DE102006021182B4

DE102006021182B4 - Fluggerät mit vier Hubrotoren und drei Drehachsen als universelle Flugplattform

Info

Publication number: DE102006021182B4
Application number: DE102006021182A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Racz Zoltan De
Priority date: 2006-05-06
Filing date: 2006-05-06
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2026-05-07
Also published as: DE102006021182A1

Abstract

Fluggerät mit vier in der Drehzahl einzeln regelbaren Hubrotoren und drei zueinander parallelen, in der Draufsicht in einem Dreieck angeordneten Drehachsen, wobei zwei der Hubrotoren entgegengesetzte Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichtete Drehachsen aufweisen und die restlichen zwei Hubrotoren entgegengesetzte Drehrichtungen und jeweils eine eigene zu den anderen beabstandete Drehachse aufweisen.

Description

Fluggerät mit vier Hubrotoren und drei Drehachsen als universelle Flugplattform.
Die Erfindung betrifft ein schwebefähiges Fluggerät mit vier horizontalen Hubrotoren. Fluggeräte dieser Art können vielfältig eingesetzt werden, so zum Beispiel als Flugmodell oder als fliegende Plattform für verschiedene Aufgaben. Die im Vergleich zum Hubschrauber hohe Anzahl von Hubrotoren erlaubt den Transport von großen Lasten oder die exakte schwebende Positionierung, wie etwa bei dem Bau von hohen Bauwerken als Ersatz für einen Kran. Ebenso ist ein Einsatz als autonomes Aufklärungsfluggerät möglich, das mit einer Kamera ausgestattet zum Beispiel nach Naturkatastrophen ein Gebiet nach Überlebenden oder Gefahrstellen absuchen kann.
Bekannt ist, dass für Positionierungs- und Transportaufgaben in der Luft vorwiegend Hubschrauber eingesetzt werden. Der Aufbau und das Funktionsprinzip eines Hubschraubers sind hinreichend bekannt. Aus der US 6 260 796 B1 ist ein Fluggerät bekannt, bei dem zur Steuerung und Stabilisierung der Fluglage vier um die Eckpunkte eines Rechteckes angeordnete und in derselben Ebene verteile Hubrotoren verwendet werden. Weiterhin ist aus AT 203 876 B ein Fluggerät mit vier Hubrotoren bekannt, bei dem die Steuerung des Giermomentes durch Kippen eines Doppelhubrotors erfolgt. In der Gebrauchsmusterschrift DE 201 20 758 U1 wird ein Fluggerät vorgeschlagen, dessen drei Hubrotoren in einer Ebene um die Spitzen eines Dreieckes angeordnet sind. Aus GB 617 290 ist ein Fluggerät mit drei gegenläufigen Doppelhubrotoren bekannt, die um die Ecken eines Dreiecks angeordnet sind.
Hubschrauber benötigen einen Hilfsrotor, um das Drehmoment des Hauptrotors auszugleichen. Der vom Hilfsrotor erzeugte Luftstrom ist parallel zur Erdoberfläche ausgerichtet und trägt daher nicht zum Auftrieb des Hubschraubers bei.
Fluggeräte nach US 6 260 796 B1 benötigen, bedingt durch die Flächenabdeckung der vier in einer Ebene ausgerichteten Hubrotoren, eine große Landefläche.
Die Steuerung der Fluglage erfolgt bei den bisher bekannten Fluggeräten überwiegend mechanisch (Hubschrauber, AT 203 876 B , GB 617 290 ). Die technische Komplexität ist bei solchen Systemen hoch und die Wartung ist entsprechend teuer. Die maximal erreichbare Stellgeschwindigkeit der Mechanik ist durch Massenträgheit und Reibungseffekte deutlich begrenzt, was die Güte der Fluglagenregelung herabsetzt.
Fluggeräte nach US 6 260 796 B1 , DE 201 20 758 U1 und Hubschrauber können technisch sinnvoll nur dann für Transportaufgaben eingesetzt werden, wenn der Schwerpunkt von der Last und von dem Fluggerät sich in derselben zur Erdoberfläche senkrecht ausgerichteten Hochachse befindet. Diese Einschränkung kann bei großen oder unregelmäßig geformten Gegenständen mit Schwierigkeiten verbunden sein.
Fluggeräte nach DE 201 20 758 U1 sind in der Regel nur dann vollständig steuerbar, wenn die Antriebsachsen der Hubrotoren in der Draufsicht ein gleichseitiges Dreieck bilden und der Schwerpunkt des Fluggerätes sich exakt in der geometrischen Mitte des Fluggerätes befindet. Dies ist in der Praxis oft eine starke konstruktive Einschränkung.
Bei Fluggeräten nach US 6 260 796 B1 und DE 201 20 758 U1 tragen drei ( DE 201 20 758 U1 ) bzw. vier ( US 6 260 796 B1 ) gleichrangige Hubrotoren zur Drehmomentbildung um die Hochachse bei, was eine messtechnische Zuordnung der einzeln von den Hubrotoren erzeugten Drehmomentkomponenten stark erschwert und die Regelung der Fluglage verlangsamt. Daraus resultiert in den meisten Fällen ein unruhiger Schwebeflug.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein schwebefähiges Fluggerät zu konstruieren, das sich bei geringem mechanischem Aufwand mit einfachen Mitteln in Fluglage und Flughöhe steuern lässt.
Diese Aufgabe wird mit einem Fluggerät mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Energieversorgung des Fluggerätes kann erfolgen über ein oder mehrere Schleppkabel vom Boden aus oder in der besonders bevorzugten Form durch einen oder mehrere aufladbare Energiespeicher direkt an Bord. Besonders bevorzugt kann die Zuladung an mehreren Punkten am Fluggerät befestigt werden, um somit ein Pendeln der zu transportierenden Last zu verhindern. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Fluggerät durch eine drahtgebundene oder drahtlose Fernbedienung gesteuert. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung verfügt das Fluggerät über eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung der Flughöhe und Fluglage; diese kann auch mit einem Positionierungssystem (wie etwa GPS) gekoppelt sein, um Positionen automatisch anfliegen zu können. Der Antrieb der Hubrotoren kann über direktantreibende oder übersetzte Elektro- oder Verbrennungsmotoren erfolgen.
Das Fluggerät schwebt, wenn die Drehzahl aller Hubrotoren so eingestellt wird, dass die resultierende Kraft im Schwerpunkt des Fluggerätes genau entgegen der Erdanziehungskraft ausgerichtet ist, und das Fluggerät sich entlang der Hochachse nicht bewegt. Die erzeugten Drehmomente aller Hubrotoren müssen sich im Schwebezustand gegenseitig aufheben. Dies erfolgt, indem:

a) Die Drehrichtung der zwei Hubrotoren mit jeweils eigenen und zu den anderen beabstandeten Drehachsen gegensinnig ist. So wird das erzeugte Drehmoment der zwei Hubrotoren mit jeweils eigenen und zu den anderen beabstandeten Drehachsen – bei gleicher Größe des Drehmomentes – gegenseitig aufgehoben.
b) Die zwei Hubrotoren mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen unterschiedliche Drehrichtungen haben. Durch ihre Anordnung heben sich die von den Hubrotoren erzeugten Drehmomente bei gleicher Größe auf.

Im Schwebezustand sind somit die von den zwei Hubrotoren mit jeweils eigenen und zu den anderen beabstandeten Drehachsen erzeugten Drehmomente unabhängig von den Drehmomenten, die von den zwei Hubrotoren mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen erzeugt werden, was die Regelung und die Stabilisierung des Fluggerätes enorm vereinfacht.
Die Flughöhe kann variiert werden, indem ausgehend vom Schwebezustand die Drehzahl aller Hubrotoren so verändert wird, dass die resultierende Kraft im Schwerpunkt des Fluggerätes immer noch genau entgegen der Erdanziehungskraft zeigt, sich jedoch in der Größe verändert. Die erzeugten Drehmomente der Hubrotoren müssen sich dabei weiterhin gegenseitig aufheben. Eine Erhöhung der resultierenden Kraft ergibt ein Aufsteigen des Fluggerätes, eine Verringerung ein Sinken.
Die Gesamthubleistung der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen ist die Summe der Rotorhubleistungen der einzelnen Hubrotoren. Wenn die Gesamthubleistung der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen beibehalten wird, die Verteilung der Drehmomente zwischen den einzelnen Hubrotoren jedoch verändert wird, so resultiert daraus eine unausgeglichene Drehmomentkomponente mit dem Ergebnis, dass das Flugobjekt sich um die Hochachse steuern lässt (Gieren).
Ein Vorwärts-/Rückwärtsflug (Nick, Kippen um die Querachse) ist ausgehend aus dem Schwebezustand möglich, indem die Gesamthubleistung der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen so verändert wird, dass keine unausgeglichenen Drehmomente entstehen. So erfährt der Schwerpunkt des Fluggerätes eine Vektorkomponente entlang der Längsachse mit dem Ergebnis, dass das Fluggerät nach vom (oder nach hinten) fliegt. Die Geschwindigkeit und Richtung des Fluges ist von der Veränderung der Gesamthubleistung der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen abhängig.
Die Regelung des Rollmomentes (Kippen um die Längsachse) erfolgt durch die Anpassung der Hubleistungen der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtungen und jeweils einer eigenen zu den anderen beabstandeten Drehachse.
Andere Steuerungsarten, wie zum Beispiel die gleichzeitige Kombination von Vorwärts-/Rückwärtsflug und Kippen um die Längsachse sind ebenfalls möglich.
Ein erfindungsgemäßes Fluggerät ist in dem Schwebezustand besonders genau positionierbar, da keine unausgeglichenen Drehmomente auftreten können. Aus diesem Grunde ist das Flugverhalten ebenfalls sehr feinfühlig steuerbar. Bei Änderung der Fluglage entstehen keine unbeabsichtigten Drehmomente (wie etwa bei Fluggeräten nach DE 201 20 758 U1 ).
Ein erfindungsgemäßes Fluggerät beansprucht wesentlich weniger Raum als ein Fluggerät nach US 6 260 796 B1 , ohne jedoch an Manövrierfähigkeit zu verlieren. Dies ist bei engen Raumverhältnissen (Baustellen, Waldgebiete, Gebäude usw.) von großem Vorteil.
Am Fluggerät können sehr flexibel Lasten angehängt werden, da es auf eine Verschiebung des Schwerpunktes wesentlich unempfindlicher reagiert als bisher existierende vergleichbare Fluggeräte. Die Hubleistung der vier Rotoren ermöglicht auch den Transport von schweren Gegenständen.
Durch den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Fluggerätes ist eine kostengünstige Produktion möglich; nur wenige Teile sind erforderlich. Die geringe Anzahl an mechanischen Komponenten begünstigt die Betriebssicherheit. Das Fehlen von mechanischen Steuerungskomponenten (z. B. in Form von Luftklappen oder drehbaren Motorhalterungen) hilft des Weiteren Gewicht zu sparen und verringert die Seitenwindempfindlichkeit des Fluggerätes.
Die Steuerung des erfindungsgemäßen Fluggerätes kann sehr einfach durch einen elektronischen Regelkreis unterstützt werden, was die Steuerung für den Piloten vereinfacht. Auf das Fluggerät wirkende Kräfte, die nicht vom Piloten beabsichtigt sind, lassen sich durch elektronische Regelkreise leicht detektieren und kompensieren, da die von den Antrieben erzeugten Kräfte isolierbar (und damit zuzuordnen) sind. Somit kann das Fluggerät schon mit wenig Flugerfahrung sicher geflogen werden. Dies ist weder bei heutigen Hubschraubern, noch bei anderen Fluggeräten der Fall.
Anhand der Zeichnungen 1–4 wird ein Ausführungsbeispiel gezeigt.
1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Fluggerätes aus der Draufsicht, das aus einem Rumpf (4), aus einem Steuergerät (1) zur Steuerung der Fluglage bzw. Flughöhe, aus zwei Hubrotoren (2) mit jeweils einer eigenen zu den anderen beabstandeten Drehachse und aus zwei Hubrotoren mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen besteht.
Die Flughöhe kann variiert werden, indem ausgehend vom Schwebezustand die Drehzahl aller Hubrotoren so verändert wird, dass die resultierende Kraft im Schwerpunkt des Fluggerätes immer noch genau entgegen der Erdanziehungskraft zeigt, sich jedoch in der Größe verändert. Die erzeugten Drehmomente der Hubrotoren müssen sich dabei weiterhin gegenseitig aufheben. Eine Erhöhung der resultierenden Kraft ergibt ein Aufsteigen des Fluggerätes, eine Verringerung ein Sinken.
Die Gesamthubleistung der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen ist die Summe der Rotorhubleistungen der einzelnen Hubrotoren.
Wenn die Gesamthubleistung der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen beibehalten wird, die Verteilung der Drehmomente zwischen den einzelnen Hubrotoren jedoch verändert wird, so resultiert daraus eine unausgeglichene Drehmomentkomponente mit dem Ergebnis, dass das Flugobjekt sich um die Hochachse steuern lässt (Gieren).
Ein Vorwärts-/Rückwärtsflug (Nick, Kippen um die Querachse) ist ausgehend aus dem Schwebezustand möglich, indem die Gesamthubleistung der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen so verändert wird, dass keine unausgeglichenen Drehmomente entstehen. So erfährt der Schwerpunkt des Fluggerätes eine Vektorkomponente entlang der Längsachse mit dem Ergebnis, dass das Fluggerät nach vorn (oder nach hinten) fliegt. Die Geschwindigkeit und Richtung des Fluges ist von der Veränderung der Gesamthubleistung der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen abhängig.
Die Regelung des Rollmomentes (Kippen um die Längsachse) erfolgt durch die Anpassung der Hubleistungen der zwei Hubrotoren mit entgegengesetzter Drehrichtungen und jeweils einer eigenen zu den anderen beabstandeten Drehachse.
Andere Steuerungsarten, wie zum Beispiel die gleichzeitige Kombination von Vorwärts-/Rückwärtsflug und Kippen um die Langsachse sind ebenfalls möglich.
2 veranschaulicht den Rumpf (4), zwei der Hubrotoren mit entgegengesetzte Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen (5) und die Antriebseinheiten (3).
In 3 sind die Drehachsen (5) eines erfindungsgemäßen Fluggerätes aus der Vorderansicht dargestellt, sowie beispielhaft Drehrichtungen für die einzelnen Hubrotoren angegeben.
4 zeigt eine vereinfachte Darstellung aus der Seitenansicht. Dargestellt sind der Rumpf (4), das Hubrotorpaar mit entgegengesetzter Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen (5) und das Steuergerät (1).
Die vier Hubrotoren werden durch einen Rumpf zusammengehalten, dessen Aufbau beispielhaft in 1 bis 4 dargestellt ist. Der Rumpf kann jedoch auch aus einer Fachwerkkonstruktion bestehen (Gewichtsvorteil).

Claims

Fluggerät mit vier in der Drehzahl einzeln regelbaren Hubrotoren und drei zueinander parallelen, in der Draufsicht in einem Dreieck angeordneten Drehachsen, wobei zwei der Hubrotoren entgegengesetzte Drehrichtung und zwei zueinander koaxial ausgerichtete Drehachsen aufweisen und die restlichen zwei Hubrotoren entgegengesetzte Drehrichtungen und jeweils eine eigene zu den anderen beabstandete Drehachse aufweisen.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass jedem Hubrotor ein eigener regelbarer Antrieb zugeordnet ist.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung des einen der zwei Hubrotoren mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen oberhalb und des anderen unterhalb einer Antriebseinheit, die wiederum aus zwei getrennt regelbaren Antrieben besteht.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung der zwei Hubrotoren mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen auf mindestens zwei Rahmenauslegern.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung der zwei Hubrotoren mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen auf der gleichen Seite der Antriebseinheit, wobei der Antrieb des von der Antriebseinheit weiter entfernten Rotors durch eine hohlgebohrte Welle erfolgt.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine drahtlose oder drahtgebundene Fernbedienung.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen am Fluggerät angeordneten Energiespeicher.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein Schleppkabel, durch das vom Boden aus die Energieversorgung und/oder Steuerung des Fluggerätes erfolgt.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum drahtlosen Senden und Empfangen von Daten.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern und/oder Wärmestrahlung.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Durchführung von atmosphärischen Untersuchungen.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Möglichkeit zur Aufnahme von Lasten.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Messung radioaktiver Strahlung.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Steuerung des Gesamtgiermomentes mit zwei gegenläufigen und einzeln regelbaren Hubrotoren auf zwei zueinander koaxial ausgerichteten Drehachsen.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Steuerung des Rollmomentes mit zwei gegenläufigen und einzeln regelbaren Hubrotoren, die zueinander parallel angeordnete Drehachsen aufweisen.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Steuerung des Nickmomentes mit zwei gegenläufigen und einzeln regelbaren Hubrotoren, die zueinander koaxial ausgerichtete Drehachsen aufweisen.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein GPS-System zur Positionsbestimmung oder zum automatischen Ansteuern einer bestimmten Position.
Fluggerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung von Fluglage und Flughöhe.