WO2022207143A1 - Unbemanntes fluggerät für landwirtschaftliche sprüh-einsätze mit hohem nutzlast-eigengewicht-verhältnis - Google Patents

Unbemanntes fluggerät für landwirtschaftliche sprüh-einsätze mit hohem nutzlast-eigengewicht-verhältnis Download PDF

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WO2022207143A1
WO2022207143A1 PCT/EP2022/000029 EP2022000029W WO2022207143A1 WO 2022207143 A1 WO2022207143 A1 WO 2022207143A1 EP 2022000029 W EP2022000029 W EP 2022000029W WO 2022207143 A1 WO2022207143 A1 WO 2022207143A1
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WO
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spray nozzle
nozzle carrier
unmanned aircraft
propeller
flight
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/000029
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English (en)
French (fr)
Inventor
András VOLOSCSUK
Original Assignee
Airial Robotics GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D1/00—Dropping, ejecting, releasing, or receiving articles, liquids, or the like, in flight
    • B64D1/16—Dropping or releasing powdered, liquid, or gaseous matter, e.g. for fire-fighting
    • B64D1/18—Dropping or releasing powdered, liquid, or gaseous matter, e.g. for fire-fighting by spraying, e.g. insecticides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01M—CATCHING, TRAPPING OR SCARING OF ANIMALS; APPARATUS FOR THE DESTRUCTION OF NOXIOUS ANIMALS OR NOXIOUS PLANTS
    • A01M7/00—Special adaptations or arrangements of liquid-spraying apparatus for purposes covered by this subclass
    • A01M7/0089—Regulating or controlling systems
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    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
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    • B64U10/10—Rotorcrafts
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    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/20—Rotors; Rotor supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/82—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto characterised by the provision of an auxiliary rotor or fluid-jet device for counter-balancing lifting rotor torque or changing direction of rotorcraft
    • B64C2027/8236—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto characterised by the provision of an auxiliary rotor or fluid-jet device for counter-balancing lifting rotor torque or changing direction of rotorcraft including pusher propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2101/00—UAVs specially adapted for particular uses or applications
    • B64U2101/45—UAVs specially adapted for particular uses or applications for releasing liquids or powders in-flight, e.g. crop-dusting

Definitions

  • the invention relates to an unmanned aerial vehicle, in particular for spraying chemicals, such as pesticides or herbicides, in agriculture, having a fuselage, at least one main rotor with a rotary drive and a generally vertical rotor axis of rotation, at least one container for receiving a fluid to be sprayed during flight substance, and an elongate spray nozzle carrier oriented generally horizontally and transversely to the direction of flight and carrying a plurality of spray nozzles for spraying the flowable substance.
  • a fuselage having a fuselage, at least one main rotor with a rotary drive and a generally vertical rotor axis of rotation, at least one container for receiving a fluid to be sprayed during flight substance, and an elongate spray nozzle carrier oriented generally horizontally and transversely to the direction of flight and carrying a plurality of spray nozzles for spraying the flowable substance.
  • UAVs are widely used to spray liquid or flowable powdered substances in agriculture, such as pesticides, herbicides or other chemicals.
  • unmanned fixed-wing aircraft are used, but also unmanned helicopters or helicopters in recent years. For maneuvering and flying, these have a main rotor with a generally vertical rotor axis of rotation and a tail rotor with a generally horizontal rotor axis of rotation which produces torque about the rotor axis of rotation during operation of the main rotor.
  • a container for holding the flowable substances for holding the flowable substances and arranged on the underside of the aircraft elongate spray nozzle carrier with spray nozzles, to which the substances are supplied by at least one pump via hose lines or through the interior of the hollow spray nozzle carrier.
  • Such unmanned helicopters or helicopters are disclosed in JP 2012153169 A, JP 20091666689 A, JPH 08163946 A, TWM 564003 U, CN 207826563 U and CN 106697292 A, for example.
  • the ratio of payload to dead weight is relatively low.
  • remote-controlled Aircraft with electric rotor drive carry a battery, the weight of which increases the further the aircraft is to fly without charging the battery.
  • the tail of a helicopter which is equipped with a tail unit and a tail rotor, contributes significantly to the dead weight and thus to the low ratio of payload to dead weight.
  • a low payload-to-weight ratio leads to high energy consumption, which not only increases the cost of spray missions, but also the frequency or duration of the dead times required for battery replacement or recharging in electric rotorcraft unmanned aerial vehicles. Enlarging the battery cannot reduce the frequency or duration of dead times, since a heavier battery pushes down the payload-to-weight ratio.
  • the object of the invention is to improve an unmanned aerial vehicle of the type mentioned at the outset such that the ratio of payload to dead weight can be increased.
  • the spray nozzle carrier carries at least one propeller which, during operation of the main rotor, generates a torque about the rotor axis of rotation of the main rotor.
  • the invention is based on the idea of additionally using the elongated spray nozzle carrier as a carrier for at least one propeller, which can be driven in order to generate the torque serving to balance the torque of the main rotor.
  • the at least one propeller thus assumes the task of the tail rotor, so that a tail protruding over the fuselage counter to the direction of flight can be dispensed with. This in turn is accompanied by a not inconsiderable weight saving without reducing the load capacity and thus the payload.
  • the unmanned aircraft according to the invention has another significant advantage: it can fly not only forwards but also backwards in the direction of the propeller axis of rotation by reversing the direction of rotation of the at least one propeller or changing its angle of attack by a little more than 180 degrees .
  • the propeller can advantageously not only be used to compensate for the torque generated by the main rotor, but also to supply the aircraft's thrust in flight, alone or in conjunction with the main rotor .
  • a design without tail and tail rotor also has the great advantage that the spray mist, which is pushed down by the main rotor behind the spray nozzles and sinks towards the ground, is not swirled in a horizontal direction and can therefore be discharged much more evenly than from a tail rotor helicopter.
  • Another advantage is that the main rotor accelerates the spray downwards, creating two twisted wake vortices that ensure optimal distribution of the spray on the ground.
  • the flight speed of the unmanned aircraft and thus the width of the ground corridor sprayed during an overflight and the amount of the sprayed substance per unit area on the ground can be changed.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the main rotor and the at least one propeller are each driven by separate electric drives.
  • the traction drive of the at least one propeller is preferably also carried by the elongated spray nozzle carrier and is Extension of the propeller axis of rotation arranged.
  • a drive train leading to the propeller can be dispensed with and instead the energy for driving the traction drive of the at least one propeller can be transmitted by cables along the spray nozzle carrier. This also leads to a weight saving.
  • the longitudinal axis of the spray nozzle carrier and the propeller axis of rotation advantageously span a plane that is aligned horizontally when the aircraft is in horizontal hovering flight. Due to the fact that the alignment of the axis of rotation of the at least one propeller in relation to the fuselage and the spray nozzle carrier is rigid according to an expedient embodiment of the invention, i.e. not adjustable, the construction of the aircraft can be simplified.
  • the unmanned aircraft can be an autogyro or gyrocopter in which the at least one propeller alone can generate the thrust required for the forward movement.
  • the aircraft moves forward, air flows through the main rotor from below, causing it to auto-rotate and generating enough lift to keep the aircraft airborne or even to climb.
  • the aircraft advantageously has two propellers which are attached to the spray nozzle carrier on both sides of a fuselage of the aircraft.
  • the two propellers are preferably each mounted on or near one of the two free ends of the spray nozzle carrier, which protrudes over the fuselage of the aircraft on opposite sides.
  • the two propellers provide more thrust and thus allow a higher flight speed.
  • this also allows an increase in lift achieved by auto-rotation of the main rotor.
  • the aircraft with two or more propellers can be controlled in flight without a vertical stabilizer and a horizontal stabilizer is not required because the climb or descent can be controlled by changing the drive power of the main rotor or the propeller, there is also a reason for this no need to provide the aircraft with a rudder and/or horizontal stabilizer or a tail that protrudes over the fuselage in the direction of flight or counter to the direction of flight and serves as a support for such a stabilizer.
  • the spray nozzle carrier expediently protrudes more than twice, preferably more than five times and best between five and ten times the fuselage width on both sides of the fuselage.
  • the size and weight of the traction drives of the propellers and the size of the propeller blades can also be reduced.
  • the spray nozzle carrier carries at least four, preferably more, spaced spray nozzles, half of which are located on either side of the hull. The distance between adjacent spray nozzles is preferably the same in each case.
  • the aircraft pitches slightly in the respective direction of flight when flying forwards or backwards, so that the longitudinal axis of the fuselage and thus also the axes of rotation of the propeller are inclined slightly upwards in relation to a horizontal plane in the direction of flight. Without countermeasures, this would mean that the main spraying direction of the spray nozzles would no longer be aligned vertically downwards, but obliquely backwards and downwards, which would have an unfavorable effect on the distribution of the spray mist.
  • the spray nozzles can be rotated about a longitudinal axis of the spray nozzle carrier by means of an actuator. In this way, the spray nozzles can be rotated according to the angle of attack of the fuselage so that they always point vertically downwards.
  • the spray nozzle carrier advantageously comprises a traction drive carrier, which carries the at least one propeller together with the traction drive, and a spray nozzle carrier tube, which is rotatable in relation to the traction drive carrier by means of the actuator.
  • the traction drive support projects over the fuselage on both sides and is firmly connected to the fuselage, while the spray nozzle support tube can be rotated in relation to the traction drive support about its longitudinal axis and delimits a channel for supplying the substance to be sprayed to the spray nozzles.
  • the spray nozzle support tube can surround the traction drive support, preferably coaxially, in which case the channel is designed as an annular channel between the support and the support tube. In this way, the dead weight of the aircraft can be further reduced.
  • the spray nozzle support tube can advantageously also be rotatably suspended on the traction drive support.
  • the spray nozzle support tube is preferably located under or beside the traction drive support, suitably parallel to it and surrounding the duct.
  • the spray nozzle holder can be attached to the hull either above or below the container.
  • the preferred attachment of the spray nozzle carrier between the top of the fuselage and the main rotor has the advantage that the downwash of the rotor blades mixes the substance emerging from the spray nozzles better with the air and the resulting spray mist is directed more downwards floor presses.
  • a ground-penetrating radar can be mounted on the underside of the fuselage, protected from the spray by the aircraft fuselage, without interference from the spray nozzle mount.
  • the unmanned aerial vehicle has at least two interchangeable containers for receiving at least one free-flowing substance to be sprayed during the flight.
  • the canisters Due to the interchangeability of the canisters, it is possible to quickly replace empty canisters with full canisters, thereby reducing the duration of non-spraying dead time. In addition, it is possible to spray different substances as needed by attaching the container with the desired substance to the aircraft. In this way, when changing a substance, contamination as a result of incomplete emptying of a container can also be avoided. Overall, the amount of time and work required to fill the containers is significantly reduced. In addition, chemical spillage on the floor can be safely avoided.
  • the mixer can also be a feed pump, which feeds the substances to the spray nozzles, because in many types of pump, sufficient mixing occurs automatically through turbulence.
  • the aircraft is equipped with devices for contactless electromagnetic identification of the container or containers.
  • the devices advantageously include at least one energyless near-field transponder or RFID chip with a data memory on the or each container and at least one reader attached to the aircraft. Information about the type of substance, its composition and concentration, manufacturer, time of manufacture, lot number and delivery address is stored in the data memory.
  • the reader generates a high-frequency electromagnetic alternating field in order to automatically and contact-free read the stored data when each container is attached using the transponder or the antenna of the RFID chip, and then transmits the data to a controller of the aircraft.
  • the controller uses the data to determine whether the flowable substances only need to be sprayed or whether they need to be mixed beforehand, and in the latter case with what mixing ratio. In the former case only the controllable valve of one container needs to be opened, while in the latter case the controllable valves of several containers are opened simultaneously.
  • the data read electromagnetically from the data storage of the near-field transponders or RFID chips also makes it possible to check before or during the flight whether the free-flowing substances may be sprayed in a specific application area.
  • the data read out together with the control of the valves, preferably continuously controllable flow valves allow the amount, composition and/or concentration of the free-flowing substances to be sprayed to be adapted to the current requirement during the flight and/or to adapt to geographical specifications. For example, areas previously identified as having increased pest infestations or fertilizer needs may have more pesticides or fertilizer sprayed than other areas.
  • the controller compares the current position data of the aircraft determined by a GPS system with stored position data from areas in which certain substances may not be sprayed or in which the need or the geographical specifications are stored.
  • the exchangeable containers are preferably attached to the outside of the aircraft by means of a locking mechanism, so that they are easily accessible and can be changed quickly and easily.
  • the latching mechanism is usefully similar to that of ink or toner containers in printers, where the container is clicked or latched into a receptacle and a lever or push button is operated to release the container or latching mechanism.
  • an outlet at the lower end of the container is advantageously connected in a liquid-tight manner to the inlet side of the associated controllable valve.
  • FIGS. 2a, 2b and 2c show cross-sectional views of a spray nozzle carrier of the aircraft with an actuator for rotating the spray nozzles about a longitudinal axis of the spray nozzle carrier in different rotational positions of the spray nozzles;
  • FIG. 3 shows a developed view of four interchangeable containers carried by the aircraft and their connection to the spray nozzles.
  • the unmanned aircraft 10 according to the invention shown in the drawing is for use in agriculture for spreading liquid fertilizer,
  • Pesticides, herbicides or other liquid or powdery substances determined and has to a spray device 12, with which the substances can be sprayed in the form of a spray.
  • the aircraft 10 is a small gyrocopter or autogyro with a payload of approximately 50 to 100 kg, which is equipped with the spray device 12 .
  • the aircraft 10 comprises a fuselage 14, a main rotor 16 which is arranged above the fuselage 14 and has two large rotor blades 18 which can be rotated about a generally vertical rotor axis of rotation 20, an electric rotor drive and a battery which serves to supply power both are not visible inside the fuselage 14, several interchangeable interchangeable containers 22a, 22b, 22c, 22d for holding the substances to be sprayed, an elongated spray nozzle carrier 24 protruding on opposite sides and transverse to the direction of flight over the fuselage 14, which is in its center on the fuselage 14, carries a plurality of spray nozzles 26, of which only four are shown for the sake of simplicity, and is provided at its two opposite free ends each with a propeller 28 together with an electric traction drive 30, as well as landing skids 32 and a ground radar 34, both below of the fuselage 14 are arranged.
  • the fuselage 14 also contains a control unit 15 for controlling the aircraft 10 and the spray device 12, and an inclination sensor or other sensor (not shown) for determining an angle of attack of the aircraft 10 with respect to a horizontal flight plane.
  • the control unit 15 includes an autopilot in addition to a GPS system that records the current position data of the aircraft 10 and transmits it to the autopilot.
  • the control unit 15 also includes a map system in which the areas to be sprayed can be marked by the pilot.
  • the main rotor 16 is driven by the rotor drive via a drive shaft 36, the upper end of which is provided with a swash plate 38 and a rotor head 40 to which the inner ends of the rotor blades 18 diametrically opposed with respect to the drive shaft 36 are fixed in a known manner.
  • control unit 15 in cooperation with a remote control carried on the ground, can determine, among other things, the speed and/or the torque of the rotor drive of the main rotor 16 as well as the speed and/or the torque of the two propeller traction drives 30, the The angle of inclination of the two rotor blades 18 of the main rotor 16, the angle of attack of the two propeller blades 42 of the propeller 28, and a number of other parameters can be controlled in order to change the flight parameters of the aircraft 10, such as flight speed, flight direction, climb or sink.
  • the interchangeable containers 22a, 22b, 22c, 22d of the aircraft 10 are four disposable plastic containers that are attached next to each other in an easily accessible and quickly detachable manner on the outside of the fuselage 14 and are evenly distributed around the fuselage 14 ) are each fixed in a snap-in receptacle of the body 14, so that emptied containers 22 can be quickly exchanged for pre-filled full containers 22.
  • each container 22 has an outlet port 23 at its lower end with a one-way valve sealed prior to use and contains a substance to be sprayed which has already been filled into the container 22 prior to spray use and conveniently at the factory is, so that only the container 22 with the substance with the body 14 needs to be locked before spraying use.
  • Each container 22 is provided with an RFID chip 27, in whose data memory information about the substance contained, such as its type, composition, concentration, manufacturer, date of manufacture, lot number and delivery address is stored.
  • An RFID reader 29 is attached to the underside of the fuselage 14 and is used for contactless reading and transmission of the data to the control unit 15 of the aircraft 10 .
  • each receptacle 25 is connected to a mixer 35 and a spray pump 37 via a flow rate valve 33 connected to the controller 15 .
  • the mixer 35 can be activated by the control unit 15 in order to mix the substances supplied from the containers 22 before they are pumped by the spray pump 37 through the spray nozzle carrier 24 to the spray nozzles 26 .
  • the spray nozzle carrier 24 consists of two halves 44 which protrude across opposite sides of the fuselage 14 transversely to the direction of flight of the aircraft 10 .
  • the longitudinal axes 46 of the two halves 44 may be aligned with one another or, alternatively, may enclose an angle of approximately 160 to 175 degrees with one another in a horizontal plane, as illustrated in FIG. 1 .
  • each of the two halves 44 of the spray nozzle carrier 24 consists essentially of an elongated inner traction drive support tube 48 and an outer spray nozzle support tube which is rotatable about the longitudinal axis 46 with respect to the traction drive support tube 48 50
  • each traction drive support tube 48 The adjacent inner ends of the traction drive support tubes 48 overhanging the hull 14 above the containers 22 are rigid with the hull 14 connected.
  • the traction drive 30 of one of the propellers 28 is mounted such that the two propeller axes of rotation 52 and the longitudinal axes 46 of the two halves 44 of the spray nozzle support 24 are in a plane perpendicular to the rotor axis of rotation 20 of the main rotor 16 and generally horizontal span, wherein the longitudinal axes 46 of the two halves 44 of the spray nozzle support 24 intersect with the axis of rotation 20 of the rotor.
  • the electric traction drives 30 are powered by cables 54 which run from the battery through the body 14 and the hollow interior of each traction drive support tube 48 to the respective traction drive 30 .
  • each spray nozzle support tube 50 delimits with the cylindrical outer peripheral surface 58 of the associated traction drive support tube 48 an annular gap 60 through which the spray pump 35 (Fig. 3) mounted in or on the fuselage 14 delivers the flowable substance or substances to be sprayed from the reservoirs 22 to the downwardly facing spray nozzles 26 which are fixedly attached to the spray nozzle support tube 50.
  • Each of the two spray nozzle support tubes 50 has half of the spray nozzles 26 mounted equidistantly from each other, with the outermost spray nozzle 26 positioned near the traction drive 30 and the innermost spray nozzle 26 positioned near the fuselage 14.
  • the two spray nozzle support tubes 50 are pushed onto the respective traction drive support tube 48 from the outside before the two traction drives 30 are installed. At least two plain bearings (not shown) are arranged between the support tubes 48, 50 and ensure that the tubes 48, 50 are arranged concentrically. The outer ends of the spray nozzle support tube 50 are each closed so that no substance to be sprayed can escape there. Between the adjacent inner ends of the two halves 44 of the spray nozzle A fitting (not shown) is located on support tubes 50, which connects the inner ends of the annular gaps 60 to a supply line (not shown) leading to the spray medium pump.
  • an actuator 62 which can rotate the two spray nozzle support tubes 50 together on the traction drive support tubes 48 about the longitudinal axes 46 of the two halves 44 of the spray nozzle support 24.
  • the actuator 62 acts on an actuating lever 64 which is non-rotatably connected to the inner ends of the two spray nozzle support tubes 50 .
  • the actuator 62 interacts with the control unit 15 in order to always direct the spray nozzles 26 vertically downwards, regardless of a possible angle of attack of the aircraft 10 in forward or reverse flight.
  • the two spray nozzle support tubes 50 are rotated by the actuator 62 through an angle of rotation ⁇ , which corresponds to the current angle of attack of the aircraft 10 in relation to a horizontal plane.
  • This angle of attack a is measured using the inclination sensor or other sensor, which includes, for example, an electromagnetically or mechanically suspended pendulum body whose deflection is measured electronically, inductively, capacitively or optically, or which is designed as a microelectromechanical sensor.
  • the angle of attack a can alternatively be determined from the difference in the measured values of two level sensors, one of which is arranged in the container 22 near the front and near the rear end of the aircraft 10 and which show identical readings when the aircraft 10 is level and the angle of attack ⁇ is 0 degrees, as shown in Figure 2a.
  • the aircraft 10 inclines forward and upwards, for example in forward flight, as shown by way of example in FIG. 2b for an angle of attack a of 10 degrees, the measured value of the rear level sensor increases, while the measured value of the front level sensor decreases.
  • the angle of attack a can be derived from the difference in the measured values.
  • the actuator 62 rotates the two spray nozzle support tubes 50 clockwise relative to the traction drive support tube 48 by the angle of attack ⁇ so that the spray nozzles 26 continue to point vertically downward.
  • the actuator 62 rotates the two spray nozzle support tubes 50 counterclockwise in relation to the traction drive support tube 48 Angle of attack a, so that the spray nozzles 26 continue to point vertically downwards.
  • the spray nozzles 26 are each equipped with high-speed valves 66 which are connected to an electric valve control integrated in the control unit 15 by means of electric conductors 70 running through the annular gap 60 .
  • valve control integrated in the control unit 15 by means of electric conductors 70 running through the annular gap 60 .
  • the open or closed state of the valves 66 can be controlled as a function of the position of the unmanned aircraft 10 and a desired spray pattern and possibly other parameters.
  • the data or information stored in the RFID chips 27 is automatically read out by the RFID reader 29 and transmitted to the control unit 15 .
  • the latter uses the data to check whether the substances in the containers 22 only have to be sprayed or mixed beforehand, and if so, with what mixing ratio.
  • the controller 15 is connected via a wireless network connection to an official aviation management system on the ground, from which the controller 15 requests clearance to fly before takeoff.
  • the data on the substances to be sprayed and the data on the pilot of the aircraft 10 are also transmitted to marked areas to be sprayed.
  • the aviation management system checks the pilot's authorization and the admissibility of using the transmitted substances at the take-off site of the aircraft 10 and on the marked areas by comparing the position data of the areas to be sprayed and the data of the substances to be sprayed with corresponding data in its own map system that specifies exactly where which substances may be used or sprayed. If so, the flight clearance is given. If not, the activation of the autopilot is blocked by the aviation management system, so that the aircraft 10 cannot be put into operation.
  • control unit 15 can adjust the quantity, composition and/or concentration of the substances to be sprayed during the flight to the current need and/or to geographical specifications by comparing the current position data determined by the GPS system with position data from marked areas, in which, for example, an increased need for pesticides or fertilizers is stored, and then controls the flow rate valves 33 accordingly.
  • the authorities can also track where which substances have been sprayed, so that the causes can be investigated in the event of problems.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein unbemanntes Fluggerät (10) mit einem Rumpf (14), mindestens einem Hauptrotor (16) mit einem Rotorantrieb und einer allgemein vertikalen Rotordrehachse (20), mindestens einem Behälter (22) zur Aufnahme einer während des Flugs zu versprühenden fließfähigen Substanz, sowie einem langgestreckten, allgemein horizontal und quer zur Flugrichtung ausgerichteten Sprühdüsenträger (24), der eine Mehrzahl von Sprühdüsen (26) zum Versprühen der fließfähigen Substanz trägt. Um es zu ermöglichen, das Verhältnis von Nutzlast zu Eigengewicht zu vergrößern, trägt erfindungsgemäß der Sprühdüsenträger (24) mindestens einen Propeller (28), der im Betrieb des Hauptrotors (16) ein Drehmoment um die Rotordrehachse (20) des Hauptrotors (16) erzeugt.

Description

Unbemanntes Fluggerät für landwirtschaftliche Sprüh-Einsätze mit hohem Nutzlast-
Eigengewicht-Verhältnis
Die Erfindung betrifft ein unbemanntes Fluggerät, insbesondere zum Versprühen von Chemikalien, wie Pestiziden oder Herbiziden, in der Landwirtschaft, mit einem Rumpf, mindestens einem Hauptrotor mit einem Drehantrieb und einer allgemein vertikalen Rotordrehachse, mindestens einem Behälter zur Aufnahme einer während des Flugs zu versprühenden fließfähigen Substanz, sowie einem langgestreckten, allgemein horizontal und quer zur Flugrichtung ausgerichteten Sprühdüsenträger, der eine Mehrzahl von Sprühdüsen zum Versprühen der fließfähigen Substanz trägt.
Der Einsatz von unbemannten Fluggeräten zum Versprühen von flüssigen oder fließfähigen pulverförmigen Substanzen in der Landwirtschaft, wie Pestiziden, Herbiziden oder anderen Chemikalien, ist weit verbreitet. Dabei werden nicht nur unbemannte Starrflügelflugzeuge eingesetzt, sondern in den letzten Jahren auch unbemannte Hubschrauber oder Helikopter. Zum Manövrieren und Fliegen besitzen diese einen Hauptrotor mit einer allgemein vertikalen Rotordrehachse sowie einen Heckrotor mit einer allgemein horizontalen Rotordrehachse, der im Betrieb des Hauptrotors ein Drehmoment um die Rotordrehachse erzeugt. Zum Versprühen der Chemikalien sind sie gewöhnlich mit einem Behälter zur Aufnahme der fließfähigen Substanzen und einem an der Unterseite des Fluggeräts angeordneten langgestreckten Sprühdüsenträger mit Sprühdüsen versehen, denen die Substanzen von mindestens einer Pumpe über Schlauchleitungen oder durch das Innere des hohlen Sprühdüsenträgers zugeführt werden. Solche unbemannten Hubschrauber bzw. Helikopter sind beispielsweise in der JP 2012153169 A, JP 20091666689 A, JPH 08163946 A, TWM 564003 U, CN 207826563 U und CN 106697292 A offenbart.
Bei vielen dieser unbemannten Fluggeräte ist das Verhältnis von Nutzlast zu Eigengewicht verhältnismäßig gering. Insbesondere müssen ferngesteuerte Fluggeräte mit elektrischem Rotorantrieb eine Batterie mitführen, deren Eigengewicht umso größer ist, je weiter das Fluggerät ohne Aufladung der Batterie fliegen soll. Außerdem trägt bei Helikoptern auch das mit einem Leitwerk und einem Heckrotor versehene Heck erheblich zum Eigengewicht und damit zu dem geringen Verhältnis von Nutzlast zu Eigengewicht bei.
Ein geringes Verhältnis von Nutzlast zu Eigengewicht führt wiederum zu einem hohen Energieverbrauch, was nicht nur die Kosten der Sprüheinsätze erhöht, sondern auch die Häufigkeit oder Dauer der Totzeiten, die bei unbemannten Fluggeräten mit elektrischem Rotorantrieb für das Austauschen oder Aufladen der Batterie erforderlich sind. Durch Vergrößerung der Batterie kann die Häufigkeit oder Dauer der Totzeiten nicht reduziert werden, da eine schwerere Batterie das Verhältnis von Nutzlast zu Eigengewicht nach unten drückt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein unbemanntes Fluggerät der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Verhältnis von Nutzlast zu Eigengewicht vergrößert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Sprühdüsenträger mindestens einen Propeller trägt, der im Betrieb des Hauptrotors ein Drehmoment um die Rotordrehachse des Hauptrotors erzeugt.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den langgestreckten Sprühdüsenträger zusätzlich als Träger für mindestens einen Propeller zu nutzen, der angetrieben werden kann, um das zum Ausgleich des Drehmoments des Hauptrotors dienende Drehmoment zu erzeugen. Der mindestens eine Propeller übernimmt somit die Aufgabe des Heckrotors, so dass auf ein entgegen der Flugrichtung über den Rumpf überstehendes Heck verzichtet werden kann. Damit geht wiederum eine nicht unerhebliche Gewichtseinsparung ohne eine Reduzierung der Tragkraft und damit der Nutzlast einher. Im Vergleich zu einem Helikopter hat das erfindungsgemäße unbemannten Fluggerät noch einen weiteren erheblichen Vorteil: Es kann in Richtung der Propellerdrehachse nicht nur vorwärts sondern auch rückwärts fliegen, indem die Drehrichtung des mindestens einen Propellers umgekehrt oder dessen Anstellwinkel um etwas mehr als 180 Grad entsprechend verändert wird.
Da der Sprühdüsenträger im Gegensatz zum Heck eines Helikopters quer zur Flugrichtung ausgerichtet ist, kann der Propeller vorteilhafterweise nicht nur zum Ausgleich des vom Hauptrotor erzeugten Drehmoments genutzt werden, sondern auch dazu, allein oder in Verbindung mit dem Hauptrotor den Schub des Fluggeräts im Flug zu liefern.
Bei unbemannten Fluggeräten zum Versprühen von Chemikalien hat eine Konstruktion ohne Heck und Heckrotor darüber hinaus den großen Vorteil, dass der hinter den Sprühdüsen vom Hauptrotor nach unten gedrückte und in Richtung Boden sinkende Sprühnebel nicht in horizontaler Richtung verwirbelt wird und dadurch viel gleichmäßiger ausgebracht werden kann als von einem Helikopter mit Heckrotor.
Ein noch weiterer Vorteil besteht darin, dass der Hauptrotor den Sprühnebel nach unten beschleunigt und sich zwei ineinander gedrehte Wirbelschleppen bilden, die für eine optimale Verteilung des Sprühnebels auf dem Boden sorgen.
Darüber hinaus lässt durch Veränderung der Antriebsleistung des Hauptrotors und/oder des mindestens einen Propellers auch die Fluggeschwindigkeit des unbemannten Fluggeräts und somit die Breite des bei einem Überflug besprühten Bodenkorridors sowie die pro Flächeneinheit auf dem Boden auftreffende Menge der versprühten Substanz verändern.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Hauptrotor und der mindestens eine Propellers jeweils mittels separater elektrischer Antriebe angetrieben werden. Der Traktionsantrieb des mindestens einen Propellers wird bevorzugt ebenfalls vom langgestreckten Sprühdüsenträger getragen und ist in Verlängerung der Propellerdrehachse angeordnet. Auf diese Weise kann anders als bei üblichen Helikoptern auf einen zum Propeller führenden Antriebsstrang verzichtet und stattdessen die Energie zum Antreiben des Traktionsantriebs des mindestens einen Propellers durch Kabel entlang des Sprühdüsenträgers übertragen werden. Auch dies führt zu einer Gewichtseinsparung.
Um mit einer möglichst geringen Propeller-Antriebsleistung ein möglichst großes Drehmoment zum Ausgleich des vom Hauptrotor erzeugten Drehmoments zu erzeugen, spannen die Längsachse des Sprühdüsenträgers und die Propellerdrehachse vorteilhaft eine Ebene auf, die horizontal ausgerichtet ist, wenn sich das Fluggerät im horizontalen Schwebeflug befindet. Dadurch, dass die Ausrichtung der Drehachse des mindestens einen Propellers in Bezug zum Rumpf und zum Sprühdüsenträger gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung starr ist, d.h. nicht verstellbar, kann die Konstruktion des Fluggeräts vereinfacht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann das unbemannte Fluggerät ein Tragschrauber oder Gyrocopter sein, bei dem der mindestens eine Propeller den für die Vorwärtsbewegung notwendigen Schub allein erzeugen kann. In diesem Fall strömt bei der Vorwärtsbewegung des Fluggeräts Luft von unten her durch den Hauptrotor, wodurch dieser in Autorotation versetzt und ein ausreichender Auftrieb erzeugt wird, um das Fluggerät in der Luft zu halten oder sogar in den Steigflug zu bringen.
Um für eine gleichmäßige Lastverteilung zu sorgen, weist das Fluggerät vorteilhaft zwei Propeller auf, die beiderseits von einem Rumpf des Fluggeräts am Sprühdüsenträger angebracht sind. Bevorzugt sind die beiden Propeller jeweils an oder nahe von einem der beiden freien Enden des Sprühdüsenträgers montiert, der nach entgegengesetzten Seiten über den Rumpf des Fluggeräts übersteht.
Im Vergleich zu einem einzigen Propeller liefern die beiden Propeller mehr Schub und ermöglichen damit eine höhere Fluggeschwindigkeit. Wenn das Fluggerät ein Gyrocopter oder Tragschrauber ist, ermöglicht dies zudem eine Steigerung des durch eine Autorotation des Hauptrotors erzielten Auftriebs.
Da sich außerdem das Fluggerät mit zwei oder mehr Propellern im Flug auch ohne ein Seitenleitwerk steuern lässt und auch ein Höhenleitwerk nicht benötigt wird, weil sich der Steigflug oder Sinkflug durch Veränderung der Antriebsleistung des Hauptrotors bzw. der Propeller steuern lässt, besteht auch aus diesem Grund keine Notwendigkeit, das Fluggerät mit einem Seitenleitwerk und/oder Höhenleitwerk bzw. einem als Träger für ein solches Leitwerk dienenden, in Flugrichtung oder entgegen der Flugrichtung über den Rumpf überstehenden Heck zu versehen.
Um die Breite des bei einem einzigen Überflug besprühten Korridors möglichst groß zu machen, steht der Sprühdüsenträger zweckmäßig um mehr als das Doppelte, bevorzugt um mehr als das Fünffache und am besten zwischen dem Fünf- und Zehnfachen der Rumpfbreite nach beiden Seiten über den Rumpf über. Je größer der Überstand des Sprühdüsenträgers über den Rumpf ist, umso geringer ist die zum Drehmomentausgleich erforderliche Leistung der Propeller und umso höher die Energieeffizienz. Auch können die Baugröße und das Gewicht der Traktionsantriebe der Propeller sowie die Größe der Propellerflügel reduziert werden. Der Sprühdüsenträger trägt mindestens vier, bevorzugt mehr, in Abständen angeordnete Sprühdüsen, von denen jeweils die Hälfte auf beiden Seiten des Rumpfs angeordnet ist. Bevorzugt ist der Abstand benachbarter Sprühdüsen jeweils gleich.
Durch den Auftrieb des Hauptrotors stellt sich das Fluggerät im Vorwärts- oder Rückwärtsflug in der jeweiligen Flugrichtung etwas an, so dass die Längsachse des Rumpfs und damit auch die Propellerdrehachsen in Bezug zu einer horizontalen Ebene in Flugrichtung leicht nach oben geneigt sind. Dies hätte ohne Gegenmaßnahmen zur Folge, dass die Hauptsprührichtung der Sprühdüsen nicht mehr vertikal nach unten ausgerichtet wäre, sondern schräg nach hinten und unten, was die Verteilung des Sprühnebels ungünstig beeinflussen würde. Aus diesem Grund ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Sprühdüsen mittels eines Stellantriebs um eine Längsachse des Sprühdüsenträgers drehbar sind. Auf diese Weise können die Sprühdüsen je nach Anstellwinkel des Rumpfs entsprechend gedreht werden, so dass sie stets vertikal nach unten weisen.
In diesem Fall umfasst der Sprühdüsenträger vorteilhafterweise einen Traktionsantrieb-Träger, der den mindestens einen Propeller nebst Traktionsantrieb trägt, und ein Sprühdüsen-Trägerrohr, das mittels des Stellantriebs in Bezug zum Traktionsantrieb-Träger drehbar ist.
Der Traktionsantrieb-Träger steht nach beiden Seiten über den Rumpf über und ist fest mit dem Rumpf verbunden, während das Sprühdüsen-Trägerrohr in Bezug zum Traktionsantrieb-Träger um dessen Längsachse drehbar ist und einen Kanal zur Zufuhr der zu versprühenden Substanz zu den Sprühdüsen begrenzt.
Dabei kann das Sprühdüsen-Trägerrohr den Traktionsantrieb-Träger umgeben, vorzugsweise koaxial, wobei in diesem Fall der Kanal als Ringkanal zwischen Träger und Trägerrohr ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das Eigengewicht des Fluggeräts weiter reduziert werden.
Um den Austausch des Sprühdüsen-Trägerrohrs und/oder die Reinigung der Sprühdüsen zu erleichtern, kann das Sprühdüsen-Trägerrohr vorteilhaft auch drehbar am Traktionsantrieb-Träger aufgehängt sein. In diesem Fall befindet sich das Sprühdüsen-Trägerrohr bevorzugt unter oder neben dem Traktionsantrieb- Träger, wobei es zweckmäßig parallel zu diesem verläuft und den Kanal umgibt.
Der Sprühdüsenträger kann wahlweise oberhalb oder unterhalb des Behälters am Rumpf angebracht werden. Die bevorzugte Anbringung des Sprühdüsenträgers zwischen der Oberseite des Rumpfs und dem Hauptrotor hat den Vorteil, dass der Abwind der Rotorblätter die aus den Sprühdüsen austretende Substanz besser mit der Luft vermischt und den entstehenden Sprühnebel stärker nach unten in Richtung Boden drückt. Außerdem kann ohne Behinderung durch den Sprühdüsenträger an der Unterseite des Rumpfs ein Bodenradar angebracht werden, das durch den Rumpf des Fluggeräts vor dem Sprühnebel geschützt ist.
Wenn der Sprühdüsenträger an der Unterseite des Rumpfs montiert wird, hat dies hingegen den Vorteil, dass die zu versprühende Substanz nicht nach oben gepumpt werden braucht, um sie zu den Sprühdüsen zu fördern.
Da die zu versprühenden fließfähigen Substanzen, wie Pestizide und Düngemittel, häufig aus mehreren Komponenten bestehen und/ oder als Konzentrate angeliefert werden, die vor dem Versprühen am Boden aufwändig miteinander bzw. mit Wasser vermischt werden müssen, besteht eine weiter Aufgabe der Erfindung darin, den nötigen Zeit- und Arbeitsaufwand zwischen den Sprühvorgängen zu reduzieren. Zu diesem Zweck sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung und für sich selbst erfinderische Variante der Erfindung vor, dass das unbemannte Fluggerät mindestens zwei austauschbare Behälter zur Aufnahme von mindestens einer während des Flugs zu versprühenden fließfähigen Substanz aufweist.
Infolge der Austauschbarkeit der Behälter ist es möglich, entleerte Behälter schnell durch volle Behälter zu ersetzen, wodurch die Dauer der nicht zum Versprühen nutzbaren Totzeiten reduziert wird. Außerdem ist es möglich, nach Bedarf unterschiedliche Substanzen zu versprühen, indem jeweils der Behälter mit der gewünschten Substanz am Fluggerät angebracht wird. Auf diese Weise kann beim Wechsel einer Substanz auch eine Kontamination infolge einer unvollständigen Entleerung eines Behälters vermieden werden. Insgesamt wird der für das Befüllen der Behälter nötige Zeit- und Arbeitsaufwand erheblich reduziert. Außerdem kann ein Verschütten von Chemikalien am Boden sicher vermieden werden.
Infolge der Verwendung von mehreren Behältern ist es möglich, das Vermischen der Substanzen während des Flugs vorzunehmen, vorzugsweise indem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Erfindungsvariante jeweils ein steuerbares Ventil zwischen den Behältern und den Sprühdüsen sowie ein in Strömungsrichtung hinter den Ventilen angeordneter Mischer zum Vermischen von unterschiedlichen, aus den Behältern zu den Sprühdüsen geförderten fließfähigen Substanzen vorgesehen wird. Bei dem Mischer kann es sich grundsätzlich auch um eine Förderpumpe handeln, welche die Substanzen zu den Sprühdüsen fördert, weil es in vielen Pumpenbauarten durch Verwirbelung von selbst zu einer ausreichenden Vermischung kommt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Fluggerät mit Einrichtungen zur kontaktlosen elektromagnetischen Identifizierung des oder der Behälter ausgestattet. Die Einrichtungen umfassen vorteilhaft mindestens einen energielosen Nahfeld-Transponder oder RFID-Chip mit einem Datenspeicher an dem oder jedem Behälter und mindestens ein am Fluggerät angebrachtes Lesegerät. Im Datenspeicher sind jeweils Informationen über die Art der Substanz, deren Zusammensetzung und Konzentration, Hersteller, Zeitpunkt der Herstellung, Losnummer und Lieferadresse gespeichert. Das Lesegerät erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, um die gespeicherten Daten beim Anbringen jedes Behälters mittels des Transponders oder der Antenne des RFID- Chips selbsttätig und berührungslos auszulesen, und übermittelt die Daten dann an eine Steuerung des Fluggeräts. In der Steuerung wird anhand der Daten ermittelt, ob die fließfähigen Substanzen nur versprüht oder zuvor noch vermischt werden müssen, und im letzteren Fall mit welchem Mischungsverhältnis. Im ersteren Fall braucht nur das steuerbare Ventil von jeweils einem Behälter geöffnet werden, während im letzteren Fall die steuerbaren Ventile mehrerer Behälter gleichzeitig geöffnet werden.
Die elektromagnetisch aus den Datenspeichern der Nahfeld-Transponder oder RFID-Chips ausgelesenen Daten gestatten es zudem, vor oder während des Flugs zu prüfen, ob die fließfähigen Substanzen in einem bestimmten Einsatzgebiet versprüht werden dürfen. Außerdem gestatten es die ausgelesenen Daten zusammen mit der Steuerung der Ventile, bevorzugt stufenlos steuerbaren Durchflussventilen, die Menge, Zusammensetzung und/oder Konzentration der zu versprühenden fließfähigen Substanzen während des Flugs an den aktuellen Bedarf und/oder an geographische Vorgaben anzupassen. Zum Beispiel können in Bereichen, für die zuvor ein erhöhter Schädlingsbefall oder Düngemittelbedarf festgestellt worden ist, mehr Pestizide bzw. Düngemittel versprüht werden als in anderen Bereichen. Zu diesem Zweck vergleicht die Steuerung die von einem GPS- System ermittelten aktuellen Positionsdaten des Fluggeräts mit gespeicherten Positionsdaten von Gebieten, in denen bestimmte Substanzen nicht versprüht werden dürfen bzw. in denen der Bedarf bzw. die geographischen Vorgaben hinterlegt sind.
Vorzugsweise sind die austauschbaren Behälter mittels eines Rastmechanismus an der Außenseite des Fluggeräts angebracht, so dass sie gut zugänglich sind und schnell und einfach gewechselt werden können. Der Rastmechanismus ähnelt zweckmäßig demjenigen von Tinten- oder Tonerbehältern in Druckern, wo der Behälter in eine Aufnahme eingeklickt oder eingerastet und zum Lösen des Behälters bzw. des Rastmechanismus ein Hebel oder Drucktaster betätigt wird. Vorteilhaft wird beim Einrasten des Behälters ein Auslass am unteren Ende des Behälters flüssigkeitsdicht mit der Einlassseite des zugehörigen steuerbaren Ventils verbunden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einigen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen unbemannten Fluggeräts für landwirtschaftliche Sprüh-Einsätze; die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen Querschnittsansichten eines Sprühdüsenträgers des Fluggeräts mit einem Stellantrieb zum Drehen der Sprühdüsen um eine Längsachse des Sprühdüsenträgers in verschiedenen Drehstellungen der Sprühdüsen;
Fig. 3 zeigt eine Abwicklungsdarstellung von vier vom Fluggerät mitgeführten austauschbaren Wechsel-Behältern und deren Verbindung mit den Sprühdüsen. Das in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße unbemannte Fluggerät 10 ist zum Einsatz in der Landwirtschaft zum Ausbringen von flüssigem Dünger,
Pestiziden, Herbiziden oder anderen flüssigen oder pulverförmigen Substanzen bestimmt und besitzt dazu eine Sprühvorrichtung 12, mit der sich die Substanzen in Form eines Sprühnebels versprühen lassen.
Bei dem Fluggerät 10 handelt es sich um einen kleinen Gyrocopter oder Tragschrauber mit einer Nutzlast von etwa 50 bis 100 kg, der mit der Sprühvorrichtung 12 ausgestattet ist.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst das Fluggerät 10 einen Rumpf 14, einen oberhalb des Rumpfs 14 angeordneten Hauptrotor 16 mit zwei großen Rotorblättern 18, die um eine allgemein vertikale Rotordrehachse 20 drehbar sind, einen elektrischen Rotorantrieb und einen zur Stromversorgung dienenden Akku, die beide nicht sichtbar innerhalb des Rumpfs 14 angeordnet sind, mehreren austauschbaren Wechselbehältern 22a, 22b, 22c, 22d zur Aufnahme der zu versprühenden Substanzen, einen nach entgegengesetzten Seiten und quer zur Flugrichtung über den Rumpf 14 überstehenden langgestreckten Sprühdüsenträger 24, der in seiner Mitte am Rumpf 14 befestigt ist, eine Mehrzahl von Sprühdüsen 26 trägt, von denen zur Vereinfachung nur vier dargestellt sind, und an seinen beiden entgegengesetzten freien Enden mit jeweils einem Propeller 28 nebst elektrischem Traktionsantrieb 30 versehen ist, sowie Landekufen 32 und ein Bodenradar 34, die beide unterhalb des Rumpfs 14 angeordnet sind.
Der Rumpf 14 enthält weiter ein Steuergerät 15 zum Steuern des Fluggeräts 10 und der Sprühvorrichtung 12, sowie einen Neigungssensor oder anderen Sensor (nicht dargestellt) zur Bestimmung eines Anstellwinkels des Fluggeräts 10 gegenüber einer horizontalen Flugebene. Das Steuergerät 15 umfasst einen Autopiloten nebst einem GPS-System, das die aktuellen Positionsdaten des Fluggeräts 10 erfasst und an den Autopiloten übermittelt. Das Steuergerät 15 umfasst weiter ein Kartensystem, in dem die zu besprühenden Flächen vom Piloten markiert werden können. Der Hauptrotor 16 wird vom Rotorantrieb über eine Antriebswelle 36 angetrieben, deren oberes Ende mit einer Taumelscheibe 38 und einem Rotorkopf 40 versehen ist, an dem die inneren Enden der in Bezug zur Antriebswelle 36 diametral gegenüberliegenden Rotorblätter 18 in bekannter Weise befestigt sind.
Zum Steuern des Fluggeräts 10 und der Sprühvorrichtung 12 können vom Steuergerät 15 im Zusammenwirken mit einer am Boden mitgeführten Fernsteuerung u.a. die Drehzahl und/oder das Drehmoment des Rotorantriebs des Hauptrotors 16 sowie die Drehzahl und/oder das Drehmoment der beiden Propeller- Traktionsantriebe 30, die Neigungswinkel der beiden Rotorblätter 18 des Hauptrotors 16, die Anstellwinkel der beiden Propellerflügel 42 der Propeller 28, sowie eine Reihe von weiteren Parametern gesteuert werden, um damit Flugparameter des Fluggeräts 10, wie Fluggeschwindigkeit, Flugrichtung, Steigen oder Sinken, zu verändern.
Bei den Wechselbehältern 22a, 22b, 22c, 22d des Fluggeräts 10 handelt es sich um vier nebeneinander leicht zugänglich und schnell lösbar an der Außenseite des Rumpfs 14 angebrachte und gleichmäßig um den Rumpf 14 herum verteilte Kunststoff-Einwegbehälter, die mittels eines Rastmechanismus (nicht dargestellt) jeweils in einer Rastaufnahme des Rumpfs 14 befestigt sind, so dass entleerte Behälter 22 schnell gegen vorgefüllte volle Behälter 22 ausgetauscht werden können.
Wie am besten in Fig. 3 dargestellt, besitzt jeder Behälter 22 an seinem unteren Ende einen Auslassstutzen 23 mit einem vor dem Gebrauch versiegelten Einwegventil und enthält eine zu versprühende Substanz, die bereits vor dem Sprüh- Einsatz und zweckmäßig beim Hersteller in den Behälter 22 gefüllt wird, so dass vor dem Sprüh-Einsatz nur der Behälter 22 mit der Substanz mit dem Rumpf 14 verrastet werden braucht. Jeder Behälter 22 ist mit einem RFID-Chip 27 versehen, in dessen Datenspeicher Informationen über die enthaltene Substanz, wie z.B. deren Art, Zusammensetzung, Konzentration, Hersteller, Herstellungsdatum, Losnummer und Lieferadresse gespeichert sind. An der Unterseite des Rumpfs 14 ist ein RFID-Lesegerät 29 angebracht, das zum kontaktlosen Auslesen und Übermitteln der Daten an das Steuergerät 15 des Fluggeräts 10 dient.
Wie in Fig. 3 dargestellt, werden beim Anbringen der Behälter 22 die konischen Enden der Auslassstutzen 23 der Behälter 22 in konische Aufnahmen 25 einer unterhalb von den Behältern 22 an der Außenseite des Rumpfs 14 angeordneten Sammelleitung 31 gesteckt und beim Befestigen der Behälter 22 flüssigkeitsdicht mit den Aufnahmen 25 verbunden. Jede Aufnahme 25 ist über ein mit dem Steuergerät 15 verbundenes Durchflussmengenventil 33 mit einem Mischer 35 und einer Sprühmittelpumpe 37 verbunden. Der Mischer 35 kann bei Bedarf vom Steuergerät 15 aktiviert werden, um die aus den Behältern 22 zugeführten Substanzen zu vermischen, bevor sie von der Sprühmittelpumpe 37 durch den Sprühdüsenträger 24 zu den Sprühdüsen 26 gepumpt werden.
Der Sprühdüsenträger 24 besteht aus zwei Hälften 44, die quer zur Flugrichtung des Fluggeräts 10 über entgegengesetzte Seiten des Rumpfs 14 überstehen. Die Längsachsen 46 der beiden Hälften 44 können miteinander fluchten oder können alternativ in einer horizontalen Ebene einen Winkel von etwa 160 bis 175 Grad miteinander einschließen, wie in Fig. 1 dargestellt.
Wie am besten in den Figuren 2a, 2b und 2c dargestellt, besteht jede der beiden Hälften 44 des Sprühdüsenträgers 24 im Wesentlichen aus einem langgestreckten inneren Traktionsantrieb-Trägerrohr 48 und einem in Bezug zum Traktionsantrieb- Trägerrohr 48 um die Längsachse 46 drehbaren äußeren Sprühdüsen-Trägerrohr 50.
Die benachbarten inneren Enden der oberhalb von den Behältern 22 über den Rumpf 14 überstehenden Traktionsantrieb-Trägerrohre 48 sind starr mit dem Rumpf 14 verbunden. Am entgegengesetzten äußeren Ende von jedem Traktionsantrieb- Trägerrohr 48 ist der Traktionsantrieb 30 von einem der Propeller 28 derart montiert, dass die beiden Propellerdrehachsen 52 und die Längsachsen 46 der beiden Hälften 44 des Sprühdüsenträgers 24 eine zur Rotordrehachse 20 des Hauptrotors 16 senkrechte und allgemein horizontale Ebene aufspannen, wobei sich die Längsachsen 46 der beiden Hälften 44 des Sprühdüsenträgers 24 mit der Rotordrehachse 20 schneiden.
Die Energieversorgung der elektrischen Traktionsantrieben 30 erfolgt durch Kabel 54, die vom Akku durch den Rumpf 14 und das hohle Innere jedes Traktionsantrieb- Trägerrohrs 48 hindurch bis zum jeweiligen Traktionsantrieb 30 verlaufen.
Die zylindrische innere Umfangsfläche 56 jedes Sprühdüsen-Trägerrohrs 50 begrenzt mit der zylindrischen äußeren Umfangsfläche 58 des zugehörigen Traktionsantrieb-Trägerrohrs 48 einen Ringspalt 60, durch den die im oder am Rumpf 14 montierte Sprühmittelpumpe 35 (Fig. 3) die zu versprühende fließfähige Substanz oder Substanzen aus den Behältern 22 zu den nach unten weisenden Sprühdüsen 26 pumpt, die unbeweglich am Sprühdüsen-Trägerrohr 50 befestigt sind.
An jedem der beiden Sprühdüsen-Trägerrohre 50 ist jeweils die Hälfte der Sprühdüsen 26 in gleichen Abständen voneinander angebracht, wobei die jeweils äußerste Sprühdüse 26 in der Nähe des Traktionsantriebs 30 und die innerste Sprühdüse 26 in der Nähe des Rumpfs 14 angeordnet ist.
Die beiden Sprühdüsen-Trägerrohre 50 werden vor der Montage der beiden Traktionsantrieben 30 von außen her auf das jeweilige Traktionsantrieb-Trägerrohr 48 aufgeschoben. Zwischen den Trägerrohren 48, 50 sind mindestens zwei Gleitlager (nicht dargestellt) angeordnet, die für eine konzentrische Anordnung der Rohre 48, 50 sorgen. Die äußeren Enden des Sprühdüsen-Trägerrohrs 50 sind jeweils geschlossen, so dass dort keine zu versprühende Substanz austreten kann. Zwischen den benachbarten inneren Enden der beiden Hälften 44 der Sprühdüsen- Trägerrohre 50 befindet sich eine Armatur (nicht dargestellt), welche die inneren Enden der Ringspalte 60 mit einer zur Sprühmittelpumpe führenden Versorgungsleitung (nicht dargestellt) verbindet.
Innerhalb des Rumpfs 14 und oberhalb von den Behältern 22 befindet sich ein Stellantrieb 62, der die beiden Sprühdüsen-Trägerrohre 50 gemeinsam auf den Traktionsantrieb-Trägerrohren 48 um die Längsachsen 46 der beiden Hälften 44 des Sprühdüsenträgers 24 drehen kann. Der Stellantrieb 62 wirkt auf einen Stellhebel 64 ein, der drehfest mit den inneren Enden der beiden Sprühdüsen-Trägerrohre 50 verbunden ist.
Der Stellantrieb 62 wirkt mit dem Steuergerät 15 zusammen, um die Sprühdüsen 26 unabhängig von einem eventuellen Anstellwinkel des Fluggeräts 10 im Vorwärtsoder Rückwärtsflug stets senkrecht nach unten zu richten. Mit anderen Worten werden die beiden Sprühdüsen-Trägerrohre 50 vom Stellantrieb 62 um einen Drehwinkel a gedreht, der dem momentanen Anstellwinkel des Fluggeräts 10 in Bezug zu einer horizontalen Ebene entspricht.
Dieser Anstellwinkel a wird mit Hilfe des Neigungssensors oder anderen Sensors gemessen, der beispielsweise einen elektromagnetisch oder mechanisch aufgehängten Pendelkörper umfasst, dessen Auslenkung elektronisch, induktiv, kapazitiv oder optisch gemessen wird, oder der als mikroelektromechanischer Sensor ausgebildet ist.
Dort, wo das Fluggerät 10 nur mit einem einzigen Behälter 22 ausgestattet ist, kann alternativ der Anstellwinkel a aus der Differenz der Messwerte zweier Füllstandsensoren ermittelt werden, von denen jeweils einer nahe dem vorderen bzw. nahe dem hinteren Ende des Fluggeräts 10 im Behälter 22 angeordnet ist, und die identische Messwerte anzeigen, wenn das Fluggerät 10 horizontal ausgerichtet ist und der Anstellwinkel a 0 Grad beträgt, wie in Fig. 2a dargestellt. Sobald sich das Fluggerät 10 z.B. im Vorwärtsflug nach vorne und oben neigt, wie in Fig. 2b für einen Anstellwinkel a von 10 Grad beispielhaft dargestellt, wird der Messwert des hinteren Füllstandsensors größer, während der Messwert des vorderen Füllstandsensors kleiner wird. Aus der Differenz der Messwerte kann der Anstellwinkel a abgeleitet werden.
Ungeachtet dessen, wie der Anstellwinkel a gemessen wird, dreht der Stellantrieb 62 die beiden Sprühdüsen-Trägerrohre 50 in Bezug zum Traktionsantrieb-Trägerrohr 48 im Uhrzeigersinn um den Anstellwinkel a, so dass die Sprühdüsen 26 weiterhin senkrecht nach unten weisen.
Sobald sich das Fluggerät 10 im Rückwärtsflug nach hinten und oben neigt, wie in Fig. 2c für einen Anstellwinkel a von 10 Grad beispielhaft dargestellt, dreht der Stellantrieb 62 die beiden Sprühdüsen-Trägerrohre 50 in Bezug zum Traktionsantrieb-Trägerrohr 48 entgegen dem Uhrzeigersinn um den Anstellwinkel a, so dass auch dann die Sprühdüsen 26 weiterhin senkrecht nach unten weisen.
Die Sprühdüsen 26 sind jeweils mit Hochgeschwindigkeitsventilen 66 ausgestattet, die mittels elektrischer, durch den Ringspalt 60 verlaufender Leiter 70 mit einer in das Steuergerät 15 integrierten elektrischen Ventilsteuerung verbunden sind. Mit Hilfe der Ventilsteuerung lässt sich der öffnungs- bzw. Schließzustand der Ventile 66 in Abhängigkeit von der Position des unbemannten Luftfahrzeugs 10 und einem gewünschten Sprühbild sowie ggf. weiteren Parametern steuern.
Vor dem Start des Fluggeräts 10 werden beim Anbringen der Behälter 22 die in den RFID-Chips 27 gespeicherten Daten oder Informationen vom RFID-Lesegerät 29 selbsttätig ausgelesen und an das Steuergerät 15 übermittelt. Das letztere prüft anhand der Daten, ob die Substanzen in den Behältern 22 nur versprüht oder vorher gemischt werden müssen, und wenn ja mit welchem Mischungsverhältnis. Das Steuergerät 15 ist über eine drahtlose Netzwerkverbindung mit einem behördlichen Luftfahrtmanagement-System am Boden verbunden, bei dem das Steuergerät 15 vor dem Start um eine Flugfreigabe ersucht. Neben den Positionsdaten der zuvor markierten zu besprühenden Flächen werden dazu auch die Daten der zu versprühenden Substanzen und die Daten des Piloten des Fluggeräts 10 übermittelt. Das Luftfahrtmanagement-System prüft die Berechtigung des Piloten und die Zulässigkeit der Verwendung der übermittelten Substanzen am Startplatz des Fluggeräts 10 und auf den markierten Flächen, indem es die Positionsdaten der zu besprühenden Flächen und die Daten der zu versprühenden Substanzen mit entsprechenden Daten in einem eigenen Kartensystem abgleicht, das genau vorgibt, wo welche Substanzen eingesetzt oder versprüht werden dürfen. Falls ja, erfolgt die Flugfreigabe. Falls nein, wird die Aktivierung des Autopiloten vom Luftfahrtmanagement-System blockiert, so dass das Fluggerät 10 nicht in Betrieb genommen werden kann.
Bei Bedarf kann das Steuergerät 15 die Menge, Zusammensetzung und/oder Konzentration der zu versprühenden Substanzen während des Flugs an den aktuellen Bedarf und/oder an geographische Vorgaben anpassen, indem es die vom GPS-System ermittelten aktuellen Positionsdaten mit Positionsdaten von markierten Flächen vergleicht, in denen zum Beispiel ein erhöhter Bedarf an Pestiziden oder Düngemitteln hinterlegt ist, und dann die Durchflussmengenventile 33 entsprechend steuert.
Mit Hilfe des Luftfahrtmanagement-Systems bzw. dessen Kartensystem kann zudem von Behördenseite nachverfolgt werden, wo welche Substanzen versprüht worden sind, um im Falle von Problemen den Ursachen nachgehen zu können.

Claims

Patentansprüche
1. Unbemanntes Fluggerät (10) mit einem Rumpf (14), mindestens einem Hauptrotor (16) mit einem Rotorantrieb und einer allgemein vertikalen Rotordrehachse (20), mindestens einem Behälter (22) zur Aufnahme von mindestens einer während des Flugs zu versprühenden fließfähigen Substanz, sowie einem langgestreckten, allgemein horizontal und quer zur Flugrichtung ausgerichteten Sprühdüsenträger (24), der eine Mehrzahl von Sprühdüsen (26) zum Versprühen der fließfähigen Substanz trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühdüsenträger (24) mindestens einen Propeller (28) trägt, der im Betrieb des Hauptrotors (16) ein Drehmoment um die Rotordrehachse (20) des Hauptrotors (16) erzeugt.
2. Unbemanntes Fluggerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (28) einen in Verlängerung einer Propellerdrehachse (52) am Sprühdüsenträger (24) montierten Traktionsantrieb (30) aufweist.
3. Unbemanntes Fluggerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerdrehachse (52) des mindestens einen Propellers (28) und die Längsachse (46) des Sprühdüsenträgers (24) eine allgemein horizontale Ebene aufspannen.
4. Unbemanntes Fluggerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb des Hauptrotors (16) und der Traktionsantrieb (30) des mindestens einen Propellers (28) separate elektrische Antriebe sind.
5. Unbemanntes Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühdüsenträger (24) nach entgegengesetzten Seiten über den Rumpf (14) übersteht und an jeder Seite des Rumpfs (14) einen Propeller (28) trägt.
6. Unbemanntes Fluggerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Propeller (28) an oder nahe bei den freien Enden des Sprühdüsenträgers (24) angeordnet sind.
7. Unbemanntes Fluggerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Fluggerät (10) durch Umkehr der Drehrichtung der beiden Propeller (28) und/oder Veränderung der Anstellwinkel ihrer Propellerflügel (42) wahlweise im Vorwärts- oder Rückwärtsflug fliegen lässt.
8. Unbemanntes Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühdüsen (26) mittels eines Stellantriebs (62) um die Längsachse (46) des Sprühdüsenträgers (24) drehbar sind.
9. Unbemanntes Fluggerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühdüsenträger (24) einen den Traktionsantrieb (30) tragenden Traktionsantrieb- Träger (48) und ein Sprühdüsen-Trägerrohr (50) umfasst, das mittels des Stellantriebs (62) um den Traktionsantrieb-Träger (48) drehbar ist.
10. Unbemanntes Fluggerät nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Traktionsantrieb-Träger (48) und dem Sprühdüsen-Trägerrohr (50) oder im Sprühdüsen-Trägerrohr (50) angeordneten Kanal (60) zur Zufuhr der zu versprühenden Substanz zu den Sprühdüsen (26).
11. Unbemanntes Fluggerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (62) in Abhängigkeit von einem Anstellwinkel (a) des Fluggeräts (10) im Vorwärts- und/oder Rückwärtsflug steuerbar oder regelbar ist.
12. Unbemanntes Fluggerät nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch einen Neigungssensor zur Ermittlung des Anstellwinkels (a) des Fluggeräts (10) im Vorwärts- und/oder Rückwärtsflug.
13. Unbemanntes Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in oder entgegen einer Flugrichtung des Fluggeräts (10) im Vorwärts- oder Rückwärtsflug kein Leitwerk über den Rumpf (14) übersteht.
14. Unbemanntes Fluggerät (10) mit einem Rumpf (14), mindestens einem Hauptrotor (16) mit einem Rotorantrieb und einer allgemein vertikalen Rotordrehachse (20), sowie einem langgestreckten, allgemein horizontal und quer zur Flugrichtung ausgerichteten Sprühdüsenträger (24), der eine Mehrzahl von Sprühdüsen (26) zum Versprühen einer fließfähigen Substanz trägt, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei austauschbare Behälter (22a, 22b, 22c, 22d) zur Aufnahme von mindestens einer während des Flugs zu versprühenden fließfähigen Substanz.
15. Unbemanntes Fluggerät (10) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch jeweils ein steuerbares Ventil (33) zwischen den mindestens zwei Behältern (22a, 22b, 22c, 22d) und den Sprühdüsen (26) sowie einen in Strömungsrichtung hinter den Ventilen (33) angeordneten Mischer (35) zum Vermischen von unterschiedlichen, aus den Behältern (22a, 22b, 22c, 22d) zu den Sprühdüsen (26) geförderten fließfähigen Substanzen.
16. Unbemanntes Fluggerät (10) nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch Einrichtungen (27, 29) zur kontaktlosen elektromagnetischen Identifizierung des oder der Behälter (22a, 22b, 22c, 22d).
17. Unbemanntes Fluggerät (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (27, 29) mindestens einen energielosen Nahfeld-Transponder oder RFID-Chip (27) an dem oder jedem Behälter (22a, 22b, 22c, 22d) sowie mindestens ein Lesegerät (29) am Fluggerät (10) zum Auslesen von im Nahfeld-Transponder oder RFID-Chip (27) gespeicherten Daten und zum Übermitteln an eine Steuerung (15) umfassen.
18. Unbemanntes Fluggerät (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (15) die Ventile (33) und den Mischer (35) unter Verwendung von Daten aus den Nahfeld-Transpondern oder RFID-Chips (27) steuert.
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