WO2020038602A1 - Luftfahrzeug - Google Patents

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Mikel Fauri
Tim Schmidt
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Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • B64C11/001—Shrouded propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENTS OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plant in aircraft; Aircraft characterised thereby
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plant
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plant using steam, electricity, or spring force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/13—Propulsion using external fans or propellers
    • B64U50/14—Propulsion using external fans or propellers ducted or shrouded
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/20—Rotorcraft characterised by having shrouded rotors, e.g. flying platforms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/19—Propulsion using electrically powered motors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/50—On board measures aiming to increase energy efficiency

Definitions

  • the present invention relates to an aircraft, in particular a fully electric, vertical take-off and landing (VTOL) aircraft.
  • VTOL vertical take-off and landing
  • VTOL refers to any type of aircraft, drone or rocket that has the ability to take off and put back on essentially vertically and without a runway. This collective term is used in a broad sense below that is not only
  • Fixed-wing aircraft with wings but also rotary-wing aircraft such as helicopters, gyroplanes, flight screwdrivers and hybrids such as compound helicopters or combination screwdrivers as well
  • CN 203655658 U discloses a forced air cooling system for small electronic components.
  • CN 204858936 U refers to a magnetic transmission system for a propeller from an axis offset from the rotor assembly.
  • the invention provides an aircraft, in particular a fully electric aircraft capable of taking off and landing vertically in the above sense, according to independent claim 1.
  • An advantage of this solution lies in the reduced shading of the active surface of the propeller according to the invention, which in conventional aircraft follows from the central arrangement of the engine.
  • Embodiments of the invention also allow an increase in efficiency and a higher degree of integration of the propeller shell.
  • the aircraft can be equipped with kinked or even optionally kinkable wings.
  • a corresponding variant increases the wing area effective in horizontal flight, but without extending the footprint of the aircraft.
  • the aircraft may have a quickly chargeable battery system which provides the drive energy for vertical take-off and landing as well as horizontal flight and enables the aircraft to be charged at short notice when stationary.
  • ducted fans of different sizes can be used to drive the aircraft, as are known apart from aeronautical engineering, for example, from hovercraft or sump boats.
  • the cylindrical housing surrounding the propeller can considerably reduce the thrust losses due to turbulence at the blade tips.
  • Suitable jacketed propellers may be oriented horizontally or vertically, designed to be pivotable between two positions or out
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.
  • the figure shows a schematic diagram of the invention.
  • the single figure illustrates the structural features of a preferred embodiment of the aircraft according to the invention.
  • an electrical machine 11, 12
  • an electrical machine 11, 12
  • Both their rotor (11) and stator (12) are outside the effective range (14) of the associated jacket propeller (10). This avoids shadowing and fully uses the driving force.
  • a guide rail or other axial bearing (13) maintains the air gap of the electrical machine (11, 12).

Abstract

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Luftfahrzeug weist einen Mantelpropeller (10) auf; und der Mantelpropeller (10) weist einen Mantel mit einer integrierten elektrischen Maschine (11, 12) auf.

Description

Luftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht Start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug.
Als VTOL wird in der Luft- und Raumfahrttechnik sprachübergreifend jedwede Art von Flugzeug, Drohne oder Rakete bezeichnet, welche die Fähigkeit besitzt, im Wesentlichen senkrecht und ohne Start- und Landebahn abzuheben und wieder aufzusetzen. Dieser Sammelbegriff wird nachfolgend in einem weiten Sinne verwendet, der nicht nur
Starrflügelflugzeuge mit Tragflächen, sondern ebenso Drehflügler wie Hub-, Trag-, Flugschrauber und Hybride wie Verbundhub- oder Kombinationsschrauber sowie
Wandelflugzeuge einschließt. Erfasst seien des Weiteren Luftfahrzeuge mit der Fähigkeit, auf besonders kurzen Strecken zu starten und zu landen ( short take-off and landing, STOL), auf kurzen Strecken zu starten, aber senkrecht zu landen (short take-off and vertical landing, STOVL) oder senkrecht zu starten, aber horizontal zu landen ( vertical take-off and horizontal landing, VTHL). US2017/0274992A1 schlägt einen Motor vor, der aus zylindrisch gestapelten
Submotoren mit getrennten Steuerungen besteht, um die Zuverlässigkeit des Systems zu erhöhen.
CN 203655658 U offenbart ein Zwangsluftkühlsystem für kleine Elektronikbauteile.
CN 204858936 U bezieht sich auf ein magnetisches Übertragungssystem für einen Propeller von einer seitens der Rotoranordnung versetzten Achse.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht Start- und landefähiges Luftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit. Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der erfindungsgemäß verringerten Abschattung der Wirkfläche des Propellers, welche bei herkömmlichen Luftfahrzeugen aus der mittigen Anordnung des Motors folgt.
Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen zudem eine Steigerung der Effizienz sowie einen höheren Integrationsgrad des Propellermantels.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen angegeben. So kann das Luftfahrzeug etwa mit abgeknickten oder gar wahlweise abknickbaren Tragflächen ausgestattet sein. Eine entsprechende Variante vergrößert die im Horizontalflug wirksame Flügelfläche, ohne aber die Standfläche des Luftfahrzeuges auszudehnen.
Ferner mag das Luftfahrzeug über ein schnell ladbares Batteriesystem verfügen, welches die Antriebsenergie für Senkrechtstart und -landung sowie Horizontalflug bereitstellt und eine kurzfristige Aufladung des Luftfahrzeuges im Stand ermöglicht.
Zum Antrieb des Luftfahrzeuges können hierbei anstelle freifahrender Rotoren mehrere Mantelpropeller ( ducted fans) auch unterschiedlicher Größe zum Einsatz kommen, wie sie abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt sind. Das den Propeller umgebende zylindrische Gehäuse vermag in einer derartigen Ausführungsform die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen beträchtlich zu reduzieren. Geeignete Mantelpropeller mögen horizontal oder vertikal ausgerichtet, zwischen beiden Stellungen schwenkbar ausgeführt oder aus
aerodynamischen Gründen im Horizontalflug durch Lamellen (louvers) abgedeckt sein. Zudem ist eine reine Horizontalschuberzeugung mittels feststehender Mantelpropeller denkbar.
Schließlich kommt - neben einem vorzugsweise vollautonomen Betrieb des
Luftfahrzeuges - bei hinreichender Qualifikation auch die Einräumung einer manuellen Kontrolle an den menschlichen Piloten in Betracht, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größtmögliche Flexibilität in der Handhabung verleiht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die Figur zeigt ein Prinzipbild der Erfindung.
Die einzige Figur illustriert die konstruktiven Merkmale einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges. Bei jedem seiner elektrisch angetriebenen Propeller (10) ist innerhalb des Mantels eine elektrische Maschine (11 , 12) in den Außenring integriert. Sowohl deren Rotor (11) als auch Stator (12) befinden sich außerhalb des Wirkungsbereiches (14) des zugehörigen Mantelpropellers (10). Dadurch wird dessen Abschattung vermieden und die Antriebskraft vollständig genutzt. Eine Führungsschiene oder ein anderweitiges Axiallager (13) hält den Luftspalt der elektrischen Maschine (11 , 12) aufrecht.
Für den Mantelpropeller (10) kommt eine minimale strukturelle Unterstützung unter Inkaufnahme einer vernachlässigbaren Abschattung in Betracht, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Luftfahrzeug,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- das Luftfahrzeug weist einen Mantelpropeller (10) auf und
- der Mantelpropeller (10) weist einen Mantel mit einer integrierten elektrischen Maschine (11 , 12) auf.
2. Luftfahrzeug nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- die elektrische Maschine (11 , 12) umfasst einen Läufer (11) und einen Ständer (12) und
- sowohl der Läufer (11) als auch der Ständer (12) sind außerhalb eines Wirkungsbereiches (14) des Mantelpropellers (10) angeordnet.
3. Luftfahrzeug nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- der Mantelpropeller (10) weist ferner ein Axiallager (13) auf und
- das Axiallager (13) lagert den Läufer (11) in einem vorgegebenen Abstand zum Ständer (12).
4. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- das Luftfahrzeug weist einen vollelektrischen Antrieb auf.
5. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- das Luftfahrzeug umfasst abgeknickte oder abknickbare Tragflächen.
6. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- das Luftfahrzeug umfasst ein schnell ladbares Batteriesystem.
7. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- das Luftfahrzeug umfasst waagerecht feststehende Mantelpropeller (10) für Start und Landung.
8. Luftfahrzeug nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- das Luftfahrzeug weist Lamellen auf und
- die waagerechten Mantelpropeller (10) sind mittels der Lamellen wahlweise abdeckbar.
9. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- das Luftfahrzeug umfasst senkrecht feststehende Mantelpropeller (10) zum Erzeugen eines Vortriebes.
10. Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- das Luftfahrzeug ist wahlweise vollautonom steuerbar.
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