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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen unbemannten Kleinflugkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige unbemannte Kleinflugkörper werden zur Nahfeld-Aufklärung oder zur Nahfeld-Bekämpfung eingesetzt und können im Ausrüstungsgepäck kleiner Einsatzgruppen oder auf Fahrzeugen mitgeführt werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Miniaturflugkörper, die für den Schwebeflug und ausreichend schnellen Marschflug geeignet sind, weisen häufig konstruktionsbedingt, zum Beispiel durch eine relativ große Angriffsfläche relativ zum Wind, eine deutliche Windanfälligkeit und hohen Energieverbrauch auf. Erschwerend kommt hinzu, dass die Steuerbarkeit in Situationen mit Wind häufig herabgesetzt ist, zum Beispiel dadurch, dass die Ruder nicht mehr ideal angeströmt werden.
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Klassische Drehflügler und Quattrokopter oder Systeme mit mindestens drei auf einer Struktur entfernt voneinander angeordneten Propellern zeichnen sich durch hohe Schwebefähigkeit, aber eingeschränkte Marschflugfähigkeit und Manövrierbarkeit aus. Durch das Fehlen von aerodynamischen Auftriebsflächen ist der Marschflug ebenfalls nicht energieeffizient. Dieselbe Charakteristik, nämlich gute Schwebeflugeigenschaften und eingeschränkte Marschflugeigenschaften, weisen Systeme auf, die im Wesentlichen aus einem nach unten ausstoßenden Triebwerk mit darunter angeordneten Rudern bestehen.
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STAND DER TECHNIK
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Ein gattungsgemäßer unbemannter Kleinflugkörper ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 018 188 A1 bekannt, der mittels eines von einem batteriebetriebenen Elektromotor angetriebenen Frontpropellers und am Heck angeordneter Ruder aus dem Marschflug in den Schwebeflug überführbar ist. Dieser bekannte Kleinflugkörper kann senkrecht starten und landen und zudem sowohl einen Marschflug durchführen als auch über einem Ort am Boden hovern, sich dort also im Schwebeflug aufhalten.
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Dazu ist dieser bekannte Kleinflugkörper mit einem elektromotorisch angetriebenen Propeller versehen, der an der Nase des Rumpfs angeordnet ist. Seitlich am Rumpf sind aerodynamische Tragflächen angebracht, an deren rückwärtigen Enden schwenkbare Ruder vorgesehen sind. Der praktische Einsatz dieses auch als ”Mini-Drohne” bezeichneten unbemannten Kleinflugkörpers hat jedoch aufgezeigt, dass der Übergang vom vertikalen Flugzustand beim Start oder beim Schwebeflug in den Marschflug und von dort zurück in den vertikalen Flugzustand zum Zweck der Landung problematisch ist. Insbesondere bei Seitenwindeinfluss ist die Steuerbarkeit dieses bekannten unbemannten Kleinflugkörpers nicht immer zuverlässig gewährleistet. Auch bei bestimmten wesentlichen Flugmanövern, wie dem vertikalen Abstieg, entstehen aufgrund der ungünstigen Strömungsverhältnisse schwierige Bedingungen.
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Aus der
DE 2004 061 977 A1 ist ein unbemannter Kleinflugkörper mit ausklappbaren Trag- und Steuerflächen bekannt, der mittels eines von einem batteriebetriebenen Elektromotor angetriebenen Heckpropellers aus dem Marschflug in einen Schwebeflug durch Änderung der Drehrichtung des Propellers überführbar ist. Auch bei diesem bekannten unbemannten Kleinflugkörper hat sich die Steuerbarkeit insbesondere in der Transitionsphase zwischen Marschflug und Schwebeflug als schwierig erwiesen.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen unbemannten Kleinflugkörper anzugeben, der in den Transitionsphasen zwischen Schwebeflug und Marschflug und zwischen Marschflug und Schwebeflug sowie bei Manövern mit schwierigen Anströmbedingungen, auch bei eventuell auftretendem Seitenwindeinfluss, zuverlässig steuerbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Erfindungsgemäß ist dazu zumindest ein Bereich der Ruder in Strömungsrichtung der vom Propeller erzeugten Luftströmung unmittelbar hinter zumindest einem Propeller angeordnet.
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VORTEILE
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Diese Ausgestaltung der Anordnung der Ruder in Bezug auf den Propeller sorgt dafür, dass die Ruder vom Propeller unmittelbar angeströmt werden, so dass die schwenkbaren Ruder selbst dann noch eine ausreichende Anströmung erfahren, wenn konstanter oder böiger Seitenwind auf den unbemannten Kleinflugkörper auftrifft.
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Dieser erfindungsgemäße Kleinflugkörper eignet sich besonders für die Durchführung von taktischen Aufgaben und beherrscht die Durchführung von Schwebe- und Marschflugphasen sowie die Transition zwischen diesen Flugphasen auch unter schwierigen Umweltbedingungen. Durch die Realisierbarkeit der beiden Flugphasen ist es möglich, anspruchsvolle Operationen, wie den schnellen Flug zu einer definierten Zielposition und einer sich daran anschließenden Beobachtung im Schwebeflug durchzuführen. Durch diese Anordnung wird auch der vertikale Sinkflug problemlos möglich. Auch eine Bewaffnung des Flugkörpers ist denkbar.
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Vorzugsweise ist der Antriebsmotor im Heckbereich des Rumpfs angeordnet, so dass der Antriebsmotor von der Rumpfhülle aerodynamisch verkleidet ist.
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Der Antriebsmotor ist weiterhin vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet. Die zur Versorgung des Elektromotors erforderlichen Batterien oder Akkumulatoren können im Rumpf oder im Inneren der am Rumpf angeordneten aerodynamischen Wirkflächen vorgesehen sein. Diese Ausgestaltung des Kleinflugkörpers mit einem elektrischen Antrieb ermöglicht einen zuverlässigen und unproblematischen Einsatz auch in schwierigsten Umgebungen.
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Vorzugsweise ist der Antriebsmotor koaxial zur Rollachse des Kleinflugkörpers angeordnet. Hierdurch wird eine besonders vorteilhafte flugmechanische Konfiguration des Kleinflugkörpers erzielt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen unbemannten Kleinflugkörpers ist ein zweiter Propeller vorgesehen, der koaxial zum ersten Propeller angeordnet ist und der sich zu diesem gegenläufig dreht. Der zweite Propeller kann entweder vom vorhandenen Antriebsmotor des ersten Propellers über ein Getriebe, vorzugsweise ein Koaxialgetriebe, antreibbar sein oder er kann alternativ von einem zweiten Antriebsmotor antreibbar sein, der ebenfalls vorzugsweise koaxial zur Rollachse des Kleinflugkörpers angeordnet ist. Diese beiden alternativen Ausgestaltungen mit zwei gegenläufig drehenden Propellern sorgen dafür, dass die vom jeweiligen Propeller auf den Kleinflugkörper ausgeübten Drehmomente einander kompensieren, sodass die Lage des Flugkörpers um die Rollachse stabilisiert ist.
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Vorzugsweise sind die schwenkbaren Ruder an vier kartesisch um die Längsachse des Kleinflugkörpers angeordneten Ruderachsen gelagert. Bei dieser Variante sind die Ruder in Umfangsrichtung um jeweils 90° voneinander beabstandet. Alternativ können die schwenkbaren Ruder auch an drei sich sternförmig von der Längsachse des Kleinflugkörpers weg erstreckenden Ruderachsen gelagert sein, die in Umfangsrichtung um jeweils 120° voneinander beabstandet sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zur Betätigung eines jeden Ruders vorgesehene Rudermaschine in das zugeordnete Ruder derart integriert ist, dass nur ein schwenkbarer Ruderhebel aus dem Ruder hervorragt, der mit einem Strukturelement des Kleinflugkörpers verbunden ist. Auf diese Weise ist die zur Betätigung des Ruders erforderliche Rudermaschine durch das Ruder selbst aerodynamisch verkleidet.
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Bevorzugterweise weist der Kleinflugkörper ein am Heck angeordnetes Start- und Landegestell auf. Mittels dieses Landegestells ist der Kleinflugkörper von beliebigen Orten aus ohne das Erfordernis einer gesonderten Startvorrichtung startbar und kann auf die gleiche Weise wieder sicher gelandet werden.
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Vorteilhaft ist dabei, wenn zumindest ein Schwenklager eines jeweiligen Ruders im Start- und Landegestell vorgesehen ist. Das zumindest eine Schwenklager kann dazu auf der dem Ruder zugeordneten Ruderachse vorgesehen sein, die mit dem Start- und Landegestell fest verbunden ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen unbemannten Kleinflugkörpers und
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2 ein Prinzipschaubild einer Steuerungssoftware für diesen unbemannten Kleinflugkörper
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer unbemannter Kleinflugkörper in einer Seitenansicht dargestellt. Der Kleinflugkörper besitzt einen Rumpf 1, an dessen rückwärtigem Ende vier aerodynamische Wirkflächen starr angebracht sind, die Flügel 2 des Kleinflugkörpers bilden. Diese Flügel 2 sind kartesisch um die Längsachse X des Flugkörpers herum angeordnet und sind somit rechtwinklig zueinander ausgerichtet. Der in der 1 gezeigte unbemannte Kleinflugkörper ist somit als Kreuzflügler mit vier Halbflügeln ausgestaltet. Die Rumpfstruktur und die Tragflächenstruktur sind aus Leichtbaumaterialien, vorzugsweise aus geschäumtem Kunststoff gefertigt.
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An den radial außen liegenden Flügelenden 20 des jeweiligen Flügels 2 sind in dessen hinterem Bereich Stützbeine 30 eines Start- und Landegestells 3 angebracht, die sich in Richtung der Flugkörperlängsachse X nach hinten über die Flügel 2 hinaus erstrecken. Am hinteren freien Ende der Stützbeine 30 des Start- und Landegestells 3 sind ballonartige Stützfüße 32 vorgesehen, die vorzugsweise aus elastischem Material bestehen. Verbindungsstreben 34 verbinden jeweils zwei benachbarte Stützbeine 30. Diese Verbindungsstreben 34 können entweder gerade oder als Kreissegment gekrümmt ausgebildet sein, sodass die Streben 34 in ihrer Gesamtheit einen die Stützfüße 30 miteinander verbindenden Ring bilden.
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Im Heckbereich 10 des Rumpfs 1 ist ein erster Antriebsmotor 40 einer ersten Antriebseinheit 4 angeordnet. Der Antriebsmotor 40 ist vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet und wird von im Rumpf 1 und/oder in den Tragflächen 2 vorgesehenen Speichern für elektrische Energie, die in der Zeichnung nur schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet sind, mit elektrischer Energie versorgt. Anstelle der im Rumpf angebrachten Speichereinrichtung 6 für elektrische Energie, die als Batterie oder als Akkumulator ausgebildet sein kann, können auch eine oder mehrere elektrische Speichereinrichtungen an der Außenseite des Rumpfes vorgesehen sein.
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Ein Hecksporn 12, der den Antriebsmotor 40 und den Propeller 42 axial durchdringt, ist mit dem Rumpf 1 fest verbunden. Auf dem Hecksporn 12 ist hinter dem ersten Propeller 42 ein zweiter, vorzugsweise elektrischer Antriebsmotor 50 einer zweiten Antriebseinheit 5 vorgesehen, der einen ebenfalls auf dem Hecksporn 12 drehbar gelagerten zweiten Propeller 52 antreibt. Die Rotationsachsen der Antriebsmotoren 40, 50 und somit auch der Propeller 42, 52 liegen auf der Längsachse X des Kleinflugkörpers und da der Kleinflugkörper um die Längsachse X symmetrisch aufgebaut ist, entspricht diese der dynamischen Rollachse X' des Kleinflugkörpers. Somit sind die Antriebsmotoren 40, 50 und die Propeller 42, 52 koaxial zur Rollachse X' des Kleinflugkörpers angeordnet. Die Propeller 42, 52 drehen in entgegengesetzte Rotationsrichtungen, sodass die von den Propellern 42,52 auf den Kleinflugkörper induzierten Drehmomente um die Rollachse X' einander aufheben. Die von den Propellern 42, 52 erzeugte Luftströmung ist im wesentlichen nach hinten in Bezug auf den Flugkörper (in 1 nach unten) gerichtet und erzeugt einen Vortrieb für den Kleinflugkörper.
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Anstelle der in 1 dargestellten zwei Koaxialmotoren 40, 50, die jeweils als Elektromotor ausgebildet sind und jeweils einen der Propeller 42, 52 antreiben, kann alternativ auch ein einziger Antriebsmotor vorgesehen sein, der über ein Getriebe beide Propeller 42, 52 gegensinnig antreibt. Dieses Getriebe ist vorzugsweise als Koaxialgetriebe ausgebildet, das auf dem Hecksporn 12 hinter dem Antriebsmotor angebracht ist. Die Antriebsmotoren können als bürstenlose Elektromotoren ausgestaltet sein, die von einer entsprechenden Regeleinrichtung (Drehzahlsteller oder Drehzahlregler) in ihrer Drehzahl steuerbar sind, sodass dadurch der Vortrieb des unbemannten Flugkörpers steuerbar beziehungsweise regelbar ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle von Elektromotoren Verbrennungsmotoren oder Hybridsysteme aus Elektromotor(en) und Verbrennungsmotor(en) einzusetzen.
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Unmittelbar hinter der Anordnung aus den beiden Propellern 42, 52, also hinter dem zweiten Propeller 52, sind im Abwindfeld der von den Propellern 42, 52 erzeugten Luftströmung vier schwenkbare Ruder 7 vorgesehen. Jedes der Ruder 7 ist auf einer zugeordneten Ruderachse 70 schwenkbar gelagert, die sich zwischen dem Hecksporn 12 und einem Stützbein 30 des Start- und Landegestells 3 bezüglich der Flugkörperlängsachse X radial nach außen erstreckt. Die schwenkbaren Ruder 7 sind somit an vier kartesisch um die Längsachse X des Kleinflugkörpers angeordneten Ruderachsen 70 schwenkbar gelagert.
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Zur Betätigung eines jeden Ruders 7 ist eine Rudermaschine 72 vorgesehen, die in das zugeordnete Ruder 7 derart integriert ist, dass nur ein schwenkbarer Ruderhebel (nicht gezeigt) aus dem Ruder hervorragt, der mit einem Strukturelement des Kleinflugkörpers, beispielsweise mit der Ruderachse 70, verbunden ist.
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Die für die Steuerung des Flugkörpers erforderliche Lenkelektronik, einschließlich einer grundlegenden Flugführungssensorik, die beispielsweise aus einer Inertialmesseinheit (IMU), Beschleunigungssensoren und Drehratenmessern besteht, ist im Rumpf 1 und/oder den Flügeln 2 untergebracht. Des Weiteren sind dort auch ein Satellitennavigationsempfänger sowie Drucksensoren, Ultraschallsensoren, Drehzahlsensoren, Temperatursensoren und/oder Betriebsspannungssensoren sowie Datenübertragungseinrichtungen vorgesehen.
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Im vorderen Abschnitt 14 des Rumpfs 1 ist ein Raum für eine Nutzlast ausgebildet. Diese Nutzlast kann beispielsweise von einer Kamera und/oder einem Suchkopf gebildet sein. Sie kann weiterhin auch Kampfmittel aufweisen.
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Da der erfindungsgemäße Kleinflugkörper vorzugsweise für den Nahfeldeinsatz vorgesehen ist und von einzelnen Einsatzkräften mitgeführt werden können soll, ist er vorzugsweise modular, zum Beispiel zusammensteckbar, aufgebaut. Beispielsweise beträgt die Länge des gesamten Kleinflugkörpers zwischen 50 cm und 1,3 m, der Durchmesser der Rumpfstruktur beträgt zwischen 5 cm und 15 cm und das Gesamtgewicht beträgt zwischen 1 kg und 6 kg. Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kleinflugkörpers besitzt eine Länge von 70 cm, einen Rumpfdurchmesser von 7 cm und ein Gesamtgewicht von 1 kg. Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flugkörpers, das für längere Flugzeiten und/oder einen größeren Nutzlasttransport geeignet ist, besitzt eine Länge von 1,2 m, einen Rumpfdurchmesser von 12 cm und ein Gesamtgewicht von 5 kg.
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Der erfindungsgemäße Kleinflugkörper kann entweder unmittelbar vom Startgestell 3 gestartet werden und auf diesem landen oder er kann aus einem in 1 nur schematisch dargestellten Startcontainer 8 gestartet werden. Der Startcontainer 8 reduziert Beeinträchtigungen während der Lagerung und der Missionsvorbereitung und verhindert auf zuverlässige Weise ein Umkippen des Flugkörpers während des Startvorgangs, beispielsweise bei starken Windeinflüssen.
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Der erfindungsgemäße Kleinflugkörper ist Teil eines Systems, das neben dem Kleinflugkörper eine Boden- oder Bedienstation aufweist, die über Funk mit einem entsprechenden Sende-/Empfangsgerät im Kleinflugkörper zur eindirektionalen oder bidirektionalen Datenübertragung verbunden ist. Der Bediener des Systems kann durch geeignete Steuerelemente über die Bedienstation Kommandos an den Kleinflugkörper übertragen, beispielsweise Kommandos zur Positionssteuerung des Kleinflugkörpers. Weiterhin können vom Kleinflugkörper Informationen über den Flugzustand und/oder die Umgebung des Kleinflugkörpers (z. B. Bilder oder Videos, die von einer im Kleinflugkörper vorhandenen Kamera aufgenommen worden sind) an die Bedienstation übertragen, die dort auf einem Bildschirm angezeigt werden.
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2 zeigt in einem Blockdiagramm den Datenfluss zwischen dem Bediener und dem Flugkörper sowie die Interaktion des Flugkörpers mit der ihn umgebenden Umwelt.
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Im Lageregelungsmodus ermittelt die zur Lenkelektronik gehörende Software zum Zweck der Lageregelung des Kleinflugkörpers im Navigationsmodul 112 die geschätzte Lage des Flugkörpers. Ein Lageregelungsmodul 110 vergleicht die geschätzte Lage mit den vom Bediener 101 in die Bedienstation 102 eingegebenen Daten, die über die Datenübertragungseinrichtung 103, 104 an die Lenkelektronik des Flugkörpers übertragen werden.
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Die Lenkelektronik kann ebenfalls im sogenannten Positionsregelungsmodus von einem Positionsregelungsmodul 107 kommandiert werden. Dabei vergleicht eine Höhenregelung 108 die im Navigationsmodul 112 geschätzte Höhe beziehungsweise die Höhe über Grund mit der kommandierten Höhe und ermittelt daraus Schubkommandos für die Antriebseinheit 109. Das Positionsregelungsmodul 107 vergleicht die vom Navigationsmodul geschätzte Position mit der kommandierten Position und ermittelt daraus entsprechende Lage- und Höhenkommandos. Die kommandierten Positionen für das Positionsregelungsmodul ergeben sich aus den durch den Bediener 101 vorgegebenen und über die Bedienstation 102, die Datenübertragungseinrichtung 103, 104 und von einer Online-Bahnplanung 105 zur Verfügung gestellten Bahndaten. Diese Bahndaten können beispielsweise aus einem einzigen Punkt bestehen, wenn der Kleinflugkörper seine Position an einem Ort halten soll, sie können aber auch relativ zu einer gegenwärtigen Position vorgegeben werden, was typisch ist für einen Flug nach Kamerabildern oder bei guter Sicht durch vom Bediener zum unbemannten Kleinflugkörper kommandierten Steuerbefehlen. Die Bahndaten können aber auch durch eine vorgegebene und in einem Missionsdatenspeicher abgespeicherte Flugbahn vorgegeben sein.
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Ein übergeordnetes Moding definiert die Betriebsmodi des unbemannten Kleinflugkörpers sowie der Software-Module der Lenkelektronik in Abhängigkeit von den Bedienervorgaben sowie von Sensor- und Modulinformationen, zum Beispiel über GPS-Verfügbarkeit, Navigationsgenauigkeit oder Ladezustand der Batterien im Falle eines Elektroantriebs. Ein Zeitplaner oder Scheduler 106 bestimmt die Aufrufreihenfolge und Aufrufhäufigkeit der einzelnen Module.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rumpf
- 2
- Flügel
- 3
- Start- und Landegestell
- 4
- erste Antriebseinheit
- 5
- zweite Antriebseinheit
- 6
- Speichereinrichtung für elektrische Energie
- 7
- Ruder
- 8
- Startcontainer
- 10
- Heckbereich
- 12
- Hecksporn
- 14
- vorderer Abschnitt
- 20
- radial außen liegende Flügelenden
- 30
- Stützbeine
- 32
- Stützfüße
- 34
- Verbindungsstreben
- 40, 50
- Antriebsmotor
- 42, 52
- Propeller
- 70
- Ruderachse
- 72
- Rudermaschine
- 101
- Bediener
- 102
- Bedienstation
- 103, 104
- Datenübertragungseinrichtung
- 105
- Online-Bahnplanung
- 106
- Zeitplaner (Scheduler)
- 107
- Positionsregelungsmodul
- 108
- Höhenregelung
- 109
- Antriebseinheit
- 110
- Lagerregelungsmodul
- 112
- Navigationsmodul
- X
- Längsachse
- X'
- Rollachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007018188 A1 [0004]
- DE 2004061977 A1 [0006]
