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Die
Erfindung betrifft ein vertikal abhebendes, landendes und robustes
Fluggerät
mit Mitteln zum autonomen Schweben und aerodynamisch getragenen
Horizontal Flug mit niedrigem Energieverbrauch
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Stand der Technik
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Die
Robustheit von Fluggeräten
hängt davon ab
wie das Problem von nicht-steuerbaren Bereichen in Abhängigkeit
von Fahrzeuggeschwindigkeit und relativer Luftströmung im
Zusammenhang mit den gerätspezifischen
aerodynamischen Eigenschaften für
die unterschiedlichen Flugphasen wie, Abheben, Landen, Schweben,
schneller Horizontal Flug und deren Übergange, vermieden werden
können.
Es gibt bekannte Konzepte von Beobachtungs-Flugkörpern die auf dem Drehflüglerprinzip
basieren und somit auch Horizontal Flug und Schweben einnehmen können. Ein
Nachteil dieser Lösungen
ist der relativ hohe (bezüglich
eines Tragflügelflugzeuges)
Energieverbrauch beim schnellen Horizontal Flug und die mangelnde
Agilität.
Ein weiterer Nachteil beim Schweben ist, dass prinzipiell die Winkellage
des Zentralkörpers
mit der Positionsregelung gekoppelt ist und der Zentralkörper eines
Drehflüglers
einen hohen aerodynamischen Widerstand hat so dass die Winkellage
des Zentralkörpers
durch die Richtung und Stärke äußerer aerodynamischer
Störungen
bestimmt wird. Ferner ist die Mechanik des Drehflügel-Rotors
weit komplizierter als bei einem einfachen Propeller.
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Weitere
bekannte Konzepte basieren auf dem Luftschiffsprinzip mit Schuberzeugern
und davon abgeleitete Systeme die mit geschlossen Auftriebskörper mit
leichten Gasen wie Helium Wasserstoff, Propellern und mit aerodynamischen
Zusatzstrukturen. Diese Systeme sind, weil die geschlossenen Auftriebskörper immer
relativ große
Volumen einnehmen vorzugsweise zum Schweben und langsamen und autonomen
Beobachtungs-Flug geeignet. Diese Konzepte sind aber windempfindlich
und deshalb nicht zur genauen Positionshaltung und zum schnellen
Horizontal Flug geeignet.
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Ein
anderes Konzept ist die QuadroCopter Lösung die speziell für den Schwebe
Flug und langsamen Horizontal Flug konzipiert ist. Die Winkellage des
QuadroCopter ist ebenfalls prinzipiell mit der Positionsregelung
gekoppelt so dass der gleiche Nachteil wie oben beim Drehflüglerprinzip
beschrieben auch für
den QuadroCopter gilt. Das, durch das QuadroCopter Prinzip bedingte,
Problem eines kleinen Bereiches des regelbaren Dreh-Momentes um
seine Schubachse und die Minimierung von Nichtsteuerbarkeitsbereichen
werden konstruktiv, mittels sehr kleiner aerodynamischen Beiwerte
des Fluggerätes, gelöst. QuadroCopter
können
deshalb nicht das aerodynamische Auftriebsprinzip nutzen um im schnellen
Horizontal Flug den Energieverbrauch drastisch zu reduzieren Sie
werden deshalb vornehmlich als Kleinfluggeräte für den Nahbereich eingesetzt.
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Ein
weiteres Konzept sind aerodynamische Fluggeräte mit festem Propeller(n)
am Bug oder Heck eines Zentralkörpers,
mit Ruder Finnen oder Entenruder mit oder ohne aerodynamischen Tragflächen/Gitterflügel um Schweben
und Horizontal Flug zu gewährleisten.
Der prinzipielle Nachteil dieser Lösung ist, das man die Luftströmung die
durch den Propeller erzeugt wird in Kombination mit drehbaren Ruderfinnen/Entenrudern
nutzt um die Lage und Position des Fahrzeuges im Schweben zu regeln.
Die Steuerbarkeit ist allerdings zusätzlich abhängig von Fahrzeuggeschwindigkeit
und relativer Luftströmung (Wind,
Windböen)
in Richtung und Stärke.
Auch im schnellen Horizontal Flug, insbesondere bei Manövern, können Bedingen
auftreten dass sich Propeller Luftströmung und Fahrströmung plus
Wind so ungünstig
addieren das die ‚Vollständige Steuerbarkeit' des Fluggerätes nicht
mehr gegeben ist. Besonders kritisch sind dabei die Übergänge in den
schellen Horizontal Flug und zurück
zum Schweben und umgekehrt. Die Folge daraus ist, dass das Fluggerät phasenweise
instabil werden kann (Nicht-Steuerbare Gebiete) und absturzgefährdet wird.
Die Positionsregelung und Winkellage des Zentralkörpers sind
auch bei dieser Lösung
gekoppelt so dass diesbezüglich der
gleiche Nachteil wie oben für
den Drehflügler
beschrieben auch für
diese Lösung
gilt.
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Eine
Erweiterung des obigen Konzeptes sind Aerodynamische Fluggeräte basierend
auf Propeller(n) montiert auf einem Kardan Mechanismus am Bug oder
Heck eines Zentralkörpers,
mit Ruder Finnen oder Entenruder mit oder ohne aerodynamischen Tragflächen/Gitterflügel um Schweben
und Horizontal Flug zu gewährleisten.
Auch bei der Kardan Lösung
sind prinzipiell zusätzliche
aerodynamische Stellglieder (Ruder Finnen oder Entenruder mit oder
ohne zusätzlichen
gegenläufigen
Propeller) notwendig um das Drehmoment um die Schubachse zu beherrschen
und das Fluggerät
zu stabilisieren. Unter realen Bedingungen werden auch im Schweben immer
Störmomente
auftreten so dass die beiden Nachteile wie oben beschreiben in abgeschwächter Form
auch für
diese Lösung
gelten. Um das System zu stabilisieren und die Position zu halten
muss die resultieren Störmomente
kompensiert werden und das Propeller-Kardan System zusätzlich geschwenkt werden
was konsequenterweise zu einer Winkellage Änderung des Flugkörpers führt oder
dazu das der Flugkörper
driftet. Das heißt
im realen Einsatz sind Positionsregelung und Winkellage des Flugkörpers auch
bei dieser Lösung
gekoppelt und die Winkellage des Zentralkörpers von den Störungen bestimmt.
Besonders kritisch sind wiederum die Übergänge von Horizontal Flug zurück zum Schweben.
Eine Umsteuerung der Propeller Motor Drehrichtung führt zu einer
drastischen Änderung
der Regel-Charakteristik des Motors und der Strömungsverhältnisse am Fluggerät und aufgrund
der nicht vorhersagbaren Windverhältnisse zu nicht vorhersagbaren
Nicht-Steuerbaren-Gebieten.
Die Folge daraus ist, dass das Fluggerät phasenweise instabil werden
kann (Nicht-Steuerbare
Gebiete) und absturzgefährdet
wird. Ein weiterer Nachteil ist dass die Zuverlässigkeitszahl eines Kardanmechanismus
erheblich schlechter ist und dessen Masse höher als vergleichbare axiale
Drehmechanismen.
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Ein
gravierendes Sicherheits-Problem tritt für drei letzten Lösungen beim
Ausfall eines Propellers auf, Fluggerät oder QuadroCopter sind nicht
mehr kontrollierbar und stürzen
ab. Aufgrund der oben beschriebenen Nachteile haben die bisher bekannten Lösungen spezifische
Einsatzbereiche, sind aber aus den oben beschriebenen Nachteilen
nicht geeignet um autonome Einsätze
mit schnellem Horizontal Flug mit Schwebephasen (Beobachtungsphasen)
gesteuert von einem Auto-Piloten durchzuführen.
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Aufgabenstellung, Vorteile und Lösung
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Das
Ziel der Erfindung ist es einen robusten Fluggerät zu schaffen mit einfachen
axialen Drehmechanismen das nicht die Nachteile der bekannten Lösungen aufweist
und auch, von einem Autopiloten gelenkt, einen großen Einsatzbereich
Bereich beherrscht, vom Abheben über
schnellen Horizontal Flug unterbrochen von Schwebephasen bis zur
Ziellandung. Das Fluggerät
sollte bei horizontaler als auch vertikaler Lage des Zentralkörpers vertikal
Abheben und Landen können.
Im Schweben sollte der Zentral Körper
um eine wählbare
Achse liegend in der X/Y Ebene des Erdfesten Koordinaten System schwenkbar
sein und/oder um die Z-Achse des Erdfesten Koordinaten System mit
einer wählbaren Drehgeschwindigkeit
rotieren können,
umso z. B. die Sichtfläche
vom Boden zu verkleinern, oder, eine optimale Beobachtungslage einzunehmen,
oder bei starker Wind die vorgegebene Position zu halten oder den
Horizont abzuscannen usw.. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es
den Energieverbrauch während
des Einsatzes zu minimieren, wobei bei gleichem Nutzlastgewicht
und gleicher Mission der Energieverbrauch des neuartigen Fluggerätes beim Schweben
einem in den Ausmaßen
vergleichbaren QuadroCopter und beim schnellen Horizontal Flug dem
eines üblichen
Tragflügel
Flugzeuges mit vergleichbarer Tragfläche nahe kommen soll. Ferner sollte
bei Ausfall eines Schuberzeugers (ausgenommen Strukturbrüche) das
Fluggerät
Funktionsfähig bleiben.
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Diese
Aufgaben sind gemäß der Erfindung durch
die Merkmale der Haupt-Patentansprüche 1 bis 4 gelöst. Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der Beschreibung. Weitere Details der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
in dem anhand von Zeichnungen die prinzipiellen Eigenschaften und
die Wirkungsweise erörtert
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Energieversorgungs- und Signal-Leitungen der benötigten Geräte werden nicht explizit in den
Zeichnungen dargestellt.
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1 zeigt
schematisch die Draufsicht einer Ausführungsform der zentralen Montage
Plattform, inklusive Montage Schale und Deckel, der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
mit dem körperfesten
Koordinaten System des Zentralkörpers.
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2 zeigt
die schematische Draufsicht einer Ausführung des Schubmoduls vom Typ-1
der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
mit dem körperfesten
Koordinaten System des Schubmoduls und den körperfesten Koordinaten Systemen
der vier Schuberzeuger.
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3 zeigt die schematische Darstellung einer
Ausführung
eines Schuberzeugers als Propeller System und einer Ausführung eines
Schuberzeugers als Triebwerks System mit dem zugehörigen körperfesten
Koordinaten System des Schuberzeugers.
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4 zeigt die prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
mit dem Schubmodul vom Typ-1 und Montage Plattform mit zugehörigen Koordinaten
Systemen und der Definition der relativen Drehung zwischen der Montage
Plattform und dem Schubmodul.
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5 zeigt
die schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Variante
der Ausführung der
integrierten Steuervorrichtung, dargestellt in 4,
wobei die zentrale Montage Plattform hier als aerodynamische Auftriebsstruktur
ausgebildet ist und wobei an den Strukturarmen Kleinflügel vertikal
befestigt sind.
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6 zeigt
die schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Variante der Ausführung der Steuervorrichtung,
dargestellt in 4, wobei die zentrale
Montage Plattform welche als aerodynamische Auftriebsstruktur ausgebildet
ist und wobei an den Strukturarmen aerodynamische Strukturen vertikal
(vertikale Kleinflügel)
befestigt sind.
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7 zeigt
die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung des Schubmoduls vom Typ-2,
wobei je zwei, statt wie in 2 für Typ-1
dargestellt ein, steuerbare axiale äußere Drehmechanismen an den äußeren Enden
der Haupt Drehwelle befestigt sind und wobei an jedem axialen äußeren Drehmechanismus
ein äußerer Strukturarm befestigt
ist und unabhängig
von den anderen um seine Längsachse
gedreht werden kann.
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8 zeigt
die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung des Schubmoduls vom Typ-3,
wobei je zwei der vier Strukturarme direkt an den äußeren Enden
der Haupt Drehwelle fixiert sind und wobei an den anderen Enden
der Strukturarme je ein axialer äußerer Drehmechanismus
befestigt ist. Je ein Schuberzeuger ist an je einen axialen äußeren Drehmechanismus
derart mechanisch gekoppelt das jeder Schuberzeuger unabhängig von
den anderen geschwenkt werden kann.
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9 zeigt
bei geschlossener Montage Plattform die schematische Draufsicht
einer weiteren erfindungsgemäßen Variante
der Steuervorrichtung wobei die Befestigungseinrichtungen (17a, 18a)
direkt am Zentralkörper
befestigt sind und nichtdrehbare äußere Zusatz Tragflächen auch
an denselben Befestigungseinrichtungen (17a, 18a)
von außen
angebracht werden können.
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10 zeigt
die schematische offene Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit der Ausführung des
Schubmoduls vom Typ-2 und Montage Plattform mit Mitteln zur Lenkung
und Regelung wobei die zentrale Montage Plattform als aerodynamische
Auftriebsstruktur (Tragflügel)
ausgebildet ist und wobei an den Strukturarmen aerodynamische Strukturen
(vertikale Kleinflügel)
befestigt sind.
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11 zeigt
die schematische geschlossene Darstellung des erfindungsgemäßen Fluggeräts, dargestellt
in 10, im Schweben mit körperfesten Koordinaten System
des Zentralkörpers.
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12 zeigt
die schematische geschlossene Darstellung des erfindungsgemäßen Fluggeräts, dargestellt
in 10, im Horizontal Flug mit körperfesten Koordinaten System
des Zentralkörpers.
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13 zeigt
die schematische geschlossene Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fluggeräts mit der
Ausführung
des Schubmoduls vom Typ-3 wobei die zentrale Montage Plattform als
aerodynamische Auftriebsstruktur (Tragflügel) ausgebildet ist und wobei
an den Strukturarmen aerodynamische Strukturen (vertikale Kleinflügel) vertikal
befestigt sind.
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14 zeigt
schematisch bei aufgeschnitten Zentralkörper eine Variante der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
mit der Ausführung
des Schubmoduls vom Typ-2 und Zusatz-Tragflächen mit Hauptwellen Lagerung
und axialen regelbaren Drehmechanismen im Horizontal Flug.
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15 zeigt
schematisch die geschlossene Ansicht eines erfindungsgemäßen Fluggerätes mit körperfesten
Koordinaten System des Zentralkörpers und
der in 14 gezeigten Variante der Steuervorrichtung
mit Zusatz-Tragflächen
im Horizontal Flug.
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16 zeigt
schematisch die Orientierung des Fluggerätes während der Positionshaltung
bei extremem Wind
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17 zeigt
eine schematische Darstellung des Fluggerätes im Schweben mit steuerbarer
Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse des Zentralkörpers.
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18 zeigt
eine schematische Darstellung in Seitenansicht des Fluggerätes vom
Abheben von einem Start/Landegerät
zum Schweben und den Übergang
zum schnellen Horizontal Flug.
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19 zeigt
eine schematische Darstellung in Seitenansicht des Fluggerätes vom Übergang
vom schnellen Horizontal Flug zum Schweben und vom Schweben zum
Landen auf dem Start/Landegerät.
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Ausführungsbeispiel und detaillierte
Beschreibung der Merkmale
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Alle
verwendeten Koordinaten Systeme sind rechtshändig und orthogonal. Damit
die anschließende
Beschreibung der Steuervorrichtung mit ihren Merkmalen und unterschiedlichen
Ausformungen übersichtlich
bleibt, werden die oftmals vorkommenden Begriffe wie regelbarer
Drehmechanismus und regelbarer Schuberzeuger zunächst definiert.
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Unter
dem Begriff ‚regelbarer
axialer Drehmechanismus' wird
im Folgenden ein Geräte-System verstanden
das ein Energieversorgungsgerät,
eine Signal Ein- und Ausgangseinrichtung und einen axialen Drehmechanismus
besitzt und einen an seinem Signal-Eingang anliegenden Sollwert
gemäß einer bekannten Übertragungskennlinie
in eine dem Sollwert entsprechende Winkelstellung der konstruktiv gekoppelten
Ausgangs-Drehsachse überträgt, so dass
regelungstechnisch dieses Gerät
als Stellglied mit dynamischer Übertragungsfunktion
und nichtlinearer aber bekannter Charakteristik zwischen Ausgang
und Eingang betrachtet werden kann. Durch einen dem Gerät zugeordneten
Regler wird der Regelfehler (Istwert-Sollwert) minimiert. Technische
Lösungen
dieses Gerätes
sind bekannt z. B., elektrischer Servo mit und ohne Getriebe mit
digitalen oder analogen Eingangssignalen, hydraulische Getriebe, usw..
Für das
erfinderische Prinzip der Steuervorrichtung ist allerdings nur die
Funktion des Geräte-Systems ‚regelbarer
axialer Drehmechanismus' als
Stellglied relevant.
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Unter
dem Begriff ‚regelbarer
Schuberzeuger' wird
im Folgenden ein Geräte-System
verstanden das ein Energieversorgungsgerät, eine Signal Ein- und Ausgangseinrichtung
und einen Schuberzeuger besitzt und einen an seinem Signal-Eingang anliegenden
Sollwert gemäß einer
bekannten Charakteristik in eine dem Sollwert entsprechende Schubstärke (THi)
in einer konstruktiv festgelegten Achse, wie aus 3 zu
sehen der Z-Achse des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers, umsetzt. Regelungstechnisch
kann dieses Gerät
als Stellglied mit dynamischer Übertragungsfunktion
und nichtlinearer aber bekannter Charakteristik zwischen Ausgang
und Eingang betrachtet werden. Durch einen dem Gerät zugeordneten
Regler wird der Regelfehler (Istwert-Sollwert) minimiert. Dabei kann die Regelfunktion
des Schuberzeugers auch vollständig oder
teilweise mittels Bord Computer realisiert, wobei in diesem Fall
die Signal Ein- und Ausgangseinrichtung der Schuberzeuger mit dem
Bord Computer gekoppelt sind. Das Energieversorgungsgerät des Schuberzeugers
kann im Prinzip an der Struktur des Schuberzeugers komplett befestigt
sein als auch können
Teile dieser Einrichtung in anderen Strukturelementen der Steuervorrichtung
untergebracht werden, z. B. Batterien oder Treibstoff Tanks oder
elektrische Motorsteller im Zentralkörper oder in den Strukturarmen.
Zwei der technischen Lösungen
dieses Gerätes
sind in 3 schematisch dargestellt
und sind Stand der Technik.
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– Propeller
System
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- a1, bestehend aus einer Luftschraube (27i, 28i) mit
regelbarem Dreh-Antrieb (30i) mit festem Blattanstellwinkel
wobei die Schubsteuerung durch die Drehzahlregelung des Antriebsmotors
realisiert wird. Die Dreh-Antriebe können entweder regelbare Elektro-Motoren
oder regelbare Verbrennungs-Motoren sein.
- a2, bestehend aus einer Luftschraube (27i, 28i) mit
regelbarem Dreh-Antrieb (30i) mit regelbarem axialem Drehmechanismus
(29i) zur Blatt-Anstellwinkelsteuerung wobei die Schubsteuerung
mittels schneller Regelung des Blatt-Anstellwinkels realisiert wird
und der Energieverbrauch mittels einer langsamen Folgeregelung der
Drehgeschwindigkeit des Antriebsmotors minimiert werden kann. Die
Dreh-Antriebe können
entweder regelbare Elektro-Motoren oder regelbare Verbrennungs-Motoren
sein.
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– Triebwerks
System
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- bestehend aus einem Verbrennungs-Triebwerkspaar (36i, 37i)
mit (38i, 39i) Steuerventilen, wobei die Schubsteuerung
mittels Ein/Aus Impuls Sequenzen der Steuerventile mittels bekannter
Modulationsverfahren realisiert wird.
- Für
das erfinderische Prinzip der Steuervorrichtung ist allerdings nur
die Funktion des Geräte-Systems ‚regelbarer
Schuberzeuger' als
Stellglied relevant.
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Ist
die Minimierung des Energieverbrauches beim Schweben und schnellen
Horizontal Flug das dominierende Kriterium für eine bestimmte Ausführungsform
des Fluggerätes,
dann wird ein Schuberzeuger mit Luftschraube (27i, 28i)
mit regelbarem axialem mit Drehmechanismus (29i) zur Blatt-Anstellwinkelsteuerung
bevorzugt eingesetzt weil man dadurch den aerodynamischen Randbedingungen entsprechend
den Blattwinkel regeln kann z. B. einen relativ kleinen Anstellwinkel,
der beim Schweben günstig
ist und einen großen
Anstellwinkel der beim Schnellflug nötig ist. Neben diesem hat dieser
Typus Schuberzeuger noch weitere Vorteile:
- a1,
die Möglichkeit
das Vorzeichen der Schubstärke
zu wechseln ohne dass die Drehzahl des Dreh-Motors geändert werden muss
- a2, das im Allgemeinen die Verzögerungszeit des Drehmechanismus
viel kleiner ist als die Verzögerung der
Drehzahlregelung des Antriebsmotors und somit eine höhere Bandbreite
der Schubregelung erzielt werden kann
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1 zeigt
eine Ausformung einer erfindungsgemäßen zentralen Montage-Plattform
mit der Festlegung des körperfesten
Koordinaten Systems des Zentralkörpers.
Die Montage-Plattform besteht aus einer Montage Schale (5a),
einem oder keinem Deckel (5b), der Hauptwellenlagerung
(13, 14) und mindestens einem regelbaren axialen
Hauptwellen-Drehmechanismus (6) befestigt an der Montage Schale
(5a) und einer Regelvorrichtung (32a) welche auch
Teil des Bord Computers (32) sein kann.
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Die
Ausführung
eines Schub-Moduls vom Typ-0 ist in 2 dargestellt
mit den Festlegungen des körperfesten
Koordinaten Systems des Schubmoduls, wobei man vorzugsweise den
Ursprung (O_SM) des körperfesten
Koordinaten Systems des Schubmoduls in die Mitte der Haupt Drehwelle
legt, und den körperfesten
Koordinaten Systemen der vier Schuberzeuger. Das Schub-Modul vom
Typ-1 hat vier regelbare Schuberzeuger (1, 2, 3, 4).
Diese sind bei dieser Ausführung, 1,
an den Enden der äußeren (außerhalb
des Zentralkörpers)
Strukturarme (11a, 11b, 12a, 12b)
derart befestigt dass die Schubachse des Schuberzeugers nicht co-linear
mit der Dreh-Achse (Längsachse)
des Strukturarmes werden darf, vorzugsweise zu dieser einen rechten
Winkel bildet. In den Strukturarmen können prinzipiell Unterstützungs-Geräte für die Schuberzeuger,
wie Regeleinrichtungen, Treibstoff-Tanks, elektrische Energieversorgungsgeräte, Batterien
usw.) untergebracht werden. Je zwei der vier Strukturarme sind mit ihren
anderen Enden mit einem äußeren regelbaren axialen
Drehmechanismus (9a oder 10a) in einer Befestigungseinrichtung
(17a oder 18a) mit einem axialen und regelbaren
Drehmechanismus (9a oder 10a) gekoppelt und gelagert
so dass die axiale Drehung um die Längsachsenrichtungen der Strukturarme
gewährleistet
ist. Die Richtungen der Längsachsen
der Strukturarme sind durch die Anstellwinkel (51, 52, 53, 54)
definiert. Die Befestigungseinrichtungen (17a oder 18a)
sind wiederum an der Haupt-Drehwelle (15) befestigt. Die
Funktion der Haupt-Drehwelle
(15) kann aus konstruktiven Vorteilen, wie in 6 gezeigt,
in zwei Teilwellen (16a, 16b) unterteilt werden die
durch eine Verbindungsstruktur (8) verbunden sind. Somit
können
die Schubvektoren der Schuberzeuger (1, 2) und
(3, 4) unabhängig
voneinander gegenüber über der
Hauptdrehwelle geschwenkt werden. Die Haupt Drehwelle (15)
oder Haupt Teilwellen (16a, 16b) sind mittels
Lager (13, 14) aus der Zentralkörper-Struktur
geführt
und in diesem mit einem regelbaren axialen Haupt-Drehmechanismus
(6) verbunden, der wiederum an der Montage Schale fixiert ist.
Durch diese zusätzliche
axiale Drehmöglichkeit können die
Schubvektoren der Schuberzeuger (1, 2) und (3, 4)
nun auch gegenüber
der Montage Plattform geschwenkt werden. Außerdem können die Hebelarme der Schubvektoren
gegenüber
dem körperfesten
Koordinaten System des Zentralkörpers
gedreht werden. Um die dynamischen mechanischen Belastungen der
Drehmechanismen zu minimieren und die Effektivität der Schuberzeuger zu optimieren sollte,
wie in 4 schematisch dargestellt,
der Massen-Schwerpunkt (CoM) des gesamten Fluggerätes vorzugsweise
nahe am Ursprung (O_SC) des körperfesten
Koordinaten Systems des Zentralkörpers
und nahe am Ursprung (O_SM) des körperfesten Koordinaten Systems
des Schubmoduls liegen was durch die Konfiguration der Einzelgeräte und Module
konstruktiv erreicht werden kann. Im Kontext mit den regelbaren
Schubstärken
der Schubvektoren existiert nun ein System mit dem die 6 – Freiheitsgrade
des Fluggerätes,
die Position des Schwerpunktes und die Winkellage des Zentralkörpers, unabhängig voneinander
in einem großen
Bereich geregelt werden können
auch bei Auftreten von Störkräften und
Störmomenten.
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Die
erfindungsgemäße Steuervorrichtung besteht
aus einer zentralen Montage-Plattform und einem Schub-Modul. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
mit dem Schubmodul vom Typ-0 und der Ausführung der Montage Plattform
nach 1 mit den zugehörigen Koordinaten Systemen
und der Definition der relativen Drehung zwischen der Montage Plattform
und dem Schubmodul.
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Ferner
ermöglicht
dieses System den Ausfall eines Schuberzeugers (ausgenommen spontane Strukturbrüche) zu
beherrschen und eine stabile Positions- und Lage Regelung zu ermöglichen,
wobei allerdings der Energieverbrauch gegenüber dem Nominalfall ansteigt.
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Aus
Sicherheitsaspekten kann ein zweiter steuerbarer axialer Haupt Drehmechanismus
(7) verwendet werden, weil dann beim Ausfall des ersteren keine
bleibende Funktionsstörung
auftritt und die Steuervorrichtung damit ‚Single Point Failure Free' wird, und zusätzlich im
Notfall eine Verdopplung des Drehmoment Bereichs um die Haupt Drehwelle
erzielt wird.
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Wie
aus 5 und 6 zu ersehen kann die Montage-Plattform
der Steuereinrichtung als aerodynamisches Auftriebsmodul ausgebildet
werden (klassisches Flügel-Profil,
Gitterflügel,
usw.) und wird dann im schnellen Horizontal Flug als vertikaler
Kraftkomponentenerzeuger eingesetzt was zu einer Kompensation der
Schwerkraft des Fluggerätes
führt und somit
drastisch den Energieverbrauch der Schuberzeuger reduziert. Dabei
wird die Ausformung dieser Struktur bezüglich der spezifischen Aufgabe
und Mission des Fluggerätes
gemäß angepasst.
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Die
an den äußeren Strukturarmen
(11a, 11b, 12a, 12b) befestigten
aerodynamische Strukturen (24, 25, 25, 26)
(vertikale Kleinflügel),
siehe 5 und 6, verbessern im schnellen Horizontal Flug
den Energieverbrauch weil sie bei entsprechender Steuerung der Winkellage
die zur Positionsregelung benötigten
Querkräfte
erzeugen und damit die Schuberzeuger zusätzlich entlasten.
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6 zeigt
die schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Variante der Ausführung der integrierten
Steuervorrichtung mit einem Schub Modul vom Typ-1, dargestellt in 4, wobei die zentrale Montage Plattform
hier als aerodynamische Auftriebsstruktur ausgebildet ist und wobei
an den äußeren Strukturarmen
(11a, 11b, 12a, 12b) aerodynamische
Strukturen (24, 25, 25, 26)
vertikal befestigt sind.
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7 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführung eines
Schubmoduls vom Typ-1, dabei werden in jeder der zwei Befestigungseinrichtungen
(17a, 18a), je zwei Strukturarme (11a, 11b oder 12a, 12b)
mit je zwei axialen und regelbaren Drehmechanismus (9a, 9b,
oder 10a, 10b) derart gekoppelt und gelagert so das
jeder Strukturarm unabhängig
von den anderen drehbar wird. Die Längsachsenrichtungen der Strukturarme
sind durch Anstellwinkel (51, 52, 53, 54)
definiert und werden in den Befestigungseinrichtungen (17a, 18a)
eingestellt und fixiert. Dabei ist wiederum je eine dieser Befestigungseinrichtungen
an einem äußeren Ende
der aus dem Zentralkörper
geführten Haupt-Drehwelle fixiert.
Damit kann jeder Schuberzeuger (1, 2, 3, 4)
unabhängig
von den anderen Schuberzeugern gegenüber der Haupt-Drehwellen Achse
geschwenkt werden. Dadurch kann man das Drehmoment um die Hauptschubrichtung
der Vorrichtung beim Schweben als auch beim Horizontal Flug näherungsweise
ohne Änderung
der Schubstärken
der Schuberzeuger erreichen.
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Eine
erfindungsgemäße Ausformung
eines Schubmoduls vom Typ-2 ist in 8 dargestellt.
Dabei sind die steuerbaren axialen äußeren Drehmechanismen (9a, 9b, 10a, 10b)
an den Enden der äußeren Strukturarme
(11a, 11b, 12a, 12b) über vier Befestigungseinrichtungen
(17b, 17c, 18b, 18c) mit den
regelbaren Schuberzeugern (1, 2, 3, 4)
zusammen geführt.
Je eine Befestigungseinrichtung (17b, 17c, 18b, 18c)
koppelt und lagert je einen der vier steuerbaren Schuberzeuger (1, 2, 3, 4)
mit je einem der axialen regelbaren Drehmechanismen (9c, 9d, 10c, 10d)
mit je einem äußeren Strukturarm
(11a, 11b, 12a, 12b) derart
dass der Schubvektor jedes regelbaren Schuberzeugers unabhängig von
den anderen geschwenkt werden kann und die Richtung der Drehachsen
der äußeren Drehmechanismen
gegenüber
den Strukturarmen, welche durch die festen Winkel (55, 56, 57, 58)
definiert sind, eingehalten werden. Je zwei der äußeren Strukturarme sind dabei über Befestigungen
(17a, 18a) an den Enden der gelagerten Haupt Dreh-Wellen
(15 oder 16a, 16b) außerhalb des Zentralkörpers so
befestigt dass die geforderten Längsachsenrichtungen
der Strukturarme gegenüber
der Haupt Drehwelle, welche durch Anstellwinkel (51, 52, 53, 54)
definiert sind, eingehalten werden.
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Das
erfindungsgemäße Fluggerät erhält man aus
der Integration von Schub-Modul und dem Zentralkörper. Der Zentralkörper wiederum
erhält
man durch Bestückung
der zentralen Montage-Plattform mit
Mitteln, ‚zusätzliche
System-Module und Untersysteme',
zur unabhängigen
dynamischen Stabilisierung. Lenkung und Regelung der Lage des Fluggerätes und
der Schwerpunkts Position. Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Fluggerätes bestehend
aus einem Schub Modul vom Typ-1, einer zentralen Montage Plattform
welche als aerodynamische Auftriebsstruktur ausgebildet ist und
wobei an den äußeren Strukturarmen
(11a, 11b, 12a, 12b) aerodynamische Strukturen
(24, 25, 25, 26) vertikal befestigt
sind und ‚zusätzliche
System-Module und Untersysteme' die am
oder in der Montage Plattform befestigt sind. Abbildungen dieser
Ausführung
des erfindungsgemäßen Fluggerätes sind
in 10, 11 für das Schweben und in 12 für den Horizontal
Flug zu sehen.
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Dabei
handelt es sich um folgende ‚zusätzliche
System-Module und Untersysteme':
einem an sich bekannten Positions- und Lage Mess-System (35)
das je nach Mission des Fluggerätes
unter anderem aus folgenden Geräte
Typen selektiert werden kann: einer IMU (Inertial Measurement Unit)
mit einem dreiachsigen zur Lagebestimmung verwendbaren Kreiselpaket
und einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser, einem dreiachsigen
Magnetfeld Messgerät,
einem GPS Messgerät
für absolute
Position und Geschwindigkeit, einem Fahrt und Höhenmesser und relativ Messgeräte für Lage und
Distanz (Mini-Radar, LIDAR, LRF). einem zentralen oder auch dezentralen
Bord Computer System (32) das neben den an sich bekannten
Funktionen wie Elektronische Interfaces zur Datenübertragung
von und zu Positions- und Lage Messungs-System als auch zu den anderen
Fluggeräte
Modulen und Messeinrichtungen (Temperatur-, Strom- und Spannungs-Messung, usw.), Ermittelung
des Zustandsvektors des Gesamtsystems, Schubregelung von Propellern
und Triebwerken, Datenverarbeitung und Übertragung von Telemetrie-Daten,
Umsetzung von Bodenstations-Kommandos speichern wichtiger Informationen
des Gesamt-Systemzustandes in einem Datenspeicher, Autonome Flugführung und
Flugplanung und Speicherung und Ausführung der Anwender- und Betreibsystem
Software, auch die gemäß der Erfindung
neuartigen Funktionen ausführt
wie Elektronisches Interface zur neuartigen Steuervorrichtung, Ermittelung
der dynamischen Drehmoment- und Kraft Sollwert Vektoren die zur
Stabilisierung und Regelung der Lage des Zentralkörpers und
der Schwerpunkts-Position des Fluggerätes benötigt entsprechend der Ausführungsform
der Steuervorrichtung, Transformation der obigen Kräfte- und
Momenten Vektoren in äquivalente
Sollwerte entsprechend vorhandenen Stellgliedern, als dynamische
Winkel Sollwerte für
die regelbaren axialen Drehmechanismen und Schubstärken Sollwerte
für die
regelbaren Schuberzeuger, elektronisches Interface zur Übergabe
der Sollwerten die Eingänge
der Drehmechanismen und Schuberzeuger, Überwachung der Ausführung der
Sollwerte und Ermittelung von Fehler Zuständen der Steuereinrichtung
und des Fluggerätes und
Einleitung von Korrekturmaßnahmen
falls notwendig einem Nutzlast Modul (33) gemäß der ausgewählten Aufgabe des
Fluggerätes.
einem zentralen oder dezentralen Energieversorgungs-Modul (34)
mit bekannten Geräten
wie, Batterien, mit oder ohne Hybriden Strom oder Spannungserzeugern,
mit oder ohne Treibstoff Tank und einer Energie Verteilungseinrichtung
und Versorgungsleitungen. Die Montage Plattform mit den integrierten ‚zusätzlichen
System-Modulen und Untersystemen' wird
als Zentralkörper
bezeichnet.
-
Die
Montage Plattform mit den ‚zusätzlichen System-Modulen
und Untersystemen' stellt
den ‚Zentralkörper' des Fluggerätes dar.
-
Eine
weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Fluggerätes ist
in 13 zu sehen wobei gegenüber der in den 10, 11, 12 dargestellten
Version ein Schub Modul vom Typ-2 anstatt vom Typ-1 verwendet wird.
-
Die 14 und 15 zeigen
schematisch die Möglichkeit
einer Vergrößerung der
Auftriebsflächen
des Fluggerätes
durch eine Verlängerung
der Hauptwellen über
die Befestigungseinrichtungen (17a, 18a) nach
außen.
An den verlängerten
Hauptwellen (15, 16) sind spezielle äußere Tragflächen (59, 60)
angebracht, die im Inneren je eine Lagereinrichtung (63, 64)
zur Hauptwelle und einen regelbaren axialen Drehmechanismus 61, 62),
welcher mit der Haupt Drehwelle verbunden ist, haben. Die äußeren Tragflächen können somit
gegenüber
der Hauptwelle gedreht werden und die Drehung der Haupt Drehwelle
kompensieren und somit kontinuierlich die gleiche Lage wie der aerodynamische
Zentralkörper einnehmen
können.
Dies eröffnet
die Möglichkeit auch
im langsamen Beobachtungsflug zusätzlich den Energieverbrauch
zu senken.
-
In 9 ist
eine Variante der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
mit der der Zentralkörper nur
in vertikaler Richtung Abheben und Landen kann und für den sehr
schnellen Horizontal Flug geeignet ist bei der die Befestigungseinrichtungen
(17a, 18a) direkt am Zentralkörper befestigt sind und nichtdrehbare äußere Zusatz
Tragflächen
auch an denselben Befestigungseinrichtungen (17a, 18a)
von außen
angebracht werden können.
-
Der
Zentralkörper
kann im Schweben jede beliebige Soll-Lage gegenüber einem Erdfesten Koordinaten
System einnehmen wobei die Störkräfte und
Störmomente
durch entsprechende Orientierung der Dreharme, der Haupt Drehwelle
relativ zur Soll-Lage des Zentralkörpers als auch durch entsprechende
Schubstärken
der Schuberzeuger kompensiert werden umso z. B. die Sichtfläche vom
Boden zu verkleinern, oder, eine optimale Beobachtungslage einzunehmen.
Eine andere Möglichkeit
besteht darin den Zentralkörper
beim Schweben um die Z-Achse des Erdfesten Koordinaten Systems mit
einer wählbaren
Drehgeschwindigkeit rotieren zu lassen um den Horizont abzuscannen,
siehe auch die schematische Darstellung in 17.
-
Wie
in 16 schematisch dargestellt stellt sich bei extremen
Windbedingungen das Fluggerät bei
der Positionshaltung quasi wie beim schnellen Horizontal Flug gegen
den Wind allerdings mit Relativ- Geschwindigkeit
Null bezüglich
zur Soll-Position gegenüber
dem Boden. Somit kann auch bei hohen Windgeschwindigkeiten die Position
gehalten werden.
-
In
den 18 und 19 ist
schematisch das Abheben von einem Start/Landegerät und Schweben, der Übergang
zum schnellen Horizontal Flug und zurück zum Schweben, und das Landen
auf einem Start/Landegerät
einer möglichen
Ausführung des
Fluggerätes
dargestellt.
-
- YSC
- Achse
des Zentral-Körperfesten
Koordinatensystems
- XSC
- Achse
des Zentral-Körperfesten
Koordinatensystems
- ZSC
- Achse
des Zentral-Körperfesten
Koordinatensystems
- O_SC
- Ursprung
des Zentral-Körperfesten
Koordinatensystems
- XSM
- Achse
des körperfesten
Schubmodul Koordinatensystems
- YSM
- Achse
des körperfesten
Schubmodul Koordinatensystems
- ZSM
- Achse
des körperfesten
Schubmodul Koordinatensystems
- O_SM
- Ursprung
des körperfesten
Schubmodul Koordinatensystems
- XS1
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- YS1
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- ZS1
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- O_S1
- Ursprung
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- XS2
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- YS2
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- ZS2
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- O_S2
- Ursprung
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- XS3
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- YS3
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- ZS3
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- O_S3
- Ursprung
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- XS4
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- YS4
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- ZS4
- Achse
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- O_S4
- Ursprung
des körperfesten
Koordinatensystems des Schuberzeugers
- 1
- geregelter
Schuberzeuger
- 2
- geregelter
Schuberzeuger
- 3
- geregelter
Schuberzeuger
- 4
- geregelter
Schuberzeuger
- 5
- Zentral
Körper
- 5a
- Montage
Schale des Zentralkörpers
- 5b
- Deckel
Schale des Zentral Körpers
- 6
- Regelbarer
Drehmechanismus der Haupt Drehwelle
- 7
- Redundanter
innerer regelbarer Drehmechanismus der Haupt Drehwelle
- 8
- Haupt
Dreh-Wellen Verbindungsstruktur
- 9a
- Regelbarer
axialer Drehmechanismus des äußeren Dreharmes
- 9b
- Regelbarer
axialer Drehmechanismus des äußeren Dreharmes
- 10a
- Regelbarer
axialer Drehmechanismus des äußeren Dreharmes
- 10b
- Regelbarer
axialer Drehmechanismus des äußeren Dreharmes
- 11a
- Äußerer Strukturarm
- 11b
- Äußerer Strukturarm
- 12a
- Äußerer Strukturarm
- 12b
- Äußerer Strukturarm
- 13
- Haupt
Wellenlager
- 14
- Haupt
Wellenlager
- 15
- Haupt
Dreh-Welle
- 16a
- Haupt
Dreh-Welle_1
- 16b
- Haupt
Dreh-Welle_2
- 17a
- Befestigungseinrichtung
an der Haupt Drehwelle 15 oder 16a
- 17b
- Befestigungseinrichtung
am Ende des äußeren Strukturarmes 11a
- 17c
- Befestigungseinrichtung
am Ende des äußeren Strukturarmes 11b
- 18a
- Befestigungseinrichtung
an der Haupt Drehwelle 15 oder 16b
- 18b
- Befestigungseinrichtung
am Ende des äußeren Strukturarmes 12a
- 18c
- Befestigungseinrichtung
am Ende des äußeren Strukturarmes 12b
- 19
- YSC =: Wellen Drehachse
- 20
- XSC =: Nominale Fugrichtung
- 21
- ZSC =: Nominale Erdrichtung
- 22
- O_SC
=: Nominales Massenzentrum der gesamten Fluggerätes
- 23
- Vertikaler
Klein-Flügel
befestigt am äußeren Strukturarm 11a
- 24
- Vertikaler
Klein-Flügel
befestigt am äußeren Strukturarm 12a
- 25
- Vertikaler
Klein-Flügel
befestigt am äußeren Strukturarm 11b
- 26
- Vertikaler
Klein-Flügel
befestigt am äußeren Strukturarm 12b
- 27i
- Luftschraubenblatt
des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
- 28i
- Luftschraubenblatt
des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
- 29i
- Regelbarer
Drehmechanismus zur Luftschraubenblatt-Verstellung des i-ten Schuberzeugers
(i von 1 bis 4)
- Delta_i
- Variabler
Drehwinkel des Regelbarer Drehmechanismus 29i (i von 1
bis 4)
- 30i
- Luftschrauben
Elektro-Motor des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
- 31i
- Luftschrauben
Verbrennungs-Motor des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
- 32
- Bord
Computer mit integrierter Regelvorrichtung
- 32a
- Regelvorrichtung
- 33
- Nutzlast
Modul
- 34
- Energieversorgungs-Modul
- 35
- Mess-System
- 36i
- Triebwerk
Düse i-ten
Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
- 37i
- Triebwerk
Düse i-ten
Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
- 38i
- Steuerbares
Triebwerks-Ventil des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
- 39i
- Steuerbares
Triebwerks-Ventil des i-ten Schuberzeugers (i von 1 bis 4)
- 40
- Sollwerteingang
für regelbaren äußeren Drehmechanismus 10a
- Alpha2
- Variabler
relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 10a
- 41
- Sollwerteingang
für regelbaren äußeren Drehmechanismus 9a
- Alpha1
- Variabler
relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 9a
- 42
- Sollwerteingang
für regelbaren äußeren Drehmechanismus 10b
- Alpha4
- Variabler
relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 10b
- 43
- Sollwerteingang
für regelbaren äußeren Drehmechanismus 9b
- Alpha3
- Variabler
axialer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 9b
- 44i
- Sollwert
für regelbaren
Drehmechanismus 29i (i von 1 bis 4)
- 45a
- Sollwerteingang
für regelbaren
Drehmechanismus 6 der Haupt Drehwelle
- Beta_1
- Variabler
Sollwert Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismen 6
- 45b
- Sollwerteingang
für des
redundanten regelbaren Drehmechanismus 7 der Haupt Drehwelle
- Beta_2
- Variabler
Sollwert Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismen 7
- 46
- Sollwerteingang
des regelbaren Schuberzeugers 2
- TH2
- Variabler
Schubsollwert des Schuberzeugers 2
- 47
- Sollwerteingang
des regelbaren Schuberzeugers 1
- TH1
- Variabler
Schubsollwert des Schuberzeugers 1
- 48
- Sollwerteingang
des regelbaren Schuberzeugers 4
- TH4
- Variabler
Schubsollwert des Schuberzeugers 4
- 49
- Sollwerteingang
des regelbaren Schuberzeugers 3
- TH3
- Variabler
Schubsollwert des Schuberzeugers 3
- 50a_i
- Zeitlich
modulierte Ein/Aus Signale für Triebwerks-Ventile 39i (i
von 1 bis 4)
- 50b_i
- Zeitlich
modulierte Ein/Aus Signale für Triebwerks-Ventile 38i (i
von 1 bis 4)
- 51
- Fester
Anstellwinkel der Längsachse
des Strukturarms 11a gegenüber der Haupt Drehwellen Achse
- 52
- Fester
Anstellwinkel der Längsachse
des Strukturarms 12a gegenüber der Haupt Drehwellen Achse
- 53
- Fester
Anstellwinkel der Längsachse
des Strukturarms 11b gegenüber der Haupt Drehwellen Achse
- 54
- Fester
Anstellwinkel der Längsachse
des Strukturarms 12b gegenüber der Haupt Drehwellen Achse
- 55
- Fester
Anstellwinkel der Längsachse
des Strukturarms 11a gegenüber der Drehachse des regelbaren äußeren Drehmechanismus 9a
- 56
- Fester
Anstellwinkel der Längsachse
des Strukturarms 12a gegenüber der Drehachse des regelbaren äußeren Drehmechanismus 10a
- 57
- Fester
Anstellwinkel der Längsachse
des Strukturarms 11b gegenüber der Drehachse des regelbaren äußeren Drehmechanismus 9b
- 58
- Fester
Anstellwinkel der Längsachse
des Strukturarms 12b gegenüber der Drehachse des regelbaren äußeren Drehmechanismus 9a
- 59
- Zusatz-Tragflügel_1
- 60
- Zusatz-Tragflügel-2
- 61
- Axialer
regelbarer Drehmechanismus des Zusatz-Tragflügel_1
- Gama1
- Variabler
relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 61
- 62
- Axialer
regelbarer Drehmechanismus des Zusatz-Tragflügel_2
- Gama2
- Variabler
relativer Drehwinkel erzeugt durch Drehmechanismus 62
- 63
- Haupt
Drehwellen Lager des Zusatz-Tragflügel_1
- 64
- Haupt
Drehwellen Lager des Zusatz-Tragflügel_2