WO2017021391A1 - Vtol aircraft having a movable mass for control - Google Patents

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WO2017021391A1
WO2017021391A1 PCT/EP2016/068386 EP2016068386W WO2017021391A1 WO 2017021391 A1 WO2017021391 A1 WO 2017021391A1 EP 2016068386 W EP2016068386 W EP 2016068386W WO 2017021391 A1 WO2017021391 A1 WO 2017021391A1
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vtol vehicle
rotors
mass
vtol
displaceable
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PCT/EP2016/068386
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Christian SEIWALD
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Seiwald Christian
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    • B64CAEROPLANES; HELICOPTERS
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    • B64C29/0008Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded
    • B64C29/0016Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded the lift during taking-off being created by free or ducted propellers or by blowers
    • B64C29/0033Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft having its flight directional axis horizontal when grounded the lift during taking-off being created by free or ducted propellers or by blowers the propellers being tiltable relative to the fuselage
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    • B64U30/29Constructional aspects of rotors or rotor supports; Arrangements thereof
    • B64U30/296Rotors with variable spatial positions relative to the UAV body
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    • B64U40/20On-board mechanical arrangements for adjusting control surfaces or rotors; On-board mechanical arrangements for in-flight adjustment of the base configuration for in-flight adjustment of the base configuration
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    • B64U50/14Propulsion using external fans or propellers ducted or shrouded
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot

Definitions

  • VTOL aircraft with movable mass for control
  • the invention relates to a VTOL aircraft with a movable mass according to the preamble of claim 1 and to a method for operating a VTOL aircraft according to claim 17.
  • a comparable VTOL aircraft is known from the document EP 2 551 190 AI. This VTOL aircraft requires rotors with cyclic rotor blade adjustment to counteract unwanted pitch pulses.
  • the document WO 2015/022711 Al discloses a VTOL vehicle with pivotable rotors and a displaceable mass with which the center of mass of the VTOL vehicle can be displaced. Furthermore, it is disclosed that the displaceable mass is positioned during the vertical lifting so that the center of gravity is on the thrust axis of the rotors.
  • the instability during flight operations especially when changing from hover to level flight and when switching from horizontal flight to hovering, may continue to exist, as, among other things, the effect of shifting the mass in the reef may be too small.
  • the VTOL vehicle also requires lifting engines in the horizontal stabilizer.
  • the invention has for its object to provide a VTOL aircraft and a method for operating such a VTOL aircraft, in which the above disadvantages do not occur, and in which the flight characteristics are improved.
  • this object is achieved in that the displaceable mass is adapted to be relocated so that the total mass center of gravity of the VTOL vehicle is substantially at any time on a resulting thrust axis.
  • the VTOL aircraft has a movable mass on or in the fuselage that is movable during a substantially horizontal orientation of the rotors such that the overall mass center of gravity of the VTOL aircraft is substantially on the resulting thrust axis at all times ,
  • the VTOL aircraft or the flying system is thus advantageously torque-free essentially at all times.
  • this movable mass which is displaceable in an embodiment according to the invention along the longitudinal axis of the VTOL aircraft, has the advantage that the flight stability in particular during the transition, ie when changing from hover to horizontal flight or when switching from horizontal flight in the hover, and the hover itself, compared to the prior art is improved. Additional lifting engines in the horizontal stabilizer, for example, are not necessary in the VTOL aircraft according to the invention.
  • the optional embodiment as a high-wing aircraft advantageously makes the VTOL aircraft according to the invention inherently stable. Furthermore, the VTOL aircraft according to the invention can be designed as a Canard aircraft.
  • An embodiment of the VTOL aircraft according to the invention provides a fuselage, at least two driven rotors, bearing surfaces on which the rotors are arranged, and a movable mass.
  • the system is designed to make all rotating parts as light as possible in order to reduce the resulting moments of inertia.
  • the rotors are pivotable by actuators.
  • the rotors are pivotable at least at a 120 degree angle, wherein the rotors, and thus the rotor blades, during the hover flight horizontally, substantially parallel to the earth's surface or to the VTOL aircraft longitudinal axis, and during the horizontal flight are arranged vertically, at a substantially 90-degree angle to the ground surface or to the VTOL aircraft longitudinal axis.
  • the rotors, and thus the rotor blades are also pivotable at a 180-degree angle or a 360-degree angle, and may be inclined against the direction of flight.
  • In preferred embodiments are in the wings recesses in which the rotors are mounted. This offers the advantage that the emergence of a vortex ring, which is often encountered in hovering in VTOL aircraft, which is very detrimental to flight stability, is prevented.
  • each rotor is mounted on a rotatable about a rotational axis arranged front rudder segment. If each wing additionally has at least one rear rudder segment, the rear rudder segment and the front rudder segment in horizontal flight form a common aerodynamically favorable body during the substantially horizontal movement of the VTOL vehicle. As a result, a common wing segment or a wing of highest aerodynamic quality is formed.
  • the displaceable mass comprises a part of the fuselage that can be displaced relative to the wings or the entire fuselage.
  • the entire fuselage or parts thereof can be displaced relative to the wings, so as to achieve the described dynamic mass displacement and to achieve that the overall mass center of gravity of the VTOL aircraft lies on the resulting thrust axis at substantially all times.
  • This embodiment may be advantageous in that a larger displaceable mass is necessary to allow good controllability in all flight attitudes.
  • both wings in this case can be displaced synchronously as well as each wing individually relative to the fuselage.
  • the displaceable mass can be displaced relative to one of the wings.
  • the hull is displaced relative to only one wing, so each additional wing is mitverlagert to the same extent with the fuselage, or it is a wing shifted relative to the fuselage.
  • the displaceable mass comprises a relative to the wings displaceable energy storage. As a result, a potentially existing energy store is advantageously used as the displaceable mass.
  • the wings are laminar and particularly streamlined. This serves to optimize the high-speed flight characteristics, since the laminar profile of the wings can have a high surface load in horizontal flight.
  • the movable mass is connected in an embodiment according to the invention via a linear guide or a shaft with the structure.
  • An actuator mechanically connected by a rigid, fixed connection to the structure of the aircraft, drives the movable mass via a mechanical / electric drive train.
  • the movable mass is preferably a part of the airframe or hull or payload (e.g., energy storage used, for example, to drive the rotors and / or the actuator).
  • a digital control system for the rotors and the movable mass allows the tuning of the position of the movable mass to the current angles of incidence of the rotors.
  • the digital control system allows any number of transition positions of the rotors during transition to be set between the substantially horizontal and substantially vertical positions, and to position the movable mass such that the overall mass center of gravity of the VTOL aircraft during the substantially horizontal position of the rotors and during the transition from the substantially horizontal to the substantially vertical position of the rotors lies substantially at any time on the resulting thrust axis.
  • the movable mass is movable along the longitudinal axis of the VTOL aircraft.
  • the VTOL aircraft has inertial sensors, a GPS receiver, acceleration sensors, and a 3-axis gyroscope. This makes it possible to collect data in real time and to forward this data, for example, to the digital control system.
  • a method for stabilizing the flight characteristics of a VTOL aircraft with at least two rotatable rotors can be carried out, wherein the rotors, and thus the rotor blades, in a first step are arranged in a substantially horizontal position, wherein the rotors each rotate about an axis parallel to the vertical axis of the VTOL aircraft and the VTOL aircraft is thereby moved in hover, and wherein the rotors, and thus the rotor blades, in a next step in a second substantially vertical position, the rotors each rotating about an axis parallel to the longitudinal axis of the VTOL aircraft and thereby moving the VTOL aircraft in horizontal flight, wherein during the substantially horizontal position of the rotors one, in or on the fuselage of VTOL aircraft mounted movable mass is moved such that the total mass center of gravity of the VTOL aircraft is substantially at any time on the resulting thrust axis.
  • a method is performed wherein the rotors are placed in a transient position, wherein the rotors, and thus the rotor blades, are 45 degrees forward in flight direction as compared to their substantially horizontal forward or forward position be tilted rearward, and wherein the movable mass is moved so that the total mass center of gravity of the VTOL aircraft is substantially at any time on the resulting thrust axis.
  • VTOL aircraft In preferred embodiments of the VTOL aircraft according to the invention, a method is carried out in which hover, transition position and horizontal flight are taken in succession.
  • a method is carried out in which the rotors, and thus the rotor blades, are pivoted continuously between taking their substantially horizontal position and their substantially vertical position and thereby, in addition to horizontal position, vertical position and Transition position, as many transition states can take, and wherein the rotors from its substantially horizontal position starting to pivot to its substantially vertical position, and vice versa, and wherein the movable mass is moved so that the total mass center of gravity of the VTOL aircraft substantially to each Time is on the resulting thrust axis.
  • FIG. 1A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in hover flight according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 1B shows a perspective view of a VTOL aircraft in hover according to the first embodiment of the invention.
  • Figure 2A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in transition according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 2B shows a perspective view of a VTOL aircraft in transition according to the first exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 3A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in horizontal flight according to the first exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 3B shows a perspective view of a VTOL aircraft in horizontal flight according to the first embodiment of the invention.
  • Figure 4A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in hover according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 4B shows a perspective view of a VTOL aircraft in hover according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 5A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in transition according to the second exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 5B shows a perspective view of a VTOL aircraft in transition according to the second exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 6A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in horizontal flight according to the second embodiment of the invention.
  • Figure 6B shows a perspective view of a VTOL aircraft in horizontal flight according to the second embodiment of the invention.
  • Figure 7A shows a cross-sectional side view of a wing of the VTOL aircraft.
  • Figure 7B shows a perspective view of the wing of the VTOL aircraft.
  • Figure 8 shows a schematic drawing of a functional arrangement of the control system with individual components.
  • FIG. 1A and Figure 1B show a VTOL aircraft 1 in hover according to a first embodiment of the invention.
  • Two rotors 3, and thus the rotor blades, are in their substantially horizontal position.
  • Each rotor 3 is arranged in a recess 4 of the support surface 2, wherein each rotor 3 is attached via a motor pylon of a motor 14 to a front rudder segment 38 rotatably arranged about a rotation axis 37.
  • the motor 14 drives the rotor 3, and the rotor 3 rotates about a thrust axis 13 according to a direction of rotation 40.
  • a center of mass 12 of the movable mass 9 and a total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 are also located on the resulting thrust axis 33, which coincides with a vertical axis 28 in Figure 1A and Figure 1B.
  • the resulting thrust axis 33 lies in a plane which is spanned by the two thrust vectors of the rotors 3, which respectively lie on the thrust axis 13 of the rotors 3. If the magnitude of the two thrust vectors of the rotors 3 is the same, the resulting thrust axis 33 is in the plane of symmetry of the VTOL aircraft 1.
  • the symmetry plane is in the symmetrically constructed VTOL aircraft 1 according to the first embodiment of the invention, for example, from the vertical axis 28 and Spanned longitudinal axis 11.
  • the resulting thrust axis 33 may not lie in the plane of symmetry of the VTOL aircraft 1. Likewise, unequal alignment of the two rotors 3 changes the shape of the plane in which the resulting thrust axis 33 lies, which plane can form into a curved surface in space.
  • the rotors 3, and thus the rotor blades are arranged substantially horizontally, parallel to the earth's surface or to the longitudinal axis 11 of the fuselage 7.
  • This allows a movement of the VTOL vehicle 1 along its vertical axis 28, for which purpose the speed of the rotors 3 is increased synchronously, or if necessary, a change in the orientation of the rotors 3 is made.
  • a (partial) rotation of the VTOL aircraft 1 about its vertical axis 28 is possible by opposing deflection of the rotors 3.
  • the system is in equilibrium when the total mass center of gravity 6 is on the resulting thrust axis 33 and thus no inherent moments occur.
  • lifts the presented here VTOL aircraft 1 by the total amount of thrust vectors is first increased synchronously over the amount of weight 30. In this phase, the total mass center of gravity 6 is on the resulting thrust axis 33.
  • the displaceable mass 9 Due to the displacement of the displaceable mass 9, it may happen that the displaceable mass 9 or the total mass center of gravity 6 are not located on the resulting thrust axis 33 for a short time. However, as soon as an occurring moment is compensated, the displaceable mass 9 is again shifted to the resulting thrust axis 33. In this regard, the displaceable mass 9 or the total mass center of gravity 6 of the VTOL vehicle 1 is substantially at any time on the resulting thrust axis 33 is located. The VTOL aircraft 1 or the flying system is thus advantageously torque-free essentially at any time.
  • the rotation about the longitudinal axis 11 is achieved by differentiating the thrust vectors.
  • the rotation about a vertical axis 28 takes place by differentiated deflection of the rotors 3, and thus of the thrust vectors, from their vertical position.
  • Hovering is a permanent interaction of vectors whose magnitude and direction are known in principle at any given time:
  • L is the left rotor and R is the right rotor; ⁇ denotes the rotational speed of the respective rotor; ⁇ denotes the angle of inclination of the respective rotor with respect to a plane spanned by the longitudinal and transverse axes.
  • the displaceable mass 9 has the task of preventing the rotation about the transverse axis 29, especially during the transition from hover to horizontal flight, or vice versa. Due to the displaceable mass 9, the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 is not rigid.
  • the mass displacement along the longitudinal axis 11 not only has a static effect; Also, the acceleration pulse of the movable mass 9 counteracts a disturbance, whereby the path of the movable mass 9 (depending on their ratio to the total weight) can be kept relatively low with consistent use of this acceleration pulse. In addition, the system is in a physically stable state, since permanent buoyancy is generated above the total mass center of gravity 6.
  • FIG. 2A and FIG. 2B show the VTOL aircraft 1 in transition, ie the transition from hover into horizontal flight, or from horizontal flight into hover flight.
  • the transition is usually taken only very briefly.
  • the rotors 3 are inclined 45 degrees forward relative to their substantially horizontal position, which corresponds to their transitional position.
  • the rotors 3 rotate during the transition from hover to the transition position in each case synchronously forward to a thrust axis 13 according to the direction of rotation 40th
  • the rear rudder segment 5 is inclined at the same angle as the rotor 3.
  • Each rotor 3 is arranged in a recess 4 of the support surface 2, wherein it is inclined by about 45 degrees.
  • the displaceable mass 9 is arranged, which is movable parallel to the longitudinal axis 11 of the VTOL aircraft 1.
  • the displaceable mass 9 is aligned by an actuator. The displaceable mass 9 is aligned such that the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 is as continuously as possible on the resulting thrust axis 33, and there are no static moments in the transition position or during the transition.
  • the center of gravity 12 of the movable mass 9 is not located directly on the resulting thrust axis 33, which is parallel to the thrust axes 13 of the rotors 3.
  • the attitude of the VTOL aircraft 1 is due to the arrangement of the total mass center of gravity 6 on the resulting thrust axis 33 is particularly stable.
  • the rear rudder segment 5 briefly travels through the air stream of the rotors 3, wherein the relative angle between the engine pylon of the engine 14 and the rear rudder segment 5 can be chosen so that this has the least possible influence on the accelerated by the rotors 3 air flow.
  • the rigid and very narrow wing segment arranged in the diffuse region - ie in front of the rotors 3 - has little aerodynamic influence on the air volume entering the rotor plane.
  • the rotors 3 may also be inclined 45 degrees backwards relative to their substantially horizontal position. Between the hover and horizontal flight, the rotors 3 can theoretically assume an infinite number of positions that are comparable to the transition position and differ primarily by the degree of inclination of the rotors 3 from the transition position.
  • Figure 3A and Figure 3B show the VTOL aircraft 1 in horizontal flight with the rotors 3, and thus the rotor blades, in their substantially vertical position.
  • the displaceable mass 9 is arranged below the rotors 3.
  • the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 is located below the lifting point.
  • the VTOL aircraft 1 behaves like a "conventional" aircraft during level flight, where the thrust vectors are largely synchronized and the displaceable mass 9 is positioned so that the balance of forces is as good as possible and degrees of freedom of a "fixed wing".
  • the displaceable mass 9 is positioned by the digital kinematics model in such a way that the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 lies on the resulting thrust axis 33 at substantially the same time during the hover and the transition, respectively. Due to the dynamic mass displacement of the movable mass 9 acts on the transverse axis 29, an additional balancing force. This mass displacement is both center of gravity specific and pulse controlled. Preferably, all Changes in the position of acceleration sensors, inertial sensors and gyroscopes are determined in real time.
  • FIGS. 4A to 6B show a VTOL aircraft 10 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the VTOL aircraft 10 according to the second embodiment is identical to the VTOL aircraft 1 according to the first embodiment of the invention, with similar or like elements being described by the same reference numerals and will not be explained further here.
  • An essential difference between the two exemplary embodiments is that in this second exemplary embodiment, the entire hull 7 forms the mass 9 that can be displaced relative to the wings 2.
  • the center of gravity 12 of the displaceable mass 9 and the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 10 are located on the resulting thrust axis 33, which coincides with the vertical axis 28 in FIGS. 4A and 4B.
  • the displacement of the fuselage 7, which is illustrated by the possible positions 35 of the fuselage 7, can be carried out depending on the regulation so that the system remains torque-free during the hover, the transition and the horizontal flight.
  • the center of gravity 12 is displaced within the degrees of freedom 34.
  • the system or the VTOL aircraft 10 remains fully controllable during the entire (reversible) cycle, ie during the transition from hover to horizontal flight and vice versa.
  • the hull 7 In hovering, the hull 7 is displaced with great precision parallel to the longitudinal axis 11 in order to compensate for undesired deflections about the pitch axis.
  • the fuselage 7 or the total mass center of gravity 6 does not lie on the resulting thrust axis 33 for a short time. However, as soon as an occurring moment is compensated, the hull 7 is shifted back to the resulting thrust axis 33. In this regard, the fuselage 7 or the total mass center of gravity 6 of the VTOL vehicle 10 lies substantially at any time on the resulting thrust axis 33.
  • the VTOL aircraft 10 or the flight system is thus advantageously free of torque essentially at any time.
  • the hull 7 and its center of mass 12 migrate with the resulting thrust axis 33 with, until the elevator force 31 is adjusted by the increasing horizontal speed. From this point on, the hull 7 then moves forward again, ie in the direction of flight, until it produces an ideal center of gravity for horizontal flight.
  • the aft rudder segments 5 and forward rudder segments 38 which receive the engine pylon and motor 14, respectively, align at a nip plane 39 thereby forming a high aerodynamic grade gapless wing segment.
  • the rear rudder segments 5 are rotatable about an axis of rotation 36 and the front rudder segments 38 about the axis of rotation 37.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate this situation in detail.
  • the dynamic displacement of the center of mass 12 can be used to increase the efficiency, so that rudder forces are minimized.
  • the displaceable mass 9 can be displaced only relative to one of the wings 2, wherein, for example, the other of the wings 2 is mitverlagert to the hull 7 to the same extent.
  • the fuselage 7 can form the mass 9 which can be displaced relative to the wings 2.
  • FIG. 8 shows in a schematic drawing an arrangement for controlling a VTOL vehicle 1 or 10 according to the invention.
  • the displaceable mass 9 is connected to a control system 18, preferably a digital kinematics model.
  • the control system 18 is also connected to an ultrasonic proximity sensor 17, a 3-axis gyroscope 22, a GPS receiver 23, an electronic compass 24, an air pressure sensor 25, a dynamic pressure sensor 27, and acceleration sensors. This is called an AHRS (Attitude / Heading References System).
  • the control system 18 is connected to the rotors 3, aileron servos 19 and transverse axis servos 20.
  • the control system 18 communicates with the motors 14, which drive the rotors 3 and serve the deflection of the rotors 3. In addition, the control system 18 controls via the servos 26 the height position and the lateral deflection of the VTOL vehicle 1 or 10. The displaceable mass 9 is steered via a servo 16 for actuating the movable mass 9. The control system 18 is connected via connections 21 to the listed components.
  • Inertia tensors of the rotors 3 counteract tilting in the direction of horizontal attitude, which in principle has a negative pitching moment result. This effect is compensated by a corresponding positioning of the movable mass 9.
  • the system is designed to make all rotating parts as light as possible are to reduce the moments of inertia and to slow down the sequence of tipping (change from hover to horizontal flight or vice versa). This is in contrast to the ability to quickly respond to disturbing forces from each synchronous rotor position, as compensate for the same rotation of the rotor planes their moments of inertia. The remaining portion is adjusted by the actuation of the mass.
  • the dynamic pressure, the system can independently determine which force acts on aerodynamically acting surfaces on the VTOL vehicle 1 or 10 depending on the speed to the ambient air, and thus the total mass center of gravity 6 of the VTOL vehicle 1 or 10 on the adjust the respective attitude (horizontal or hover).
  • the wings 2 for control in horizontal flight conventional rudder surfaces (ailerons, elevator, rudder) on.
  • the rudder surfaces can be moved and controlled independently of the inclination of the wings 2.
  • a VTOL vehicle 1 or 10 according to the invention is designed as a high-decker in order to utilize the physically stable state and the pulse direction during the displacement of the fuselage 7.
  • the VTOL vehicle 1 or 10 according to the invention can be executed as a Canard aircraft.
  • the aircraft 1 or 10 may have at least two or more coaxially or transversely arranged rotors 3.
  • the aircraft 1 or 10 may have four coaxially arranged rotors 3, two each per wing 2. As a result, the reliability of the aircraft 1 or 10 is increased.
  • the rotors 3 of the VTOL vehicle 1 or 10 are operated purely electrically in preferred embodiments or are based on serial or parallel hybrid operating trains.
  • the rotors 3 are driven by internal combustion engines.
  • the propeller blade position of the rotors 3 and / or the speed of the motors 14 are adjustable.
  • the angle of attack of the motors 14 is adjustable.
  • the pan and tilt of the rotors 3 are based on digital / BL servos.
  • the rotors 3 can be designed with or without fanductuct / impeller sheath.
  • the rotors 3 are at, on or under the Attached wings 2, wherein the rotors 3 in these embodiments are not in recesses 4 of the wings 3 can be arranged.
  • the rotors 3 are attached to the ends of the wings 2.
  • the rotors 3 are arranged on the hull 7.
  • the rotors 3 are surrounded by a ring structure, wherein the rotors 3 form the wings 2 together with the ring.

Abstract

The invention relates to a VTOL aircraft (1, 10) having a displaceable mass (9) attached to or fitted in the fuselage (7), and at least two pivotable rotors (3). The rotors (3) are arrangeable in a substantially horizontal position and are in this case each rotatable about a thrust axis (13) parallel to a vertical axis (28) of the VTOL aircraft (1, 10), such that the VTOL aircraft (1, 10) is able to move in hovering flight. The rotors (3) are arrangeable in a substantially vertical position and are in this case each rotatable about their thrust axis (13) parallel to a longitudinal axis (11) of the VTOL aircraft (1, 10), such that the VTOL aircraft (1, 10) is able to move in horizontal flight. The displaceable mass (9) is displaceable such that the overall centre of mass (6) of the VTOL aircraft (1, 10) is located on the resulting thrust axis (33) substantially at any time.

Description

VTOL-Luftfahrzeug mit bewegbarer Masse zur Steuerung  VTOL aircraft with movable mass for control
Die Erfindung bezieht sich auf ein VTOL-Luftfahrzeug mit bewegbarer Masse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zum Betrieb eines VTOL-Luftfahrzeugs gemäß Anspruch 17. The invention relates to a VTOL aircraft with a movable mass according to the preamble of claim 1 and to a method for operating a VTOL aircraft according to claim 17.
Gegenwärtige Drehflügel-Luftfahrzeuge, insbesondere VTOL-Luftfahrzeuge (VTOL: „Vertikal Take-Off and Landing") wie zum Beispiel Dualcopter oder Bicopter, neigen während des Flugbetriebs zur Instabilität. Schwierigkeiten bereitet die Flugstabilität von zweimotorigen VTOL-Luftfahrzeugen mit zwei Rotoren nach dem Stand der Technik, weil die Fluglagenregelung um alle drei Achsen (Sechs Freiheitsgrade) von nur vier Regelgrößen (Propellerblattstellung der beiden Rotoren sowie Drehzahl der beiden Motoren) kompensiert werden muss. Bei derartigen VTOL-Luftfahrzeugen führt das Zusammenspiel der Trägheitstensoren der Rotoren mit dem Massenträgheitsmoment der unbewegten Teile, beispielsweise dem Rumpf, bei zu schnell vollzogener Kippbewegung der Rotoren aus ihrer Drehebene zu einem gegengleichen Nickmoment. Dies bringt die Gefahr von sich aufschaukelnden Oszillationen mit sich. Daher gilt diese Konfiguration bei VTOL- Luftfahrzeugen bisher als sehr instabil im Schwebeflug, sowie beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug, und umgekehrt. Current rotary wing aircraft, particularly VTOL (Vertical Take-Off and Landing) aircraft, such as dual-copters or bopters, tend to be unstable during flight operations, and the flight stability of twin-rotor VTOL aircraft with two rotors is difficult to maintain The technique, because the attitude control around all three axes (six degrees of freedom) of only four control variables (propeller blade position of the two rotors and speed of the two motors) must be compensated .In such VTOL aircraft, the interaction of the inertial torsion of the rotors with the moment of inertia of the stationary Parts of the fuselage, for example, when the rotors are tilted too fast from their plane of rotation, produce a pitching moment that runs counter to the danger of oscillating oscillations, which is why VTOL aircraft are very unstable in hover, as well as in W from hibernation to horizontal flight, and vice versa.
Ein vergleichbares VTOL-Luftfahrzeug ist aus dem Dokument EP 2 551 190 AI bekannt. Dieses VTOL-Luftfahrzeug benötigt Rotoren mit zyklischer Rotorblattverstellung um unerwünschten Nick-Impulsen entgegenzuwirken. A comparable VTOL aircraft is known from the document EP 2 551 190 AI. This VTOL aircraft requires rotors with cyclic rotor blade adjustment to counteract unwanted pitch pulses.
Das Dokument WO 2015/022711 AI offenbart ein VTOL-Fahrzeug mit schwenkbaren Rotoren und einer verlagerbaren Masse, mit der der Massenschwerpunkt des VTOL- Fahrzeugs verlagert werden kann. Weiters ist offenbart, dass die verlagerbare Masse während des vertikalen Abhebens derart positioniert wird, dass der Massenschwerpunkt auf der Schubachse der Rotoren liegt. Allerdings kann die Instabilität während des Flugbetriebs, insbesondere beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug und beim Wechsel vom Horizontalflug in den Schwebeflug, weiterhin gegeben sein, da unter anderem der Effekt der Verlagerung der Masse im Rupf zu klein sein kann. Zur vollständigen Regelung um die Querachse benötigt das VTOL-Fahrzeug zusätzlich Hubtriebwerke im Höhenleitwerk. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein VTOL-Luftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen VTOL-Luftfahrzeugs zu schaffen, bei dem die vorstehenden Nachteile nicht auftreten, und bei dem die Flugeigenschaften verbessert sind. The document WO 2015/022711 Al discloses a VTOL vehicle with pivotable rotors and a displaceable mass with which the center of mass of the VTOL vehicle can be displaced. Furthermore, it is disclosed that the displaceable mass is positioned during the vertical lifting so that the center of gravity is on the thrust axis of the rotors. However, the instability during flight operations, especially when changing from hover to level flight and when switching from horizontal flight to hovering, may continue to exist, as, among other things, the effect of shifting the mass in the reef may be too small. For complete control of the transverse axis, the VTOL vehicle also requires lifting engines in the horizontal stabilizer. The invention has for its object to provide a VTOL aircraft and a method for operating such a VTOL aircraft, in which the above disadvantages do not occur, and in which the flight characteristics are improved.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, dass die verlagerbare Masse dazu ausgebildet ist, derart verlagert zu werden, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Fahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf einer resultierenden Schubachse liegt. According to the invention this object is achieved in that the displaceable mass is adapted to be relocated so that the total mass center of gravity of the VTOL vehicle is substantially at any time on a resulting thrust axis.
Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass das VTOL-Luftfahrzeug am oder im Rumpf eine bewegbare Masse aufweist, die während einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung der Rotoren derart bewegbar ist, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL- Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. Das VTOL-Luftfahrzeug beziehungsweise das Flugsystem ist somit vorteilhafterweise im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt momentfrei. This provides the advantage that the VTOL aircraft has a movable mass on or in the fuselage that is movable during a substantially horizontal orientation of the rotors such that the overall mass center of gravity of the VTOL aircraft is substantially on the resulting thrust axis at all times , The VTOL aircraft or the flying system is thus advantageously torque-free essentially at all times.
Das Vorsehen dieser bewegbaren Masse, die in einer erfindungsgemäßen Ausführung entlang der Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs verlagerbar ist, hat den Vorteil, dass die Flugstabilität insbesondere bei der Transition, also beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug oder beim Wechsel vom Horizontalflug in den Schwebeflug, sowie beim Schwebeflug selbst, gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Zusätzliche Hubtriebwerke im Höhenleitwerk beispielsweise sind bei dem erfindungsgemäßen VTOL- Luftfahrzeug nicht notwendig. The provision of this movable mass, which is displaceable in an embodiment according to the invention along the longitudinal axis of the VTOL aircraft, has the advantage that the flight stability in particular during the transition, ie when changing from hover to horizontal flight or when switching from horizontal flight in the hover, and the hover itself, compared to the prior art is improved. Additional lifting engines in the horizontal stabilizer, for example, are not necessary in the VTOL aircraft according to the invention.
Die optionale Ausführung als Hochdecker macht das erfindungsgemäße VTOL-Luftfahrzeug vorteilhafterweise inhärent stabil. Weiters kann das erfindungsgemäße VTOL-Luftfahrzeug als Canard-Luftfahrzeug ausgebildet sein. The optional embodiment as a high-wing aircraft advantageously makes the VTOL aircraft according to the invention inherently stable. Furthermore, the VTOL aircraft according to the invention can be designed as a Canard aircraft.
Eine erfindungsgemäße Ausführung des VTOL-Luftfahrzeugs sieht einen Rumpf, mindestens zwei angetriebene Rotoren, Tragflächen an denen die Rotoren angeordnet sind, sowie eine bewegbare Masse vor. Darüber hinaus ist das System darauf ausgerichtet, dass alle rotierenden Teile so leicht wie möglich gestaltet sind, um die resultierenden Massenträgheitsmomente zu verringern. An embodiment of the VTOL aircraft according to the invention provides a fuselage, at least two driven rotors, bearing surfaces on which the rotors are arranged, and a movable mass. In addition, the system is designed to make all rotating parts as light as possible in order to reduce the resulting moments of inertia.
Die Rotoren sind durch Aktuatoren schwenkbar. Vorzugsweise sind die Rotoren mindestens in einem 120 Gradwinkel schwenkbar, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, während des Schwebeflugs horizontal, im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche beziehungsweise zur VTOL-Luftfahrzeug-Längsachse, und während des Horizontalflugs vertikal, in einem im Wesentlichen 90-Gradwinkel zur Erdoberfläche beziehungsweise zur VTOL-Luftfahrzeug-Längsachse, angeordnet sind. Bei besonderen Ausführungsformen sind die Rotoren, und somit die Rotorblätter, auch in einem 180-Gradwinkel oder einem 360- Gradwinkel schwenkbar, und können entgegen der Flugrichtung geneigt werden. The rotors are pivotable by actuators. Preferably, the rotors are pivotable at least at a 120 degree angle, wherein the rotors, and thus the rotor blades, during the hover flight horizontally, substantially parallel to the earth's surface or to the VTOL aircraft longitudinal axis, and during the horizontal flight are arranged vertically, at a substantially 90-degree angle to the ground surface or to the VTOL aircraft longitudinal axis. In particular embodiments, the rotors, and thus the rotor blades, are also pivotable at a 180-degree angle or a 360-degree angle, and may be inclined against the direction of flight.
Bei bevorzugten Ausführungsformen befinden sich in den Tragflächen Ausnehmungen, in denen die Rotoren angebracht sind. Dies bietet den Vorteil, dass das Entstehen eines, bei VTOL-Luftfahrzeugen im Schwebeflug oft vorzufindenden, Vortexringes, der sehr nachteilig für die Flugstabilität ist, verhindert wird. In preferred embodiments are in the wings recesses in which the rotors are mounted. This offers the advantage that the emergence of a vortex ring, which is often encountered in hovering in VTOL aircraft, which is very detrimental to flight stability, is prevented.
Besonders vorteilhaft ist jeder Rotor an einem um eine Drehachse drehbar angeordneten vorderen Rudersegment angebracht. Weist jede Tragfläche zusätzlich zumindest ein hinteres Rudersegment auf, so bilden das hintere Rudersegment und das vordere Rudersegment im Horizontalflug einen gemeinsamen aerodynamisch günstig gestalteten Körper während der im Wesentlichen horizontalen Bewegung des VTOL-Fahrzeugs aus. Hierdurch wird ein gemeinsames Flügelsegment beziehungsweise eine Tragfläche von höchster aerodynamischer Güte ausgebildet. Particularly advantageously, each rotor is mounted on a rotatable about a rotational axis arranged front rudder segment. If each wing additionally has at least one rear rudder segment, the rear rudder segment and the front rudder segment in horizontal flight form a common aerodynamically favorable body during the substantially horizontal movement of the VTOL vehicle. As a result, a common wing segment or a wing of highest aerodynamic quality is formed.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die verlagerbare Masse einen relativ zu den Tragflächen verlagerbaren Teil des Rumpfs oder den gesamten Rumpf. Hierdurch lässt sich der gesamte Rumpf beziehungsweise Teile davon relativ zu den Tragflächen verlagern, um so die beschriebene dynamische Massenverlagerung zu erzielen und zu erreichen, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. Diese Ausführungsform kann insofern von Vorteil sein, wenn eine größere verlagerbare Masse notwendig ist, um die gute Steuerbarkeit in allen Fluglagen zu ermöglichen. In preferred embodiments, the displaceable mass comprises a part of the fuselage that can be displaced relative to the wings or the entire fuselage. As a result, the entire fuselage or parts thereof can be displaced relative to the wings, so as to achieve the described dynamic mass displacement and to achieve that the overall mass center of gravity of the VTOL aircraft lies on the resulting thrust axis at substantially all times. This embodiment may be advantageous in that a larger displaceable mass is necessary to allow good controllability in all flight attitudes.
Diese Verlagerung des Rumpfs erfolgt relativ zu den Tragflächen. Alternativ können hierbei sowohl beide Tragflächen synchron als auch jede Tragfläche einzeln relativ zum Rumpf verlagert werden. This displacement of the fuselage is relative to the wings. Alternatively, both wings in this case can be displaced synchronously as well as each wing individually relative to the fuselage.
Alternativ kann auch die verlagerbare Masse relativ zu einer der Tragflächen verlagert werden. Hierbei wird entweder der Rumpf relativ zu nur einer Tragfläche verlagert, jede weitere Tragfläche wird also in gleichem Ausmaß mit dem Rumpf mitverlagert, oder es wird eine Tragfläche relativ zum Rumpf verlagert. Bei alternativen bevorzugten Ausfuhrungsformen umfasst die verlagerbare Masse einen relativ zu den Tragflächen verlagerbaren Energiespeicher. Hierdurch wird vorteilhaft ein möglicherweise vorhandener Energiespeicher als die verlagerbare Masse benutzt. Alternatively, the displaceable mass can be displaced relative to one of the wings. In this case, either the hull is displaced relative to only one wing, so each additional wing is mitverlagert to the same extent with the fuselage, or it is a wing shifted relative to the fuselage. In alternative preferred embodiments, the displaceable mass comprises a relative to the wings displaceable energy storage. As a result, a potentially existing energy store is advantageously used as the displaceable mass.
In einer vorteilhaften Ausführung sind die Tragflächen laminar und besonders stromlinienförmig ausgebildet. Dies dient der Optimierung der Schnellflugeigenschaften, da das laminare Profil der Tragflächen eine hohe Flächenbelastung im Horizontalflug aufweisen kann. In an advantageous embodiment, the wings are laminar and particularly streamlined. This serves to optimize the high-speed flight characteristics, since the laminar profile of the wings can have a high surface load in horizontal flight.
Die bewegbare Masse ist bei einer erfindungsgemäßen Ausführung über eine Linearführung oder eine Welle mit der Struktur verbunden. Ein Aktuator, der durch eine feste, starre Verbindung mit der Struktur des Luftfahrzeugs mechanisch verbunden ist, treibt die bewegbare Masse über einen mechanischen/elektrischen Antriebsstrang an. Die bewegbare Masse ist vorzugsweise ein Teil des Flugwerks oder Rumpfes oder der Nutzlast (z.B. Energiespeicher, der beispielsweise für den Antrieb der Rotoren und/ des Aktuators genutzt wird). The movable mass is connected in an embodiment according to the invention via a linear guide or a shaft with the structure. An actuator, mechanically connected by a rigid, fixed connection to the structure of the aircraft, drives the movable mass via a mechanical / electric drive train. The movable mass is preferably a part of the airframe or hull or payload (e.g., energy storage used, for example, to drive the rotors and / or the actuator).
Das Vorsehen eines digitalen Steuersystems für die Rotoren und für die bewegbare Masse, vorzugsweise ein digitales Kinematikmodell, ermöglicht die Abstimmung der Position der bewegbaren Masse auf die aktuellen Anstellwinkel der Rotoren. Das digitale Steuersystem ermöglicht beliebig viele Übergangspositionen der Rotoren während der Transition zwischen der im Wesentlichen horizontalen und der im Wesentlichen vertikalen Position einzustellen, und die bewegbare Masse derart zu positionieren, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs während der im Wesentlichen horizontalen Position der Rotoren und während der Transition von der im Wesentlichen horizontalen zu der im Wesentlichen vertikalen Position der Rotoren im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. Bei bevorzugten Ausführungen des VTOL-Luftfahrzeugs ist die bewegbare Masse entlang der Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs bewegbar. The provision of a digital control system for the rotors and the movable mass, preferably a digital kinematics model, allows the tuning of the position of the movable mass to the current angles of incidence of the rotors. The digital control system allows any number of transition positions of the rotors during transition to be set between the substantially horizontal and substantially vertical positions, and to position the movable mass such that the overall mass center of gravity of the VTOL aircraft during the substantially horizontal position of the rotors and during the transition from the substantially horizontal to the substantially vertical position of the rotors lies substantially at any time on the resulting thrust axis. In preferred embodiments of the VTOL aircraft, the movable mass is movable along the longitudinal axis of the VTOL aircraft.
Vorzugsweise weist das VTOL-Luftfahrzeug Trägheitssensoren, einen GPS-Empfänger, Beschleunigungssensoren und ein 3 -Achsgyroskop auf. Dies ermöglicht es, in Echtzeit Daten zu sammeln, und diese Daten beispielsweise an das digitale Steuersystem weiterzuleiten. Preferably, the VTOL aircraft has inertial sensors, a GPS receiver, acceleration sensors, and a 3-axis gyroscope. This makes it possible to collect data in real time and to forward this data, for example, to the digital control system.
Mit dem erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeug lässt sich ein Verfahren zur Stabilisierung der Flugeigenschaften eines VTOL-Luftfahrzeugs mit mindestens zwei schwenkbaren Rotoren durchführen, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, in einem ersten Schritt in einer im Wesentlichen horizontalen Position angeordnet werden, wobei die Rotoren jeweils um eine Achse parallel zur Hochachse des VTOL-Luftfahrzeugs rotieren und das VTOL-Luftfahrzeug hierbei im Schwebeflug bewegt wird, und wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, in einem nächsten Schritt in einer zweiten im Wesentlichen vertikalen Position angeordnet werden, wobei die Rotoren jeweils um eine Achse parallel zur Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs rotieren und das VTOL-Luftfahrzeug hierbei im Horizontalflug bewegt, wobei während der im Wesentlichen horizontalen Position der Rotoren eine, im oder am Rumpf des VTOL-Luftfahrzeugs angebrachte, bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. With the VTOL aircraft according to the invention, a method for stabilizing the flight characteristics of a VTOL aircraft with at least two rotatable rotors can be carried out, wherein the rotors, and thus the rotor blades, in a first step are arranged in a substantially horizontal position, wherein the rotors each rotate about an axis parallel to the vertical axis of the VTOL aircraft and the VTOL aircraft is thereby moved in hover, and wherein the rotors, and thus the rotor blades, in a next step in a second substantially vertical position, the rotors each rotating about an axis parallel to the longitudinal axis of the VTOL aircraft and thereby moving the VTOL aircraft in horizontal flight, wherein during the substantially horizontal position of the rotors one, in or on the fuselage of VTOL aircraft mounted movable mass is moved such that the total mass center of gravity of the VTOL aircraft is substantially at any time on the resulting thrust axis.
Bei bevorzugten Varianten des VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem die Rotoren in einer Übergangsposition angeordnet werden, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, während der Übergangsposition 45 Grad in Flugrichtung im Vergleich zu ihrer im Wesentlichen horizontalen Position nach vorne oder nach hinten geneigt werden, und wobei die bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. In preferred variants of the VTOL aircraft, a method is performed wherein the rotors are placed in a transient position, wherein the rotors, and thus the rotor blades, are 45 degrees forward in flight direction as compared to their substantially horizontal forward or forward position be tilted rearward, and wherein the movable mass is moved so that the total mass center of gravity of the VTOL aircraft is substantially at any time on the resulting thrust axis.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem Schwebeflug, Übergangsposition und Horizontalflug nacheinander eingenommen werden. In preferred embodiments of the VTOL aircraft according to the invention, a method is carried out in which hover, transition position and horizontal flight are taken in succession.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem die Rotoren, und somit die Rotorblätter, zwischen der Einnahme ihrer im Wesentlichen horizontalen Position und ihrer im Wesentlichen vertikalen Position kontinuierlich geschwenkt werden und dabei, neben horizontaler Position, vertikaler Position und Übergangsposition, beliebig viele Übergangszustände einnehmen können, und wobei die Rotoren von ihrer im Wesentlichen horizontalen Position startend zu ihrer im Wesentlichen vertikalen Position schwenken, und umgekehrt, und wobei die bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. In preferred embodiments of the VTOL aircraft according to the invention, a method is carried out in which the rotors, and thus the rotor blades, are pivoted continuously between taking their substantially horizontal position and their substantially vertical position and thereby, in addition to horizontal position, vertical position and Transition position, as many transition states can take, and wherein the rotors from its substantially horizontal position starting to pivot to its substantially vertical position, and vice versa, and wherein the movable mass is moved so that the total mass center of gravity of the VTOL aircraft substantially to each Time is on the resulting thrust axis.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Further advantageous embodiments of the device according to the invention are explained in more detail below with reference to FIGS.
Figur 1A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. FIG. 1A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in hover flight according to a first embodiment of the invention.
Figur 1B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  Figure 1B shows a perspective view of a VTOL aircraft in hover according to the first embodiment of the invention.
Figur 2A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs in Transition gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  Figure 2A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in transition according to the first embodiment of the invention.
Figur 2B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs in Transition gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  FIG. 2B shows a perspective view of a VTOL aircraft in transition according to the first exemplary embodiment of the invention.
Figur 3A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  FIG. 3A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in horizontal flight according to the first exemplary embodiment of the invention.
Figur 3B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  Figure 3B shows a perspective view of a VTOL aircraft in horizontal flight according to the first embodiment of the invention.
Figur 4A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  Figure 4A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in hover according to a second embodiment of the invention.
Figur 4B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  Figure 4B shows a perspective view of a VTOL aircraft in hover according to the second embodiment of the invention.
Figur 5A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs in Transition gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  FIG. 5A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in transition according to the second exemplary embodiment of the invention.
Figur 5B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs in Transition gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  FIG. 5B shows a perspective view of a VTOL aircraft in transition according to the second exemplary embodiment of the invention.
Figur 6A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  Figure 6A shows a cross-sectional side view of a VTOL aircraft in horizontal flight according to the second embodiment of the invention.
Figur 6B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.  Figure 6B shows a perspective view of a VTOL aircraft in horizontal flight according to the second embodiment of the invention.
Figur 7A zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer Tragfläche des VTOL-Luftfahrzeugs. Figur 7B zeigt eine perspektivische Ansicht der Tragfläche des VTOL-Luftfahrzeugs.  Figure 7A shows a cross-sectional side view of a wing of the VTOL aircraft. Figure 7B shows a perspective view of the wing of the VTOL aircraft.
Figur 8 zeigt eine Schemazeichnung einer funktionellen Anordnung des Steuersystems mit Einzelkomponenten. Figure 8 shows a schematic drawing of a functional arrangement of the control system with individual components.
Figur 1A und Figur 1B zeigen ein VTOL-Luftfahrzeug 1 im Schwebeflug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwei Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, befinden sich in ihrer im Wesentlichen horizontalen Position. Jeder Rotor 3 ist in einer Ausnehmung 4 der Tragfläche 2 angeordnet, wobei jeder Rotor 3 über einen Motorpylon eines Motors 14 an einem, um eine Drehachse 37 drehbar angeordneten, vorderen Rudersegment 38 angebracht ist. Der Motor 14 treibt den Rotor 3 an, und der Rotor 3 rotiert um eine Schubachse 13 gemäß einer Drehrichtung 40. An der Tragfläche 2 ist ein hinteres Rudersegment 5 angeordnet. Eine im Rumpf 7 angeordnete verlagerbare Masse 9, ein Energiespeicher 15, beispielsweise ein Akkumulator, befindet sich auf einer resultierenden Schubachse 33 parallel zu den Schubachsen 13 der Rotoren 3. Ein Massenschwerpunkt 12 der bewegbaren Masse 9 und ein Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 befinden sich ebenfalls auf der resultierenden Schubachse 33, die in Figur 1 A und Figur 1B mit einer Hochachse 28 zusammenfällt. Figure 1A and Figure 1B show a VTOL aircraft 1 in hover according to a first embodiment of the invention. Two rotors 3, and thus the rotor blades, are in their substantially horizontal position. Each rotor 3 is arranged in a recess 4 of the support surface 2, wherein each rotor 3 is attached via a motor pylon of a motor 14 to a front rudder segment 38 rotatably arranged about a rotation axis 37. The motor 14 drives the rotor 3, and the rotor 3 rotates about a thrust axis 13 according to a direction of rotation 40. On the support surface 2, a rear rudder segment 5 is arranged. A displaceable mass 9 arranged in the hull 7, an energy store 15, for example an accumulator, is located on a resultant Shear axis 33 parallel to the thrust axes 13 of the rotors 3. A center of mass 12 of the movable mass 9 and a total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 are also located on the resulting thrust axis 33, which coincides with a vertical axis 28 in Figure 1A and Figure 1B.
Sind die beiden Rotoren 3 gleich ausgerichtet, liegt die resultierende Schubachse 33 in einer Ebene, die von den beiden Schubvektoren der Rotoren 3, die jeweils auf der Schubachse 13 der Rotoren 3 liegen, aufgespannt wird. Ist der Betrag der beiden Schubvektoren der Rotoren 3 gleich groß, liegt die resultierende Schubachse 33 in der Symmetrieebene des VTOL- Luftfahrzeugs 1. Die Symmetrieebene wird bei dem symmetrisch aufgebauten VTOL- Luftfahrzeug 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise von der Hochachse 28 und der Längsachse 11 aufgespannt. Ist der Betrag der beiden Schubvektoren der Rotoren 3 nicht gleich groß, kann es sein, dass die resultierende Schubachse 33 nicht in der Symmetrieebene des VTOL-Luftfahrzeugs 1 liegt. Ebenso verändert eine ungleiche Ausrichtung der beiden Rotoren 3 die Form der Ebene, in der die resultierende Schubachse 33 liegt, wobei die Ebene in eine gekrümmte Fläche im Raum ausbilden kann. If the two rotors 3 are aligned in the same direction, the resulting thrust axis 33 lies in a plane which is spanned by the two thrust vectors of the rotors 3, which respectively lie on the thrust axis 13 of the rotors 3. If the magnitude of the two thrust vectors of the rotors 3 is the same, the resulting thrust axis 33 is in the plane of symmetry of the VTOL aircraft 1. The symmetry plane is in the symmetrically constructed VTOL aircraft 1 according to the first embodiment of the invention, for example, from the vertical axis 28 and Spanned longitudinal axis 11. If the magnitude of the two thrust vectors of the rotors 3 is not the same, the resulting thrust axis 33 may not lie in the plane of symmetry of the VTOL aircraft 1. Likewise, unequal alignment of the two rotors 3 changes the shape of the plane in which the resulting thrust axis 33 lies, which plane can form into a curved surface in space.
Im Schwebeflug sind die Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, im Wesentlichen horizontal, parallel zur Erdoberfläche beziehungsweise zu der Längsachse 11 des Rumpfes 7, angeordnet. Dies ermöglicht eine Bewegung des VTOL-Fahrzeugs 1 entlang seiner Hochachse 28, wobei hierzu die Drehzahl der Rotoren 3 synchron gesteigert wird, oder falls nötig eine Änderung der Ausrichtung der Rotoren 3 vorgenommen wird. Eine (Teil-) Rotation des VTOL-Luftfahrzeugs 1 um seine Hochachse 28 ist durch gegengleiches Auslenken der Rotoren 3 möglich. Durch eine dynamische Massenbewegung der bewegbaren Masse 9 wird der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf die resultierende Schubachse 33, also die Hochachse 28, gelenkt. When hovering, the rotors 3, and thus the rotor blades, are arranged substantially horizontally, parallel to the earth's surface or to the longitudinal axis 11 of the fuselage 7. This allows a movement of the VTOL vehicle 1 along its vertical axis 28, for which purpose the speed of the rotors 3 is increased synchronously, or if necessary, a change in the orientation of the rotors 3 is made. A (partial) rotation of the VTOL aircraft 1 about its vertical axis 28 is possible by opposing deflection of the rotors 3. By a dynamic mass movement of the movable mass 9 of the total mass center of gravity 6 on the resulting thrust axis 33, ie the vertical axis 28, directed.
Bei gleich großen Schubvektoren (oder Drehzahlen) der beiden Rotoren 3 ist das System im Gleichgewicht, wenn der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf der resultierenden Schubachse 33 liegt und somit keine inhärenten Momente auftreten. Um in den Schwebeflug zu gelangen, hebt das hier vorgestellte VTOL-Luftfahrzeug 1 ab, indem der Gesamtbetrag der Schubvektoren vorerst synchron über den Betrag der Gewichtskraft 30 erhöht wird. In dieser Phase befindet sich der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf der resultierenden Schubachse 33. For equal thrust vectors (or speeds) of the two rotors 3, the system is in equilibrium when the total mass center of gravity 6 is on the resulting thrust axis 33 and thus no inherent moments occur. In order to get into the hover, lifts the presented here VTOL aircraft 1 by the total amount of thrust vectors is first increased synchronously over the amount of weight 30. In this phase, the total mass center of gravity 6 is on the resulting thrust axis 33.
Die in dieser Erfindung beschriebene Möglichkeit zur Verlagerung der bewegten Masse 9 wird verwendet, um die Längsachse 11 horizontal zu halten, für den Fall, dass die Rotorebenen gleichförmig um eine zu einer Querachse 29 parallelen Achse, welche Achsen in Figur 1A normal auf die Längsachse 11 und die Zeichenebene stehen, geneigt werden. Hierdurch erzeugen diese, hervorgerufen durch den Kreiseleffekt (Trägheitstensor), eine der Kippbewegung entgegen gesetzte Nickbewegung des VTOL-Luftfahrzeugs 1. Gegengleiches auslenken der Rotoren 3 wirkt sich dann auf die Lage der Längsachse 11 aus, wenn die Beträge der Auslenkungen oder der Trägheitstensoren eine Differenz aufweisen. Durch die Verlagerung der verlagerbaren Masse 9 kann ein auftretendes Moment kompensiert werden. Da die verlagerbare Masse 9 auch abseits der resultierenden Schubachse 33 verlagerbar ist, ist eine vollständige Regelbarkeit während aller Flugzustände gegeben. The possibility of shifting the moving mass 9 described in this invention is used to keep the longitudinal axis 11 horizontal, in the case where the rotor planes are uniform about an axis parallel to a transverse axis 29, which axes in Figure 1A normal to the longitudinal axis 11 and the plane are inclined. As a result, these generate, caused by the gyro effect (inertial tensor), a tilting movement opposite pitching motion of the VTOL aircraft 1. Counter equal deflection of the rotors 3 then affects the position of the longitudinal axis 11, if the amounts of the deflections or the inertia tensors a difference exhibit. Due to the displacement of the displaceable mass 9, an occurring moment can be compensated. Since the displaceable mass 9 is displaced away from the resulting thrust axis 33, a complete controllability is given during all flight conditions.
Durch die Verlagerung der verlagerbaren Masse 9 kann es vorkommen, dass die verlagerbare Masse 9 beziehungsweise der Gesamtmassenschwerpunkt 6 kurzzeitig nicht auf der resultierenden Schubachse 33 liegen. Sobald jedoch ein auftretendes Moment kompensiert ist, wird die verlagerbare Masse 9 wieder auf die resultierende Schubachse 33 verlagert. Diesbezüglich liegt die verlagerbare Masse 9 beziehungsweise der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Fahrzeugs 1 im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse 33 liegt. Das VTOL-Luftfahrzeug 1 beziehungsweise das Flugsystem ist somit vorteilhafterweise im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt momentfrei. Due to the displacement of the displaceable mass 9, it may happen that the displaceable mass 9 or the total mass center of gravity 6 are not located on the resulting thrust axis 33 for a short time. However, as soon as an occurring moment is compensated, the displaceable mass 9 is again shifted to the resulting thrust axis 33. In this regard, the displaceable mass 9 or the total mass center of gravity 6 of the VTOL vehicle 1 is substantially at any time on the resulting thrust axis 33 is located. The VTOL aircraft 1 or the flying system is thus advantageously torque-free essentially at any time.
Die Rotation um die Längsachse 11 wird erzielt, indem die Schubvektoren differenziert werden. Die Rotation um eine Hochachse 28 erfolgt durch differenziertes Auslenken der Rotoren 3, und somit der Schubvektoren, aus ihrer vertikalen Lage. The rotation about the longitudinal axis 11 is achieved by differentiating the thrust vectors. The rotation about a vertical axis 28 takes place by differentiated deflection of the rotors 3, and thus of the thrust vectors, from their vertical position.
Der Schwebeflug gestaltet sich als permanentes Zusammenspiel von Vektoren, deren Betrag und Richtung prinzipiell zu jedem Zeitpunkt bekannt sind: Hovering is a permanent interaction of vectors whose magnitude and direction are known in principle at any given time:
Längsachse 11 : Rotation— > (DI G)R Longitudinal axis 11: rotation-> (DI G) R
Translation—» aL/aR, (ÄÖ)L+Ä(DR)  Translation »aL / aR, (ÄÖ) L + Ä (DR)
Querachse: Rotation— >m(Masse 9)*x(Längsachse 11) Transverse axis: rotation-> m (mass 9) * x (longitudinal axis 11)
Translation—» ooL, ooR + aL, aR (synchron)  Translation »ooL, ooR + aL, aR (synchronous)
Hochachse 28: Rotation— > aL,aR Vertical axis 28: rotation-> aL, aR
Translation—» Ä(CDL+(DR)  Translation »Ä (CDL + (DR)
Wobei L für den linken Rotor und R für den rechten Rotor steht; ω bezeichnet die Rotationsgeschwindigkeit des jeweiligen Rotors; α bezeichnet den Neigungswinkel des jeweiligen Rotors in Bezug auf eine durch Längs- und Querachse aufgespannte Ebene. Die verlagerbare Masse 9 hat die Aufgabe, die Rotation um die Querachse 29, speziell beim Übergang vom Schwebeflug in den Horizontalflug, oder umgekehrt, zu verhindern. Durch die verlagerbare Masse 9 ist der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 nicht starr. Die Massenverlagerung entlang der Längsachse 11 wirkt sich nicht nur statisch aus; auch der Beschleunigungsimpuls der bewegbaren Masse 9 wirkt einer Störgröße entgegen, wodurch sich der Weg der bewegbaren Masse 9 (abhängig von deren Verhältnis zum Gesamtgewicht) bei konsequenter Nutzung dieses Beschleunigungsimpulses relativ gering halten lässt. Zusätzlich befindet sich das System in physikalisch stabilem Zustand, da permanent Auftrieb über dem Gesamtmassenschwerpunkt 6 erzeugt wird. Where L is the left rotor and R is the right rotor; ω denotes the rotational speed of the respective rotor; α denotes the angle of inclination of the respective rotor with respect to a plane spanned by the longitudinal and transverse axes. The displaceable mass 9 has the task of preventing the rotation about the transverse axis 29, especially during the transition from hover to horizontal flight, or vice versa. Due to the displaceable mass 9, the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 is not rigid. The mass displacement along the longitudinal axis 11 not only has a static effect; Also, the acceleration pulse of the movable mass 9 counteracts a disturbance, whereby the path of the movable mass 9 (depending on their ratio to the total weight) can be kept relatively low with consistent use of this acceleration pulse. In addition, the system is in a physically stable state, since permanent buoyancy is generated above the total mass center of gravity 6.
Im Schwebeflug wirkt die kreisförmige Ausnehmung 4 um die Rotoren 3 der Bildung des gefürchteten Vortex-Rings entgegen, welcher schon bei geringer Vorwärtsbewegung keine Gefahr mehr darstellt. Das hintere Rudersegment 5 befindet sich im Schwebeflug nicht im Bereich des Luftstromes der Rotoren 3. When hovering, the circular recess 4 around the rotors 3 counteracts the formation of the dreaded vortex ring, which is no longer a danger even with little forward movement. The rear rudder segment 5 is not in the hovering flight in the area of the airflow of the rotors 3.
Figur 2A und Figur 2B zeigen das VTOL-Luftfahrzeug 1 in Transition, also dem Übergang vom Schwebeflug in den Horizontalflug, oder vom Horizontalflug in den Schwebeflug. Die Transition wird in der Regel nur sehr kurz eingenommen. Vorzugsweise sind die Rotoren 3 hierbei um 45 Grad nach vorne im Vergleich zur ihrer im Wesentlichen horizontalen Position geneigt, was ihrer Übergangsposition entspricht. Die Rotoren 3 rotieren beim Übergang vom Schwebeflug in die Übergangsposition jeweils synchron nach vorne um eine Schubachse 13 gemäß der Drehrichtung 40. FIG. 2A and FIG. 2B show the VTOL aircraft 1 in transition, ie the transition from hover into horizontal flight, or from horizontal flight into hover flight. The transition is usually taken only very briefly. Preferably, the rotors 3 are inclined 45 degrees forward relative to their substantially horizontal position, which corresponds to their transitional position. The rotors 3 rotate during the transition from hover to the transition position in each case synchronously forward to a thrust axis 13 according to the direction of rotation 40th
In Figur 2A ist das hintere Rudersegment 5 im gleichen Winkel geneigt wie der Rotor 3. Jeder Rotor 3 ist in einer Ausnehmung 4 der Tragfläche 2 angeordnet, wobei er um etwa 45 Grad geneigt ist. Im Rumpf 7 ist die verlagerbare Masse 9 angeordnet, die parallel zur Längsachse 11 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 bewegbar ist. Vorzugsweise wird die verlagerbare Masse 9 durch einen Aktuator ausgerichtet. Die verlagerbare Masse 9 wird derart ausgerichtet, dass der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 möglichst durchgehend auf der resultierenden Schubachse 33 liegt, und es zu keinen statischen Momenten in der Übergangsposition oder während der Transition kommt. Der Massenschwerpunkt 12 der bewegbaren Masse 9 befindet sich nicht direkt auf der resultierenden Schubachse 33, die parallel zu den Schubachsen 13 der Rotoren 3 liegt. Die Fluglage des VTOL-Luftfahrzeugs 1 ist bedingt durch die Anordnung des Gesamtmassenschwerpunktes 6 auf der resultierenden Schubachse 33 besonders stabil. In Figure 2A, the rear rudder segment 5 is inclined at the same angle as the rotor 3. Each rotor 3 is arranged in a recess 4 of the support surface 2, wherein it is inclined by about 45 degrees. In the fuselage 7, the displaceable mass 9 is arranged, which is movable parallel to the longitudinal axis 11 of the VTOL aircraft 1. Preferably, the displaceable mass 9 is aligned by an actuator. The displaceable mass 9 is aligned such that the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 is as continuously as possible on the resulting thrust axis 33, and there are no static moments in the transition position or during the transition. The center of gravity 12 of the movable mass 9 is not located directly on the resulting thrust axis 33, which is parallel to the thrust axes 13 of the rotors 3. The attitude of the VTOL aircraft 1 is due to the arrangement of the total mass center of gravity 6 on the resulting thrust axis 33 is particularly stable.
Während der Transition ist hervorzuheben, dass, aufgrund der physikalisch stabilen Schwerpunktlage, auch der dynamische Impuls einer Korrektur mittels Massenverlagerung einer Auslenkung um die Querachse 29 entgegenwirkt. During the transition, it should be emphasized that, due to the physically stable Center of gravity, the dynamic impulse of a correction by means of mass displacement counteracts a deflection about the transverse axis 29.
Während der Transition durchwandert das hintere Rudersegment 5 kurzzeitig den Luftstrom der Rotoren 3, wobei der Relativwinkel zwischen Motorpylon des Motors 14 und hinterem Rudersegment 5 so gewählt werden kann, dass dies einen möglichst geringen Einfluss auf den durch die Rotoren 3 beschleunigten Luftstrom hat. During the transition, the rear rudder segment 5 briefly travels through the air stream of the rotors 3, wherein the relative angle between the engine pylon of the engine 14 and the rear rudder segment 5 can be chosen so that this has the least possible influence on the accelerated by the rotors 3 air flow.
Das im diffusen Bereich - also vor den Rotoren 3 - angeordnete starre und sehr schmale Flügelsegment hat wenig aerodynamischen Einfluss auf das in die Rotorebene eintretende Luftvolumen. The rigid and very narrow wing segment arranged in the diffuse region - ie in front of the rotors 3 - has little aerodynamic influence on the air volume entering the rotor plane.
Bei alternativen Ausführungen können die Rotoren 3 auch um 45 Grad nach hinten im Vergleich zu ihrer im Wesentlichen horizontalen Position geneigt sein. Zwischen dem Schwebeflug und dem Horizontalflug können die Rotoren 3 theoretisch unendlich viele Positionen einnehmen, die mit der Übergangsposition vergleichbar sind und sich in erster Linie durch den Neigungsgrad der Rotoren 3 von der Übergangsposition unterscheiden. In alternative embodiments, the rotors 3 may also be inclined 45 degrees backwards relative to their substantially horizontal position. Between the hover and horizontal flight, the rotors 3 can theoretically assume an infinite number of positions that are comparable to the transition position and differ primarily by the degree of inclination of the rotors 3 from the transition position.
Figur 3A und Figur 3B zeigen das VTOL-Luftfahrzeug 1 im Horizontalflug, wobei sich die Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, in ihrer im Wesentlichen vertikalen Position befinden. Die Drehrichtung 40 der Rotoren 3, die in einer Ausnehmung 4 der Tragfläche 2 angeordnet sind und jeweils um eine Schubachse 13 rotieren, ist ebenfalls abgebildet. Die verlagerbare Masse 9 ist unterhalb der Rotoren 3 angeordnet. Der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 befindet sich unterhalb des Auftriebspunktes. Figure 3A and Figure 3B show the VTOL aircraft 1 in horizontal flight with the rotors 3, and thus the rotor blades, in their substantially vertical position. The direction of rotation 40 of the rotors 3, which are arranged in a recess 4 of the support surface 2 and each rotate about a thrust axis 13, is also shown. The displaceable mass 9 is arranged below the rotors 3. The total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 is located below the lifting point.
Das VTOL-Luftfahrzeug 1 verhält sich während des Horizontalfluges wie ein „konventionelles" Flugzeug. Die Schubvektoren werden hier weitgehend synchron geregelt und die verlagerbare Masse 9 derart positioniert, dass möglichst ein Kräftegleichgewicht herrscht. Das System hat nun - auch in regelungstechnischem Sinn - die Charakteristik und Freiheitsgrade eines„Starrflüglers". The VTOL aircraft 1 behaves like a "conventional" aircraft during level flight, where the thrust vectors are largely synchronized and the displaceable mass 9 is positioned so that the balance of forces is as good as possible and degrees of freedom of a "fixed wing".
Die verlagerbare Masse 9 wird durch das digitale Kinematik-Modell derart positioniert, dass der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 während des Schwebefluges und der Transition jeweils im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse 33 liegt. Durch die dynamische Massenverlagerung der bewegbaren Masse 9 wirkt auf die Querachse 29 eine zusätzliche ausgleichende Kraft. Diese Massenverlagerung erfolgt sowohl schwerpunktspezifisch als auch impulsgesteuert. Vorzugsweise werden alle Lageänderungen von Beschleunigungssensoren, Trägheitssensoren und Gyroskopen in Echtzeit ermittelt. The displaceable mass 9 is positioned by the digital kinematics model in such a way that the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 1 lies on the resulting thrust axis 33 at substantially the same time during the hover and the transition, respectively. Due to the dynamic mass displacement of the movable mass 9 acts on the transverse axis 29, an additional balancing force. This mass displacement is both center of gravity specific and pulse controlled. Preferably, all Changes in the position of acceleration sensors, inertial sensors and gyroscopes are determined in real time.
Figuren 4A bis 6B zeigen ein VTOL-Luftfahrzeug 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Wesentlichen ist das VTOL-Luftfahrzeug 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel identisch mit dem VTOL-Luftfahrzeug 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ähnliche oder gleiche Elemente durch die selben Referenznummern beschrieben sind und hier nicht weiter erläutert werden. Ein wesentlicher Unterschied der beiden Ausführungsbeispiele ist, dass in diesem zweiten Ausführungsbeispiel der gesamte Rumpf 7 die relativ zu den Tragflächen 2 verlagerbare Masse 9 bildet. FIGS. 4A to 6B show a VTOL aircraft 10 according to a second exemplary embodiment of the invention. In essence, the VTOL aircraft 10 according to the second embodiment is identical to the VTOL aircraft 1 according to the first embodiment of the invention, with similar or like elements being described by the same reference numerals and will not be explained further here. An essential difference between the two exemplary embodiments is that in this second exemplary embodiment, the entire hull 7 forms the mass 9 that can be displaced relative to the wings 2.
Der Massenschwerpunkt 12 der verlagerbaren Masse 9 und der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 10 befinden sich auf der resultierenden Schubachse 33, die in Figur 4A und Figur 4B mit der Hochachse 28 zusammenfällt. The center of gravity 12 of the displaceable mass 9 and the total mass center of gravity 6 of the VTOL aircraft 10 are located on the resulting thrust axis 33, which coincides with the vertical axis 28 in FIGS. 4A and 4B.
Die Verlagerung des Rumpfes 7, die anhand der möglichen Positionen 35 des Rumpfes 7 dargestellt ist, kann abhängig von der Regelung so vollzogen werden, dass das System während des Schwebefluges, der Transition und dem Horizontalflug momentfrei bleibt. Dabei wird der Massenschwerpunkt 12 innerhalb der Freiheitsgrade 34 verlagert. Das System beziehungsweise das VTOL-Luftfahrzeug 10 bleibt hierbei während des gesamten (reversierbaren) Zyklus, also während der Transition vom Schwebeflug in den Horizontalflug und umgekehrt, vollständig regelbar. The displacement of the fuselage 7, which is illustrated by the possible positions 35 of the fuselage 7, can be carried out depending on the regulation so that the system remains torque-free during the hover, the transition and the horizontal flight. In this case, the center of gravity 12 is displaced within the degrees of freedom 34. The system or the VTOL aircraft 10 remains fully controllable during the entire (reversible) cycle, ie during the transition from hover to horizontal flight and vice versa.
Im Schwebeflug wird der Rumpf 7 mit großer Präzision parallel zur Längsachse 11 verlagert, um ungewünschte Auslenkungen um die Nickachse zu kompensieren. In hovering, the hull 7 is displaced with great precision parallel to the longitudinal axis 11 in order to compensate for undesired deflections about the pitch axis.
Durch die Verlagerung des Rumpfes 7 kann es vorkommen, dass der Rumpf 7 beziehungsweise der Gesamtmassenschwerpunkt 6 kurzzeitig nicht auf der resultierenden Schubachse 33 liegen. Sobald jedoch ein auftretendes Moment kompensiert ist, wird der Rumpf 7 wieder auf die resultierende Schubachse 33 verlagert. Diesbezüglich liegt der Rumpf 7 beziehungsweise der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Fahrzeugs 10 im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse 33 liegt. Das VTOL- Luftfahrzeug 10 beziehungsweise das Flugsystem ist somit vorteilhafterweise im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt momentfrei. Due to the displacement of the fuselage 7, it may happen that the fuselage 7 or the total mass center of gravity 6 does not lie on the resulting thrust axis 33 for a short time. However, as soon as an occurring moment is compensated, the hull 7 is shifted back to the resulting thrust axis 33. In this regard, the fuselage 7 or the total mass center of gravity 6 of the VTOL vehicle 10 lies substantially at any time on the resulting thrust axis 33. The VTOL aircraft 10 or the flight system is thus advantageously free of torque essentially at any time.
Während der Transition wandern der Rumpf 7 und dessen Massenschwerpunkt 12 mit der resultierenden Schubachse 33 mit, bis sich durch die zunehmende horizontale Geschwindigkeit auch die Höhenruderkraft 31 einstellt. Ab diesem Zeitpunkt wandert der Rumpf 7 dann wieder nach vorne, also in Flugrichtung, bis sich eine für den Horizontalflug ideale Schwerpunktlage ergibt. In diesem Systemzustand richten sich die hinteren Rudersegmente 5 und vordere Rudersegmente 38, die den Motorpylon beziehungsweise den Motor 14 aufnehmen, an einer Schmiegeebene 39 aus und bilden dadurch ein spaltloses Flügelsegment von hoher aerodynamischer Güte. Die hinteren Rudersegmente 5 sind dabei um eine Drehachse 36 und die vorderen Rudersegmente 38 um die Drehachse 37 drehbar. Figur 7A und Figur 7B bilden diese Situation im Detail ab. During the transition, the hull 7 and its center of mass 12 migrate with the resulting thrust axis 33 with, until the elevator force 31 is adjusted by the increasing horizontal speed. From this point on, the hull 7 then moves forward again, ie in the direction of flight, until it produces an ideal center of gravity for horizontal flight. In this system condition, the aft rudder segments 5 and forward rudder segments 38 which receive the engine pylon and motor 14, respectively, align at a nip plane 39 thereby forming a high aerodynamic grade gapless wing segment. The rear rudder segments 5 are rotatable about an axis of rotation 36 and the front rudder segments 38 about the axis of rotation 37. FIGS. 7A and 7B illustrate this situation in detail.
Im Horizontalflug kann die dynamische Verlagerung des Massenschwerpunktes 12 zur Steigerung der Effizienz herangezogen werden, sodass Ruderkräfte minimiert werden. In horizontal flight, the dynamic displacement of the center of mass 12 can be used to increase the efficiency, so that rudder forces are minimized.
Alternativ kann die verlagerbare Masse 9 auch nur relativ zu einer der Tragflächen 2 verlagert werden, wobei beispielsweise die andere der Tragflächen 2 im gleichen Ausmaß mit dem Rumpf 7 mitverlagert wird. Alternativ kann auch nur ein Teil des Rumpfes 7 die relativ zu den Tragflächen 2 verlagerbare Masse 9 bilden. Alternatively, the displaceable mass 9 can be displaced only relative to one of the wings 2, wherein, for example, the other of the wings 2 is mitverlagert to the hull 7 to the same extent. Alternatively, only a part of the fuselage 7 can form the mass 9 which can be displaced relative to the wings 2.
Figur 8 zeigt in einer Schemazeichnung eine Anordnung zur Steuerung eines erfindungsgemäßen VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10. Die verlagerbare Masse 9 ist mit einem Steuersystem 18, vorzugsweise ein digitales Kinematik-Modell, verbunden. Das Steuersystem 18 ist zudem mit einem Ultraschall-Näherungssensor 17, einem 3- Achsgyroskop 22, einem GPS-Empfänger 23, einem elektronischen Kompass 24, einem Luftdrucksensor 25, einem Staudrucksensor 27 und mit Beschleunigungssensoren verbunden. Man spricht hierbei von einem AHRS (Attitude/Heading References System). Zudem ist das Steuersystem 18 mit den Rotoren 3, Querruderservos 19 und Querachsenservos 20 verbunden. Das Steuerungssystem 18 kommuniziert mit den Motoren 14, die die Rotoren 3 antreiben und der Auslenkung der Rotoren 3 dienen. Darüber hinaus steuert das Steuersystem 18 über die Servos 26 die Höhenposition und die seitliche Auslenkung des VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10. Die verlagerbare Masse 9 wird über einen Servo 16 zur Betätigung der bewegbaren Masse 9 gelenkt. Das Steuerungssystem 18 ist über Verbindungen 21 mit den aufgeführten Komponenten verbunden. FIG. 8 shows in a schematic drawing an arrangement for controlling a VTOL vehicle 1 or 10 according to the invention. The displaceable mass 9 is connected to a control system 18, preferably a digital kinematics model. The control system 18 is also connected to an ultrasonic proximity sensor 17, a 3-axis gyroscope 22, a GPS receiver 23, an electronic compass 24, an air pressure sensor 25, a dynamic pressure sensor 27, and acceleration sensors. This is called an AHRS (Attitude / Heading References System). In addition, the control system 18 is connected to the rotors 3, aileron servos 19 and transverse axis servos 20. The control system 18 communicates with the motors 14, which drive the rotors 3 and serve the deflection of the rotors 3. In addition, the control system 18 controls via the servos 26 the height position and the lateral deflection of the VTOL vehicle 1 or 10. The displaceable mass 9 is steered via a servo 16 for actuating the movable mass 9. The control system 18 is connected via connections 21 to the listed components.
Trägheitstensoren der Rotoren 3 wirken einem Kippen in Richtung Horizontalfluglage entgegen, was prinzipiell ein negatives Nickmoment zur Folge hat. Dieser Effekt wird durch eine entsprechende Positionierung der beweglichen Masse 9 kompensiert. Darüber hinaus ist das System darauf ausgerichtet, dass alle rotierenden Teile so leicht wie möglich gestaltet sind, um die Massenträgheitsmomente zu verringern und den Ablauf des Kippvorgang (Wechsel von Schwebeflug zu Horizontalflug oder umgekehrt) zu verlangsamen. Dies steht im Gegensatz zu der Möglichkeit, aus jeder synchronen Rotorlage schnell auf Störkräfte zu reagieren, da sich bei gegengleicher Verdrehung der Rotorebenen ihre Trägheitsmomente ausgleichen. Der restliche Anteil wird durch die Aktuierung der Masse ausgeregelt. Über eine weitere Größe, den Staudruck, kann das System eigenständig ermitteln, welche Kraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zur Umgebungsluft auf aerodynamisch wirkende Flächen am VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10 wirkt, und somit den Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10 auf die jeweilige Fluglage (Horizontal- oder Schwebeflug) anpassen. Inertia tensors of the rotors 3 counteract tilting in the direction of horizontal attitude, which in principle has a negative pitching moment result. This effect is compensated by a corresponding positioning of the movable mass 9. In addition, the system is designed to make all rotating parts as light as possible are to reduce the moments of inertia and to slow down the sequence of tipping (change from hover to horizontal flight or vice versa). This is in contrast to the ability to quickly respond to disturbing forces from each synchronous rotor position, as compensate for the same rotation of the rotor planes their moments of inertia. The remaining portion is adjusted by the actuation of the mass. About another size, the dynamic pressure, the system can independently determine which force acts on aerodynamically acting surfaces on the VTOL vehicle 1 or 10 depending on the speed to the ambient air, and thus the total mass center of gravity 6 of the VTOL vehicle 1 or 10 on the adjust the respective attitude (horizontal or hover).
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung des VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10 weisen die Tragflächen 2 zur Steuerung im Horizontalflug konventionelle Ruderflächen (Querruder, Höhenruder, Seitenruder) auf. Die Ruderflächen lassen sich unabhängig von der Neigung der Tragflächen 2 bewegen und steuern. In an embodiment according to the invention of the VTOL vehicle 1 or 10, the wings 2 for control in horizontal flight conventional rudder surfaces (ailerons, elevator, rudder) on. The rudder surfaces can be moved and controlled independently of the inclination of the wings 2.
Ein erfindungsgemäßes VTOL-Fahrzeug 1 oder 10 ist als Hochdecker ausgebildet, um den physikalisch stabilen Zustand und die Impulsrichtung bei der Verlagerung des Rumpfes 7 auszunutzen. Das erfindungsgemäße VTOL-Fahrzeug 1 oder 10 ist als Canard-Luftfahrzeug ausführbar. A VTOL vehicle 1 or 10 according to the invention is designed as a high-decker in order to utilize the physically stable state and the pulse direction during the displacement of the fuselage 7. The VTOL vehicle 1 or 10 according to the invention can be executed as a Canard aircraft.
Das Luftfahrzeug 1 oder 10 kann mindestens zwei oder mehrere koaxial oder transversal angeordnete Rotoren 3 besitzen. Das Luftfahrzeug 1 oder 10 kann beispielsweise vier koaxial angeordnete Rotoren 3, jeweils zwei pro Tragfläche 2, besitzen. Hierdurch wird die Ausfallssicherheit des Luftfahrzeugs 1 oder 10 erhöht. The aircraft 1 or 10 may have at least two or more coaxially or transversely arranged rotors 3. For example, the aircraft 1 or 10 may have four coaxially arranged rotors 3, two each per wing 2. As a result, the reliability of the aircraft 1 or 10 is increased.
Die Rotoren 3 des erfindungsgemäßen VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10 werden in bevorzugten Ausführungsformen rein elektrisch betrieben oder beruhen auf seriellen oder parallelen Hybridbetriebssträngen. Bei besonderen Ausführungen werden die Rotoren 3 durch Verbrennungskraftmaschinen angetrieben. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Propellerblattstellung der Rotoren 3 und/oder die Drehzahl der Motoren 14 verstellbar. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der Anstellwinkel der Motoren 14 verstellbar. Bei alternativen Ausführungsformen basiert die Schwenk- und Neigbarkeit der Rotoren 3 auf Digital/BL-Servos. Die Rotoren 3 können mit oder ohne Fanduct/ Impellermantel ausgeführt sein. The rotors 3 of the VTOL vehicle 1 or 10 according to the invention are operated purely electrically in preferred embodiments or are based on serial or parallel hybrid operating trains. In special embodiments, the rotors 3 are driven by internal combustion engines. In preferred embodiments, the propeller blade position of the rotors 3 and / or the speed of the motors 14 are adjustable. In particularly preferred embodiments, the angle of attack of the motors 14 is adjustable. In alternative embodiments, the pan and tilt of the rotors 3 are based on digital / BL servos. The rotors 3 can be designed with or without fanductuct / impeller sheath.
Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 an den, auf den oder unter den Tragflächen 2 befestigt, wobei die Rotoren 3 bei diesen Ausführungsformen nicht in Ausnehmungen 4 der Tragflächen 3 anordenbar sind. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 an den Enden der Tragflächen 2 befestigt. Bei besonderen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 am Rumpf 7 angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 von einer Ringstruktur umgeben, wobei die Rotoren 3 zusammen mit dem Ring die Tragflächen 2 bilden. In alternative embodiments, the rotors 3 are at, on or under the Attached wings 2, wherein the rotors 3 in these embodiments are not in recesses 4 of the wings 3 can be arranged. In alternative embodiments, the rotors 3 are attached to the ends of the wings 2. In particular embodiments, the rotors 3 are arranged on the hull 7. In alternative embodiments, the rotors 3 are surrounded by a ring structure, wherein the rotors 3 form the wings 2 together with the ring.
Verzeichnis: Directory:
1, 10 VTOL-Fahrzeug 1, 10 VTOL vehicle
2 Tragfläche  2 wing
3 Rotor  3 rotor
4 Ausnehmung der Tragfläche  4 recess of the wing
5 Hinteres Rudersegment  5 rear rudder segment
6 Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Fahrzeugs 6 Overall mass of the VTOL vehicle
7 Rumpf 7 hull
8 Leitwerk  8 tail
9 Verlagerbare Masse  9 Displaceable mass
11 Längsachse  11 longitudinal axis
12 Massenschwerpunkt der bewegbaren Masse  12 Mass center of the movable mass
13 Schubachse des Rotors  13 thrust axis of the rotor
14 Motor  14 engine
15 Energiespeicher  15 energy storage
16 Servo zur Betätigung der verlagerbaren Masse 9 16 Servo for actuating the displaceable mass 9
17 Ultraschall-Näherungssensor 17 ultrasonic proximity sensor
18 (digitales) Steuersystem  18 (digital) control system
19 Querruderservo  19 aileron servo
20 Querachsenservo  20 Querachsenservo
21 Verbindungen  21 connections
22 3 -Achsgyroskop  22 3-axis gyroscope
23 GPS-Empfänger  23 GPS receivers
24 Elektronischer Kompass  24 Electronic compass
25 Luftdrucksensor  25 air pressure sensor
26 Servo Höhe/Seite  26 servo height / side
27 Staudrucksensor  27 dynamic pressure sensor
28 Hochachse  28 vertical axis
29 Querachse  29 transverse axis
30 Gewichtskraft  30 weight
31 Ausgleichskraft Höhenruder  31 balancing elevator
32 Angriffspunkt der resultierenden Auftriebskraft 32 point of attack of the resulting buoyancy force
33 Resultierende Schubachse 33 Resulting thrust axis
34 Freiheitsgrad des Massenschwerpunktes 12  34 Degree of freedom of the center of mass 12
35 Mögliche Positionen des Rumpfes 7 nach Verlagerung 35 Possible positions of the fuselage 7 after relocation
36 Drehachse des hinteren Rudersegments 5 Drehachse des vorderen Rudersegments 38 Vorderes Rudersegment 36 axis of rotation of the rear rudder segment 5 Rotary axis of the front rudder segment 38 Front rudder segment
Schmiegeebene der Rudersegmente Drehrichtung des Rotors Oscillating plane of the rudder segments Direction of rotation of the rotor

Claims

Patentansprüche claims
1. VTOL-Fahrzeug (1, 10) mit einer am oder im Rumpf (7) angebrachten verlagerbaren Masse (9) und mindestens zwei schwenkbaren Rotoren (3), die für eine im Wesentlichen vertikale Bewegung des VTOL-Fahrzeugs jeweils in einer im Wesentlichen horizontalen Position anordenbar und um eine Schubachse (13) parallel zu einer Hochachse (28) des VTOL-Fahrzeugs (1 10) rotierbar sind, und wobei die Rotoren (3) für eine im Wesentlichen horizontale Bewegung des VTOL-Fahrzeugs jeweils in einer im Wesentlichen vertikalen Position anordenbar und um eine Schubachse (13) parallel zu einer Längsachse (11) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) rotierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die verlagerbare Masse (9) dazu ausgebildet ist, derart verlagert zu werden, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf einer resultierenden Schubachse (33) liegt. A VTOL vehicle (1, 10) having a displaceable mass (9) mounted on or in the fuselage (7) and at least two pivotable rotors (3) for substantially substantially vertical movement of the VTOL vehicle, respectively horizontal position and about a thrust axis (13) parallel to a vertical axis (28) of the VTOL vehicle (1 10) are rotatable, and wherein the rotors (3) for a substantially horizontal movement of the VTOL vehicle in each case in a substantially vertical position and about a thrust axis (13) parallel to a longitudinal axis (11) of the VTOL vehicle (1, 10) are rotatable, characterized in that the displaceable mass (9) is adapted to be displaced so that Total mass center of gravity (6) of the VTOL vehicle (1, 10) substantially at any time on a resulting thrust axis (33).
2. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (3) in Übergangspositionen zwischen der horizontalen Position und der vertikalen Position, insbesondere nach vorne oder nach hinten geneigt, anordenbar sind. 2. VTOL vehicle (1, 10) according to claim 1, characterized in that the rotors (3) in transition positions between the horizontal position and the vertical position, in particular forward or backward inclined, can be arranged.
3. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1, 10) ein digitales Steuersystem (18) für die Rotoren (3) und die bewegbare Masse (9) aufweist, wobei das digitale Steuersystem (18) die Rotoren (3) in die horizontale Position, die vertikale Position und die dazwischen liegenden Übergangspositionen stellt und die Masse (9) so verlagert, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) auf einer resultierenden Schubachse (33) liegt. 3. VTOL vehicle (1, 10) according to claim 1 or 2, characterized in that the VTOL vehicle (1, 10) has a digital control system (18) for the rotors (3) and the movable mass (9), wherein the digital control system (18) places the rotors (3) in the horizontal position, the vertical position and the intermediate transition positions and displaces the mass (9) so that the total mass center of gravity (6) of the VTOL vehicle (1, 10) on a resulting thrust axis (33).
4. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem (18) als digitales Kinematikmodell konfiguriert ist. 4. VTOL vehicle (1, 10) according to claim 3, characterized in that the control system (18) is configured as a digital kinematics model.
5. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verlagerbare Masse (9) entlang der Längsachse (11) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) verlagerbar ist. 5. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the displaceable mass (9) along the longitudinal axis (11) of the VTOL vehicle (1, 10) is displaceable.
6. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es als unbemanntes VTOL-Fahrzeug (1, 10) ausgebildet ist. 6. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 5, characterized in that it is designed as an unmanned VTOL vehicle (1, 10).
7. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es Tragflächen (2) aufweist, an denen die schwenkbaren Rotoren (3) angeordnet sind. 7. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 6, characterized in that in that it has bearing surfaces (2) on which the pivotable rotors (3) are arranged.
8. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbaren Rotoren (3) in Ausnehmungen (4) der Tragflächen (2) angeordnet sind, wobei jeder Rotor (3) an einem um eine Drehachse (37) drehbar angeordneten vorderen Rudersegment (38) angebracht ist. 8. VTOL vehicle (1, 10) according to claim 7, characterized in that the pivotable rotors (3) in recesses (4) of the support surfaces (2) are arranged, wherein each rotor (3) at one about an axis of rotation (37 ) rotatably mounted front rudder segment (38) is mounted.
9. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Tragfläche zumindest ein hinteres Rudersegment (5) aufweist, wobei das hintere Rudersegment (5) und das vordere Rudersegment (38) derart gestaltet sind, dass sie während der im Wesentlichen horizontalen Bewegung des VTOL-Fahrzeugs gemeinsam ein aerodynamisch günstig gestaltetes Flügelsegment ergeben. 9. VTOL vehicle (1, 10) according to claim 8, characterized in that each support surface has at least one rear rudder segment (5), wherein the rear rudder segment (5) and the front rudder segment (38) are designed such that they during the substantially horizontal movement of the VTOL vehicle together result in an aerodynamically designed wing segment.
10. VTOL-Fahrzeug (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verlagerbare Masse (9) einen relativ zu den Tragflächen (2) verlagerbaren Teil des Rumpfs (7) oder den gesamten Rumpf (7) umfasst. 10. VTOL vehicle (10) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the displaceable mass (9) comprises a relative to the support surfaces (2) displaceable part of the hull (7) or the entire hull (7).
11. VTOL-Fahrzeug (10) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verlagerbare Masse (9) relativ zu einer der Tragflächen (2) verlagerbar ausgebildet ist. 11. VTOL vehicle (10) according to claim 10, characterized in that the displaceable mass (9) relative to one of the support surfaces (2) is designed to be displaceable.
12. VTOL-Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verlagerbare Masse (9) einen relativ zu den Tragflächen (2) verlagerbare Masse (15) umfasst. 12. VTOL vehicle (1) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the displaceable mass (9) comprises a relative to the support surfaces (2) displaceable mass (15).
13. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflächen (2) ein widerstandsarmes Profil aufweisen. 13. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 7 to 12, characterized in that the support surfaces (2) have a low-resistance profile.
14. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1, 10) einen Querträger aufweist, an dem die verlagerbare Masse (9) angebracht ist. 14. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 13, characterized in that the VTOL vehicle (1, 10) has a cross member on which the displaceable mass (9) is mounted.
15. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1, 10) einen Aktuator zur Verlagerung der verlagerbaren Masse (9) aufweist. 15. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 14, characterized in that the VTOL vehicle (1, 10) has an actuator for displacing the displaceable mass (9).
16. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator über eine steife Verbindung mit dem Querträger des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) mechanisch fest verbunden ist. 16. VTOL vehicle (1, 10) according to claim 15, characterized in that the actuator via a rigid connection with the cross member of the VTOL vehicle (1, 10) mechanically is firmly connected.
17. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Aktuators über einen mechanisch/elektrischen Antriebsstrang mit der verlagerbaren Masse (9) verbunden ist. 17. VTOL vehicle (1, 10) according to any one of claims 15 or 16, characterized in that the drive of the actuator via a mechanical / electrical drive train with the displaceable mass (9) is connected.
18. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (3) mittels Motoren (14) schwenkbar sind. 18. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 17, characterized in that the rotors (3) by means of motors (14) are pivotable.
19. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1, 10) einen GPS-Empfänger (23) und ein 3 -Achsgyroskop (22) und Beschleunigungssensoren aufweist. 19. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 18, characterized in that the VTOL vehicle (1, 10) has a GPS receiver (23) and a 3-axis gyroscope (22) and acceleration sensors.
20. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1, 10) als Hochdecker ausgebildet ist. 20. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 19, characterized in that the VTOL vehicle (1, 10) is designed as a high-decker.
21. VTOL-Fahrzeug (1, 10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das VTOL-Fahrzeug (1, 10) als Canard-Luftfahrzeug ausgebildet ist. 21. VTOL vehicle (1, 10) according to one of claims 1 to 20, characterized in that the VTOL vehicle (1, 10) is designed as a Canard aircraft.
22. Verfahren zur Stabilisierung der Flugeigenschaften eines VTOL-Fahrzeugs (1, 10) mit mindestens zwei schwenkbaren Rotoren (3), wobei die Rotoren (3) für eine im Wesentlichen vertikale Bewegung des VTOL-Fahrzeugs jeweils in einer im Wesentlichen horizontalen Position angeordnet werden und um eine Schubachse (13) parallel zu einer Hochachse (28) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) rotieren, und wobei die Rotoren (3) für eine im Wesentlichen horizontale Bewegung des VTOL-Fahrzeugs jeweils in einer im Wesentlichen vertikalen Position angeordnet werden und um eine Schubachse (13) parallel zu einer Längsachse (11) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) rotieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine im oder am Rumpf (7) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) angebrachte, verlagerbare Masse (9) derart verlagert wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf einer resultierenden Schubachse (33) liegt. 22. A method for stabilizing the flight characteristics of a VTOL vehicle (1, 10) with at least two pivotable rotors (3), wherein the rotors (3) are arranged for a substantially vertical movement of the VTOL vehicle in each case in a substantially horizontal position and about a thrust axis (13) parallel to a vertical axis (28) of the VTOL vehicle (1, 10) rotate, and wherein the rotors (3) arranged for a substantially horizontal movement of the VTOL vehicle in each case in a substantially vertical position and about a thrust axis (13) parallel to a longitudinal axis (11) of the VTOL vehicle (1, 10) rotate, characterized in that in or on the hull (7) of the VTOL vehicle (1, 10) mounted, displaceable Mass (9) is displaced so that the total mass center of gravity (6) of the VTOL vehicle (1, 10) is substantially at any time on a resulting thrust axis (33).
23. Verfahren gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (3) in Übergangspositionen zwischen der horizontalen Position und der vertikalen Position, insbesondere nach vorne oder nach hinten geneigt, geschwenkt werden. A method according to claim 22, characterized in that the rotors (3) are pivoted in transition positions between the horizontal position and the vertical position, in particular inclined forwards or backwards.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (3) zwischen der im Wesentlichen horizontalen Position und der im Wesentlichen vertikalen Position kontinuierlich geschwenkt werden und dabei kontinuierlich Übergangspositionen einnehmen, und wobei während des Schwenkens der Rotoren (3) die verlagerbare Masse (9) derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt (6) des VTOL-Fahrzeugs (1, 10) im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse (33) liegt. 24. A method according to any one of claims 22 or 23, characterized in that the rotors (3) between the substantially horizontal position and the substantially vertical position continuously and thereby continuously assume transient positions, and wherein during the pivoting of the rotors (3) the displaceable mass (9) is moved such that the total mass center of gravity (6) of the VTOL vehicle (1, 10) substantially to each Time on the resulting thrust axis (33).
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170174342A1 (en) * 2015-06-12 2017-06-22 Deng Huang Vertical Takeoff Aircraft and Method
CN108177771A (en) * 2018-01-08 2018-06-19 南京航空航天大学 Wing composite aircraft is determined in variable mass distribution rotation
DE102018116161A1 (en) 2018-07-04 2020-01-09 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft aircraft
EP3594113A1 (en) * 2018-07-10 2020-01-15 AIRBUS HELICOPTERS DEUTSCHLAND GmbH An apparatus for adjusting the center of gravity of a vertical take-off and landing aircraft
WO2020193364A1 (en) 2019-03-25 2020-10-01 LIFT Holding GmbH Aircraft
EP3867150A4 (en) * 2018-10-19 2022-09-28 Anduril Industries Inc. Ruggedized autonomous helicopter platform
US11535366B2 (en) * 2020-03-25 2022-12-27 Aurora Flight Sciences Corporation, a subsidiary of The Boeing Company Shifting a center of gravity of an aircraft
US11603193B2 (en) * 2018-07-16 2023-03-14 Donghyun Kim Aircraft convertible between fixed-wing and hovering orientations

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010137016A2 (en) * 2009-05-27 2010-12-02 Israel Aerospace Industries Ltd. Air vehicle
US20110315806A1 (en) * 2010-05-17 2011-12-29 Piasecki John W Modular and morphable air vehicle
WO2015022711A1 (en) * 2013-08-12 2015-02-19 Unit 1Srl Convertiplane with new aerodynamic and technical solutions which make the aircraft safe and usable
WO2015028627A1 (en) * 2013-08-29 2015-03-05 Airbus Defence and Space GmbH Aircraft capable of vertical take-off

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5370341A (en) * 1994-04-05 1994-12-06 Leon; Ross Ultralight helicopter and control system
DE102005012744A1 (en) * 2004-06-24 2006-04-06 Räder, Hermann Vertical take-off and landing aircraft used as a type of helicopter in the military comprises devices for shifting the center of gravity of the aircraft within a plane running normal to the rotary axis
GB0613887D0 (en) * 2006-07-13 2006-08-23 Hoverwing Ltd Aircraft

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010137016A2 (en) * 2009-05-27 2010-12-02 Israel Aerospace Industries Ltd. Air vehicle
US20110315806A1 (en) * 2010-05-17 2011-12-29 Piasecki John W Modular and morphable air vehicle
WO2015022711A1 (en) * 2013-08-12 2015-02-19 Unit 1Srl Convertiplane with new aerodynamic and technical solutions which make the aircraft safe and usable
WO2015028627A1 (en) * 2013-08-29 2015-03-05 Airbus Defence and Space GmbH Aircraft capable of vertical take-off

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170174342A1 (en) * 2015-06-12 2017-06-22 Deng Huang Vertical Takeoff Aircraft and Method
CN108177771A (en) * 2018-01-08 2018-06-19 南京航空航天大学 Wing composite aircraft is determined in variable mass distribution rotation
CN108177771B (en) * 2018-01-08 2023-09-26 南京航空航天大学 Variable mass distribution rotary-fixed wing composite aircraft
DE102018116161A1 (en) 2018-07-04 2020-01-09 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft aircraft
EP3594113A1 (en) * 2018-07-10 2020-01-15 AIRBUS HELICOPTERS DEUTSCHLAND GmbH An apparatus for adjusting the center of gravity of a vertical take-off and landing aircraft
US11603193B2 (en) * 2018-07-16 2023-03-14 Donghyun Kim Aircraft convertible between fixed-wing and hovering orientations
EP3867150A4 (en) * 2018-10-19 2022-09-28 Anduril Industries Inc. Ruggedized autonomous helicopter platform
US11721222B2 (en) 2018-10-19 2023-08-08 Anduril Industries, Inc. Ruggedized autonomous helicopter platform
WO2020193364A1 (en) 2019-03-25 2020-10-01 LIFT Holding GmbH Aircraft
DE102019107593A1 (en) * 2019-03-25 2020-10-01 LIFT Holding GmbH Flying device
US11535366B2 (en) * 2020-03-25 2022-12-27 Aurora Flight Sciences Corporation, a subsidiary of The Boeing Company Shifting a center of gravity of an aircraft

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