiguration bekannt, bei der das Fluggerät mit drei Propellereinheiten ausgeführt ist, die zusätzlich geschwenkt werden können.
Aus der DE 202013008284 (Börner Siegfried) ist eine Konfiguration mit vier Rotoren bekannt, wobei drei kleinere Rotore in einer unteren Ebene und ein größerer rotor in einer darüber befindlichen Ebene angeordnet sind. Mittels zusätzlicher Strömungsleiteinrichtungen unterhalb der kleineren Rotore bzw. über eine Schwenkbewegung der kleineren Rotore kann das Fluggerät zusätlich in eine definierte Flugrichtung gesteuert werden.
Aus der ES 2326201 (Porras Vila) ist eine Quadrocopter Konfiguration bekannt, die vier starr angeordnete Propellereinheiten zeigt und vier schwenkbare Strömungsleiteinrichtungen unterhalb der Propellereinheiten, damit die Luftströmung des Propellers in nach vorwärts bzw. nach rückwärts gesteuert werden kann. Die Strömungsleiteinrichtungen sind jedoch nicht als Tragflächen geeignet.
Aus der US 5,000,398 (Rashev Michael S.) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, bei der mit starr angeordneten Rotoreinheiten der Vertikalauftrieb erzeugt wird und mit zusätzlichen Triebwerken ein Vorwärtsschub erzeugt werden kann. Der Rumpf des Fluggerätes ist für die Aufnahme einer größeren Last (z. ein Fluggerät) vorgesehen und Tragflügel im eigentlichen Sinne fehlen.
Aus der US 5,419,514 (Ducan Tery A.) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die mit einem Fluggeräterumpf mit vier Tragflügeln ausgeführt ist, an deren Enden jeweils ein schwenkbar ausgeführter Mantelpropeller (ducted fan) angeordnet ist. Die Tragflügel sind mit dem Fluggeräterumpf starr verbunden.
Aus der EP 2 690 012 (Fink Axel) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die mit einem Fluggeräterumpf, an dem ein Hauptrotor annähernd im Massenschwerpunkt vorgesehen ist und mit vier Tragflügeln ausgeführt ist, an deren vorderen beiden Enden jeweils ein schwenkbar ausgeführter Mantelpropeller (ducted fan) angeordnet ist. Die Tragflügel sind mit dem Fluggeräterumpf starr verbunden.
Aus der EP 2 690 011 (Fink Axel) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die mit einem Fluggeräterumpf, an dem ein Hauptrotor annähernd im Massenschwerpunkt vorgesehen ist und mit vier Tragflügeln ausgeführt ist, an deren vorderen größeren Tragflächen jeweils ein Propeller starr in Flugrichtung angeordnet ist. Die Tragflügel sind mit dem Fluggeräterumpf starr verbunden.
Aus der EP 2 690 010 (Fink Axel) ist eine ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die mit einem Fluggeräterumpf, an dem ein Hauptrotor annähernd im Massenschwerpunkt vorgesehen ist und mit zwei Tragflügeln, die über einen Doppelrumpf verbunden sind, ausgeführt ist, an deren hinteren Tragflächen jeweils ein Schub-Propeller starr angeordnet ist. Die Tragflügel sind mit dem Fluggeräterumpf starr verbunden.
Aus der EP 2 666 718 (Eglin Paul) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die mit einem Fluggeräterumpf, an dem ein Hauptrotor, ausgeführt als Koaxialrotor, annähernd im Massenschwerpunkt vorgesehen ist und mit vier Tragflügeln ausgeführt ist, an deren vorderen größeren Tragflächen jeweils ein Propeller starr in Flugrichtung angeordnet ist. Die Tragflügel sind mit dem Fluggeräterumpf starr verbunden.
Aus der RU 2502641 (Durov Dmitrij Sergeevich) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die aus zwei parallel angeordneten Fluggeräterümpfen, an denen drei Rotore angeordnet sind und mit Tragflügeln ausgeführt sind, an deren hinteren Tragflächen Manteltriebwerke starr angeordnet sind und en Vorwärtsschub erzeugen. Die Tragflügel sind mit dem Fluggeräterumpf starr verbunden.
Aus der KR 20130126756 (Kroo Ilan) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die mit einem Fluggeräterumpf, an dem seitlich mehrere in Reihe angeordnete Vertikalpropeller angeordnet sind und mit vier Tragflügeln ausgeführt ist, an deren hinteren beiden Tragflächen jeweils ein Propeller starr angeordnet ist. Die Tragflügel sind mit dem Fluggeräterumpf starr verbunden.
Aus der CN 103318410 (Wang Jin) ist eine Nurfiügeikonstruktion bekannt, die mti zwei schwenkbaren Propellern ausgeführt ist und ein vertikales Starten und Landen sowie einen Vorwärtsflug ausführen kann.
Aus der US 20130327879 (Scott Mark W.) ist eine ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die als Helikopter mit einem Hauptrotor und mit einem Heckrotor, der um seine Drehachse geschwenkt werden kann, ausgeführt ist. Der schwenkbare Heckrotor stabilisiert das Fluggerät im Schwebezustand und kann zusätzlich einen Horizontalschub in Flugrichtung erzeugen.
Aus der RU 2500578 (Nikolaevich Pavlov Sergej) ist eine ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die mit einem Fluggeräterumpf, an dem ein Hauptrotor annähernd im Massenschwerpunkt vorgesehen ist, mit zwei im vorderen Bereich seitlich zum Fluggeräterumpf parallel zur Flugrichtung angeordneten Propellereinheiten für den Vorwärtschub und mit zwei schwenkbaren Tragflügeln im hinteren Bereich ausgeführt ist.
Aus der WO 2003/029075 (Milde Karl F. Jr.) sind mehrere Fluggerätekonfigurationen bekannt, wo an einem Fluggeräterumpf starre Tragflügel angeordnet sind und mit den Tragflächen bzw. in die Tragflächen mehrere Mantelpropeller (ducted fan) verbunden bzw. integriert sind, die zusätzlich mit Strömungsleiteinrichtungen ausgeführt sind .
Aus der DE 1481620 (Lariviere Jan Soulez) ist ein Fluggerät bekannt, bei dem an dem Fluggeräterumpf zwei starre Tragflügel angeordnet sind, an deren Enden je ein schwenkbarer Mantelpropeller angeordnet ist, das ein senkrechtes Starten und Landen sowie einen Vorwärtsflug erlaubt, jedoch keinen stabilen Übergang vom Schwebezustand in den Vorwärtsflug.
Aus der US 8,016,226 (Wood Victor A.) ist ein Fluggerät bekannt, das aus einem Fluggeräterumpf mit integrierten starren Tragflächen besteht, in die vier schwenkbar gelagerte Mantelpropeller integriert sind und zur Stabilisierung im Vorwärtsflug sind Querruder und Höhenruder vorgesehen. Bei dieser Konfiguration bewirken im senkrechten Steigflug die starren Tragflächen einen hohen Strömungswiderstand .
Aus der US 8,152,096 (Smith Frick A.) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die aus einem Fluggeräterumpf mit starren Tragflächen und zusätzlich am Rumpf sowie an zwei zusätzlichen Tragflächen im vorderen Teil des Fluggerätes mit schwenkbaren Mantelpropellern bestückt ist. Bei dieser Konfiguration bewirken im senkrechten Steigflug die starren Tragflächen einen hohen Strömungswiderstand und führen zur Instabilität.
Aus der US 6,892,980 (Kawai Hideharu) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, die aus einem Fluggeräterumpf, zwei seitlichen langgestreckten starren Tragflächenkonstruktionen, die vier Ecken bilden an denen jeweils ein schwenkbares Strahltriebwerk angeordnet ist. In einer zweiten Ausführungsvariante sind in der Flügelwurzel eines konventionellen Verkehrsflugzeuges mehrere nach unten gerichtete Triebwerke angeordnet. Bei dieser Konfiguration bewirken im senkrechten Steigflug die starren Tragflächen einen hohen Strömungswiderstand und führen zur Instabilität.
Aus der US 3,335,977 (Melitz Ludwig F.) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, bei dem an dem Fluggeräterumpf zwei starre Tragflügel angeordnet sind, in deren mittlerem Bereich je ein schwenkbarer Mantelpropeller angeordnet ist, das ein senkrechtes Starten und Landen sowie einen Vorwärtsflug erlaubt, jedoch keinen stabilen Übergang vom Schwebezustand in den Vorwärtsflug .
Aus der US 3,360,217 (Trotter John C.) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, bei dem an dem Fluggeräterumpf vier starre Tragflügel angeordnet sind, an deren Enden je ein schwenkbarer Mantelpropeller angeordnet ist, das ein senkrechtes Starten und Landen sowie einen Vorwärtsflug erlaubt, jedoch keinen sta- bilen Übergang vom Schwebezustand in den Vorwärtsflug . Für den Vorwärtsflug sind zusätzliche Strahltriebwerke in die hinteren Tragflächen integriert.
Aus der AT 503689 (Naderhirn Michael) ist ein Fluggerät bekannt, bestehend aus einem starren Nurflügelrumpf mit drei schwenkbar in der Tragfläche integrierten Triebwerke.
Aus der US 3,084,888 (Hertel H.) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, bei der an dem Fluggeräterumpf zwei starre Tragflügel und mehrere Triebwerke angeordnet sind, die geschwenkt werden können und ein senkrechtes Starten und Landen sowie einen Vorwärtsflug erlauben.
Aus der DE 1926568 (Nachod James Henning) ist ein ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, bei der an dem Fluggeräterumpf zwei starre Tragflügel angeordnet sind, an deren Enden sich schwenkbare Propeller befinden, und im Heckbereich des Fluggerätes Triebwerke für einen Vorwärtsschub angeordnet sind, sodass ein senkrechtes Starten und Landen sowie ein Vorwärtsflug möglich ist, jedoch keinen stabilen Übergang vom Schwebezustand in den Vorwärtsflug .
Aus der US 20130256465 (Smith Dudley E.) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, bei der an dem Fluggeräterumpf zwei starre Tragflügel angeordnet sind, an deren Enden schwenkbare Rotore angeordnet sind, die ein senkrechtes Starten und Landen sowie einen Vorwärtsflug erlauben, jedoch keinen stabilen Übergang vom Schwebezustand in den Vorwärtsflug.
Aus der WO 2005/037644 (Dzerins Peteris) ist ein ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, ausgeführt als Multicopter mit schwenkbar angeordneten Propellern, so dass ein senkrechtes Starten und Landen sowie ein Vorwärtsflug möglich ist, jedoch kein Gleitflug, da Flügeleinheiten fehlen.
Aus der DE 102011113731 (Euer Hartmut) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, bei der an dem Fluggeräterumpf zwei starre Tragflügel angeordnet sind, die schwenkbare Triebwerken tragen, und am Fluggeräterumpf im hinteren Bereich weitere schwenkbare Triebwerke vorgesehen sind, so dass ein senkrechtes Starten und Landen sowie ein Vorwärtsflug ermöglich wird und ein stabiler Übergang vom Schwebezustand in den Vorwärtsflug.
Aus der EP 2 669 195 (Euer Hartmut) ist eine Fluggerätekonfiguration bekannt, bei der an dem Fluggeräterumpf mehrere Antriebsrotore an Schwenkarmen angeordnet sind, die ein senkrechtes Starten und Landen sowie einen Vorwärtsflug erlauben, und in einer zweiten Position der Antriebsrotor am Rumpf oder der Tragfläche anliegt oder im Rumpf oder der Tragfläche aufgenommen wird und zur Stabilisierung in der Flugphase mit einem Höhen- und Seitenleitwerk ausge- führt ist. In einer weiteren Ausführungsvariante ist die Tragfläche um eine Achse quer zur Längsachse des Fluggerätes schwenkbar.
Nachteilig bei allen bekannten Fluggerätekonfigurationen ist, die mangelnde Effizienz im Vorwärtsflug und/oder das Fehlen einer vollen 360° Manövrierbarkeit um jede Raumachse und/oder der stabile Übergang vom Schwebezustand in den Vorwärtsflug .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fluggerät zu definieren, das senkrecht starten und landen, einen Schwebezustand einnehmen, sich um jede Raumachse drehen, sich in jede Richtung in der Luft bewegen und im Vorwärtsflug eine höhere Fluggeschwindigkeit bei höherer Effizienz als bekannte Helikopter und Quadro-/Multicopter erreichen kann. Beim Start und bei der Landung sollte das Fluggerät möglichst kompakt sein. Für den Fall des Ausfalls der Propellereinheiten infolge eines Bauteilversagens oder eines Treibstoffmangels soll das Fluggerät eine sichere Landung ermöglichen durch Autorotationsfähigkeit.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Tragflächen zumindest teilweise gegenüber dem Fluggeräterumpf und unabhängig von den Propellereinheiten verschwenkbar sind .
Da mehrere Propellereinheiten relativ zu einem starren Fluggeräterumpf schwenkbar angeordnet sind und der individuell erzeugte Schubvektor in jede beliebige Richtung gelenkt werden kann, ist im Vorwärtsflug die Richtung des Schubvektors annähernd parallel zur Flugrichtung ausgerichtet. Mit zusätzlich vorgesehenen Tragflügeln am Rumpf wird im Vorwärtsflug der erforderliche Auftrieb erzeugt und eine höhere Effizienz im Vorwärtsflug gegenüber bekannten Helikopter und Quadro-/Multicopter erreicht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind die Tragflügel um eine Drehachse schwenkbar, so dass im vertikalen Steigflug (vertikales Starten) bzw. beim Landemanöver eine höhere Effizienz und Präzision erreicht werden können.
Die Anzahl der Propellereinheiten beträgt drei bis zehn, sodass eine stabile Fluglage beim vertikalen Starten und vertikalen Landen, im Schwebezustand und im Übergangsbereich vom Schwebezustand in den Vorwärtsflug bzw. vom Vorwärtsflug in den Schwebezustand möglich ist, im Unterschied zu alternativen Fluggeräten mit nur zwei Propellereinheiten, bei denen die Stabilität erst in der Fluglage oberhalb einer kritischen Fluggeschwindigkeit ermöglichst wird .
Des Weiteren ist mit höherer Anzahl an Propellereinheiten der Ausfall eines einzelnen Propellers besser zu verkraften. Vorzugsweise sind die Propellereinheiten innerhalb von Tragflächen vorgesehen. Die Anordnung der Propellereinheit innerhalb von Tragflächen erlaubt eine gezielte Beeinflussung der Aerodynamik des Fluggerätes.
Die alternativ vorgesehene Anordnung der Propellereinheiten innerhalb der Flug- gerätegesamtstruktur bzw. innerhalb der Tragflächen erlaubt eine moderate Kollision mit Hindernissen ohne Beschädigungsgefahr für das Fluggerät (z. B. Berühren von Felswänden, Andocken an vertikale Wände, Flug durch kleine Öffnungen in Gebäuden wie z. B. Fenster, ...)
Die Anordnung der Propellereinheiten innerhalb eines Schutzrahmens erhöht die Sicherheit des Fluggerätes bei moderater Kollision mit Hindernissen, ermöglicht aber auch das Berühren des Fluggerätes im Betrieb ohne Verletzungsgefahr für Personen.
In der bevorzugten Ausführungsvariante sind die Propellereinheiten relativ zum Fluggeräterumpf um einen Schwenkwinkel, der Ausgehend von einer Mittelstellung etwa 90° in beide Richtungen beträgt, angeordnet. Damit ist zusätzlich zum Vertikalen Starten und Landen und im Vorwärtsflug eine Schubumkehr möglich, die einerseits die Agilität enorm verbessert aber auch ein Ansaugen auf einem festen Untergrund möglich .
Die Propellereinheiten sind relativ zum Fluggeräterumpf um eine Schwenkachse schwenkbar, die parallel zur Querachse des Fluggeräts angeordnet ist, und zwar unabhängig für jede einzelne Propellereinheit, sodass extremste Flugmanöver und ein Wenden mit geringsten Wendekreisen ermöglicht werden .
Eine Unterstützung der Agilität und Wendigkeit des Fluggerätes wird dadurch erreicht, dass die Propellereinheiten relativ zum Fluggeräterumpf kardanisch aufgehängt sind .
Eine Erhöhung der Ausfallsicherheit und eine Reduzierung der Komplexität des Fluggerätes werden dadurch möglich, dass die Propellereinheiten elektrisch angetrieben sind und einzeln angesteuert werden können.
Eine vereinfachte Leistungsübertragung auf die einzelnen Propellereinheiten wird durch elektrische Energieversorgung möglich. Aufgrund der begrenzten Kapazitäten und der hohen Gewichte heute üblicher elektrischer Speicher (Batterien) ist eine hybride Energieversorgung, bestehend aus Brennstoffzellen oder Verbrennungsmaschine und Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, in einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen. Reichweiten und Einsatzdauern von sowohl bemannten als auch unbemannten Fluggeräten sind von enormer Bedeutung, weshalb auch Solarzellen zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen sind .
Reichweiten und Einsatzdauern mit autonomer Energieversorgung an Bord sind mittels Propellereinheiten, die durch mindestens eine Brennkraftmaschine angetrieben sind, vorteilhaft möglich.
Die erhöhte Agilität des Fluggerätes einerseits als auch die hohe Effizienz im Vorwärtsflug ist dadurch möglich, dass die Tragflächen um eine Achse schwenkbar in Bezug auf den Fluggeräterumpf sind, die parallel oder in einem spitzen Winkel zur Querachse des Fluggeräts angeordnet ist und im ökonomischen Vorwärtsflug die Anstellung des Tragflügels mit einem Anstellwinkel erfolgt, der einen minimalsten Strömungswinderstand bei optimalem Auftrieb erlaubt.
Ein Starten und Landen auf engstem Raum sowie eine besonders kleine Radarsignatur ist dadurch vorgesehen, dass die Tragflächen einklappbar angeordnet sind .
Das Erreichen höherer Flughöhen als mit bekannten Heli-/Quadro-/Multikoptern ist dadurch möglich, dass die Tragflächen in eine schraubenförmig verschwenkte Stellung bringbar sind, in der bei einer Drehung des Fluggeräts um seine Hochachse bzw. um eine Achse parallel zur Hochachse, jedoch außerhalb des Fluggerätes, vertikaler Auftrieb für einen Steigflug mit geringem Energieeinsatz erzeugt wird (Ähnlich einem sich in die Lüfte "schraubenden" Adlers).
In der Folge wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 5 näher beschrieben :
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fluggerät, bestehend aus einem Fluggeräterumpf 1, einem nicht zwingend erforderlichen äußeren Schutz-Rahmen 2, mehrere, vorzugsweise 4 Propellereinheiten 3, für jede Propellereinheit 3 eine Schwenkeinrichtung 4, die durch die Stellung der Propellereinheiten definierbare Flugrichtung 6 und die möglichen Drehbewegungen des Fluggerätes um die Hochachse 7, Querachse 8 und Längsachse 9.
Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät, mit der Schwenkeinheit 4 und der Schwenkbewegung 4' der Propellereinheit 3, wobei der Schwenkwinkel mehr als +/- 180 ° betragen kann.
Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät in einer Ansicht von oben in einer Ausführungsvariante mit Tragflächen 5, die starr oder entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante entlang einer Schwenkachse 5' um einen Schwenkwinkel 5" vorzugsweise im Bereich +/- 90° geschwenkt werden können. Das Fluggerät befindet sich in der Flugrichtung 6 im Vorwärtsflug und die Propellereinheiten 3 sind in die Flugrichtung ausgerichtet.
Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät gemäß Fig . 3 in der Seitenansicht. Die Tragflächen 5 sind zur optimalen Auftriebserzeugung um den Anstellwinkel 5" gegen die Flugrichtung angestellt.
Fig. 5 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät im optimalen Vorwärtsflug mit angestellten Tragflächen 5, die an dem Fluggeräterumpf 1 angeordnet sind. Die Propellereinheiten 3 und die Schwenkeinrichtung 4 können durch einen Schutz- Rahmen 2 geschützt sein. Der Fluggeräterumpf 1 und der Schutz-Rahmen 2 können eine aerodynamische Form aufweisen.
Fig. 6 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät mit seitlich eingeklappten Tragflächen für eine besonders kleine Außenabmessung, wie dies z. B. für ein Landemanöver auf kleinstem Raum erforderlich sein kann.
Fig. 7 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät mit gegensinnig angestellten Tragflächen, so dass das Fluggerät um die Hochachse in eine Rotation versetzt werden kann, um ähnlich einem Tragschrauber in die Höhe verbracht oder bei einem Ausfall der Propellereinheiten in vertikaler Richtung im freien Fall nach unten 6 gleichzeitig in Rotation um die Hochachse versetzt werden kann und einen Aufprall durch rechtzeitige Gegensteuerung der Tragflächenneigung unter Ausnutzung der Rotationsenergie abfangen kann.
Fig. 8 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät in einer weiteren Ausführungsvariante, bei der einzelne Propellereinheiten 3 direkt auf der Tragfläche angeordnet sind mit eingeklappter Tragfläche für einen stabilen Stand am Boden z. B. bei einem Startvorgang oder bei einer sicheren Landung auf kleinem Raum.
Fig. 9 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät in der weiteren Ausführungsvariante gemäß Fig. 8, bei der einzelne Propellereinheiten 3 direkt auf der Tragfläche angeordnet sind und die Tragflächen nach dem Startvorgang auseinandergeklappt worden sind.
Fig. 10 zeigt das erfindungsgemäße Fluggerät in der weiteren Ausführungsvariante gemäß Fig. 8, bei der einzelne Propellereinheiten 3 direkt auf der Tragfläche angeordnet sind und die Tragflächen nach dem Startvorgang auseinandergeklappt worden sind im Vorwärtsflug, wobei sich das Fluggerät in dieser Flugphase ähnlich einem klassischen Flächenflugzeug (z. B. Motorsegler) mit geringem Strömungswiderstand verhält. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist auch, dass das Fluggerät frei von Leitwerken oder Stabilisationsflächen ausgeführt werden kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Fluggerät mit einem Fluggeräterumpf (1) und mehreren Propellereinheiten (3), die schwenkbar in Bezug auf den Fluggeräterumpf (1) angeordnet sind und mit Tragflächen (5), die zumindest teilweise gegenüber dem Fluggeräterumpf (1) und unabhängig von den Propellereinheiten (3) verschwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellereinheiten (3) innerhalb von Tragflächen (5) oder innerhalb des Fluggeräterumpfs (1) vorgesehen sind .
2. Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei bis zehn Propellereinheiten (3) vorgesehen sind .
3. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellereinheiten (3) jeweils einen Schutzrahmen aufweisen.
4. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellereinheiten (3) relativ zum Fluggeräterumpf (1) um einen Schwenkwinkel schwenkbar sind, der ausgehend von einer Mittelstellung etwa 90° in beide Richtungen beträgt.
5. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellereinheiten (3) relativ zum Fluggeräterumpf (1) um eine Schwenkachse schwenkbar sind, die parallel zur Querachse des Fluggeräts angeordnet ist.
6. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellereinheiten (3) relativ zum Fluggeräterumpf ( 1) kardanisch aufgehängt sind.
7. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellereinheiten (3) elektrisch angetrieben sind, und dass vorzugsweise Solarzellen zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen sind .
8. Fluggerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine hybride Energieversorgung, bestehend aus Brennstoffzellen oder Verbrennungsmaschine und Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, vorgesehen ist.
9. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellereinheiten (3) durch mindestens eine Brennkraftmaschine angetrieben sind.
10. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflächen (5) um eine Achse schwenkbar in Bezug auf den Fluggeräterumpf (1) sind, die parallel oder in einem spitzen Winkel zur Querachse des Fluggeräts angeordnet ist.
11. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflächen (5) einklappbar angeordnet sind.
12. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflächen (5) in eine schraubenförmig verschwenkte Stellung verbringbar sind, in der bei einer Drehung des Fluggeräts um seine Hochachse Auftrieb erzeugt wird .
13. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall einzelner Antriebseinheiten das Fluggerät durch gegenseitiges Verschwenken der Tragflächen (5) und vertikales Absinken des Fluggerätes in eine Autorotation versetzt wird und ein Aufprall auf dem Boden abgemildert werden kann, indem die Tragflächen rechtzeitig entgegen der ersten Verschwenkung angestellt werden und durch die Rotationsenergie ein Auftrieb erzeugt werden kann.
14. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Tragfläche (5) Propellereinheiten (3) starr oder beweglich angeordnet sein können.
15. Fluggerät nach Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät mittels der Tragfläche (5) auf dem Boden einen stabilen Stand einnehmen kann.
16. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät mit eingeklappten Tragflächen vertikal starten und im Schwebezustand die Tragflächen (5) ausklappen kann, wobei das Fluggerät vorzugsweise aus dem Schwebezustand in einen stabilen Vorwärtsflug übergehen kann und eine hohe Fluggeschwindigkeit bei minimalstem Strömungswiderstand einnehmen kann.
2015 02 17
Ba
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