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Die Erfindung betrifft ein unbemanntes Fluggerät sowie ein Flugzeug zur Verwendung mit diesem unbemannten Fluggerät. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Flugzeugs mit einem unbemannten Fluggerät.
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Flugzeuge mit eigenem Flugzeugantrieb, wie z.B. Verkehrsflugzeuge in der Form von Passagierflugzeugen bzw. Frachtflugzeugen, brauchen zum Starten und bis zum Erreichen der Reiseflughöhe eine deutlich höhere Antriebsleistung als während des normalen Flugs. Dies hat zu Folge, dass die Flugzeugantriebe der Flugzeuge deutlich überdimensioniert werden, so dass sie im normalen Flug lediglich im Teillastbetrieb und damit mit niedriger Effizienz betrieben werden.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, in einem kleinen Flugzeug den Verbrennungsmotor durch einen seriellen Hybridantrieb zu ersetzen, um hierdurch den Wirkungsgrad zu verbessern. Dabei erfolgt der Antrieb des Flugzeugs über einen Elektromotor, wobei die Energie für den Elektromotor mittels eines Verbrennungsmotors erzeugt wird. Diese Lösung eignet sich nicht für größere Verkehrsflugzeuge.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die von einem Flugzeug bereitgestellte Antriebsleistung beim Start des Flugzeugs zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird ein unbemanntes Fluggerät geschaffen, welches über eine Kopplungseinrichtung verfügt, um im gekoppelten Zustand dieser Einrichtung das Fluggerät mit einem bemannten, einen Flugzeugantrieb umfassenden Flugzeug mechanisch zu verbinden. Diese mechanische Verbindung ist über die Kopplungseinrichtung durch deren Entkoppeln wieder lösbar. Bei dem bemannten Flugzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Verkehrsflugzeug, im Besonderen um eine Passagiermaschine bzw. ein Frachtflugzeug, d.h. um Flugzeuge mit größeren Abmessungen, die z.B. im Linienflugverkehr eingesetzt werden. Der Flugzeugantrieb des Flugzeugs ist beispielsweise ein Düsenantrieb, kann jedoch bei kleinen Maschinen auch ein Propellerantrieb sein.
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Das erfindungsgemäße unbemannte Fluggerät, welches vorzugsweise auch ein Flugzeug ist, verfügt über einen eigenen Antrieb, der je nach Ausgestaltung z.B. ein Düsenantrieb oder auch ein Propellerantrieb sein kann. Der Antrieb des Fluggeräts dient dazu, den Start des bemannten Flugzeugs im gekoppelten Zustand der Kopplungseinrichtung (d.h. bei mechanischer Verbindung zwischen Fluggerät und Flugzeug) zu unterstützen. Der Begriff des Starts des Flugzeugs ist dabei weit zu verstehen. Hierunter fällt ggf. auch die Zeitspanne bis zum Erreichen der Reiseflughöhe, jedoch kann die Startunterstützung durch das unbemannte Fluggerät auch schon früher beendet werden.
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Der Antrieb des Fluggeräts wird über einen Energiespeicher im Fluggerät versorgt. Vorzugsweise ist dieser Energiespeicher ein Brennstoffspeicher, insbesondere zur Speicherung von fossilem Brennstoffen (vorzugsweise Kerosin) oder von Wasserstoff. Gegebenenfalls ist es jedoch auch möglich, dass der Energiespeicher ein elektrischer Energiespeicher ist. In diesem Fall umfasst der Antrieb des Fluggeräts einen Elektromotor, der mit der elektrischen Energie aus dem elektrischen Energiespeicher gespeist wird.
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Das unbemannte Fluggerät beinhaltet ferner eine Steuereinrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass sie nach Entkoppeln der Kopplungseinrichtung von dem gestarteten Flugzeug einen Flug des Fluggeräts zu einem vorbestimmten Ort durchführt. An diesem vorbestimmten Ort landet das Fluggerät. Der vorbestimmte Ort kann der Flughafen sein, an dem das Fluggerät mit dem Flugzeug beim Start gekoppelt wurde. Gegebenenfalls kann der Ort jedoch auch ein anderer Flughafen sein, an dem das Fluggerät zur Unterstützung eines Startvorgangs eines Flugzeugs benötigt wird.
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Das erfindungsgemäße Fluggerät ermöglicht eine einfache und effiziente Unterstützung des Startvorgangs eines Flugzeugs. Der Begriff der Unterstützung des Startvorgangs ist dabei weit zu verstehen. Unter Umständen kann die gesamte Antriebsleistung zum Startvorgang nur durch den Antrieb des Fluggeräts ohne Verwendung des Flugzeugantriebs bereitgestellt werden. Durch die Verwendung des unbemannten Fluggeräts beim Startvorgang können die Triebwerke des entsprechenden Flugzeugs verkleinert werden, da sie weniger Last während des Startvorgangs bereitstellen müssen. Dies hat wiederum zu Folge, dass die Flugzeugtriebwerke im normalen Flugbetrieb mit höherer Last betrieben werden können, wodurch deren Effizienz erhöht wird. Durch den automatischen Rückflug des unbemannten Fluggeräts nach Entkoppeln vom gestarteten Flugzeug wird die Wiederverwendung des Fluggeräts sichergestellt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kopplungseinrichtung des erfindungsgemäßen Fluggeräts derart ausgestaltet, dass sie im gekoppelten Zustand ferner den Energiespeicher des Fluggeräts mit dem Flugzeug verbindet, so dass beim Start des Flugzeugs eine oder mehrere Verbraucher des Flugzeugs, insbesondere der Flugzeugantrieb des Flugzeugs, zumindest teilweise über den Energiespeicher des Fluggeräts versorgt werden. Falls das Fluggerät und das Flugzeug durch Brennstoff betrieben werden, wird über die Kopplungseinrichtung z.B. eine Verbindung geschaffen, um Brennstoff von dem Brennstoffspeicher des Fluggeräts zum Antrieb des Flugzeugs bzw. zu dessen Brennstoffspeicher zu leiten. Im Falle eines elektrischen Energiespeichers wird über die Kopplungseinrichtung elektrische Energie zu entsprechenden Verbrauchern bzw. dem Flugzeugantrieb des Flugzeugs geführt. Die soeben beschriebene Variante der Erfindung hat den Vorteil, dass die Reichweite des Flugzeugs erhöht wird bzw. das Flugzeug weniger Kraftstoff oder elektrische Energie zum Zurücklegen seiner Flugstrecke benötigt, was zu einer Gewichtsreduzierung und einer höheren Effizienz führt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Fluggerät derart ausgestaltet, dass es im gekoppelten Zustand der Kopplungseinrichtung eine Kommunikationsverbindung zu dem Flugzeug herstellt. Über diese Kommunikationsverbindung können das Fluggerät und das Flugzeug Daten austauschen. Insbesondere kann über einen Befehl des Flugzeugs ein Entkoppeln der Kopplungseinrichtung von dem gestarteten Flugzeug bewirkt werden. Dieser Befehl kann z.B. manuell durch den Piloten des Flugzeugs über eine Benutzerschnittstelle eingegeben werden.
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Die Kommunikationsverbindung zwischen Fluggerät und Flugzeug kann auf verschiedene Weise realisiert werden. In einer Variante ist das erfindungsgemäße Fluggerät derart ausgestaltet, dass mittels der Kopplungseinrichtung im gekoppelten Zustand eine drahtgebundene Kommunikationsverbindung zu dem Flugzeug hergestellt wird. Hierzu werden mittels der Kopplungseinrichtung entsprechende Leitungen miteinander verbunden. Alternativ oder zusätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass über eine Funkeinheit des Fluggeräts eine drahtlose Kommunikationsverbindung zu dem Flugzeug hergestellt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluggeräts ist die Steuereinrichtung derart ausgestaltet, dass sie nach dem Start des Flugzeugs ein automatisches Abkoppeln des Fluggeräts durch Entkoppeln der Entkopplungseinrichtung von dem Flugzeug bewirkt, insbesondere dann, wenn eine vorbestimmte Flughöhe erreicht ist. Auf diese Weise ist kein manueller Eingriff des Flugzeugs bzw. Flugzeugpiloten zum Abkoppeln des Fluggeräts erforderlich.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung des Fluggeräts derart ausgestaltet, dass sie nach Entkoppeln der Kopplungseinrichtung von dem gestarteten Flugzeug autonom den Flug des Fluggeräts zu dem vorbestimmten Ort steuert. Das Fluggerät steuert somit selbsttätig seinen Flug mittels seiner Steuereinrichtung, um den vorbestimmten Ort zu erreichen. Es ist somit kein Eingriff von außen zum Flug des Fluggeräts erforderlich.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Fluggerät eine Funkeinrichtung, über welche das Fluggerät mit einer Bodenstation kommunizieren kann. Auf diese Weise kann eine Überwachung des Fluggeräts von einer Bodenstation auf der Erdoberfläche erfolgen. Gegebenenfalls kann dabei auch über einen Befehl der Bodenstation ein Entkoppeln der Kopplungseinrichtung von dem gestarteten Flugzeug bewirkt werden.
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In einer weiteren Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist die Steuereinrichtung derart ausgestaltet, dass sie durch Befehle der Bodenstation, welche von der Funkeinrichtung des Fluggeräts empfangen werden, den Flug des Fluggeräts zu dem vorbestimmten Ort nach Entkoppeln der Kopplungseinrichtung steuert. Diese Steuerung durch Eingriff der Bodenstation kann alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen autonomen Flugsteuerung der Steuereinrichtung vorgesehen sein.
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Neben dem oben beschriebenen unbemannten Fluggerät umfasst die Erfindung ferner ein bemanntes Flugzeug zur Verwendung mit dem unbemannten Fluggerät. Das bemannte Flugzeug umfasst einen Flugzeugantrieb sowie ein Kopplungselement, wobei das Kopplungselement zur mechanischen Verbindung mit der Kopplungseinrichtung des Fluggeräts dient. Mit anderen Worten wird durch Verbindung der Kopplungseinrichtung des Fluggeräts mit dem Kopplungselement des Flugzeugs die mechanische Verbindung zwischen Flugzeug und Fluggerät hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Flugzeug eine Verbindungseinrichtung, welche mit der Kopplungseinrichtung des Fluggeräts im gekoppelten Zustand derart wechselt, dass eine Versorgung einer oder mehrerer Verbraucher des Flugzeugs, insbesondere des Flugzeugantriebs des Flugzeugs, über den Energiespeicher des Fluggeräts ermöglicht wird. Ist der Energiespeicher ein Brennstoffspeicher, so ist die Verbindungseinrichtung als eine mit der Kopplungseinrichtung verbindbare Leitung zum Transport von Brennstoff ausgestaltet.
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In einer weiteren Variante ist das erfindungsgemäße Flugzeug derart ausgestaltet, dass es mit dem Fluggerät drahtlos und/oder drahtgebunden kommunizieren kann, wenn das Fluggerät über die Kopplungseinrichtung mechanisch mit dem Flugzeug verbunden ist. Die drahtgebundene Kommunikation kann z.B. über die Kopplungseinrichtung hergestellt werden, wie oben erläutert wurde. Zur drahtlosen Kommunikation ist eine entsprechende Funkeinheit in dem Flugzeug vorgesehen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Starten eines Flugzeugs mit dem erfindungsgemäßen Fluggerät bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten des erfindungsgemäßen Fluggeräts. Im Rahmen des Verfahrens unterstützt der Antrieb des Fluggeräts den Start des Flugzeugs im gekoppelten Zustand der Kopplungseinrichtung, wobei die Steuereinrichtung des Fluggeräts nach Entkoppeln der Kopplungseinrichtung von dem gestarteten Flugzeug einen Flug des Fluggeräts zu einem vorbestimmten Ort durchführt. Wie oben beschrieben, kann dieser Flug z.B. autonom durch die Steuereinrichtung vorgenommen werden bzw. gegebenenfalls durch Befehle einer Bodenstation, welche mit der Steuereinrichtung kommuniziert.
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In einer speziellen Variante des obigen Verfahrens werden beim Start des Flugzeugs im gekoppelten Zustand der Kopplungseinrichtung eine oder mehrere Verbraucher des Flugzeugs, insbesondere der Flugzeugantrieb des Flugzeugs, zumindest teilweise über den Energiespeicher des Fluggeräts versorgt.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens findet beim Start des Flugzeugs eine Kommunikation zwischen dem Fluggerät und dem Flugzeug statt, wobei die Kommunikation entsprechend den oben beschriebenen Varianten drahtgebunden bzw. drahtlos hergestellt werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten 1 detailliert beschrieben. Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluggeräts, das an ein Flugzeug gekoppelt ist.
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In der folgenden Beschreibung wird das unbemannte Fluggerät auch als Drohne bezeichnet. Diese Drohne dient zur Unterstützung des Startvorgangs eines Verkehrsflugzeugs und wird hierfür mechanisch an das Verkehrsflugzeug gekoppelt. 1 zeigt in schematischer Darstellung das Verkehrsflugzeug in der Form einer Passagiermaschine 1 mit entsprechendem Düsenantrieb 101, der unterhalb der Flügel 102 des Flugzeugs 1 angeordnet ist. Der Startvorgang des Flugzeugs 1 wird durch die Drohne 2 unterstützt, die in der Ausführungsform der 1 auf der Oberseite des Flugzeugs angebracht wird und ein miniaturisiertes Flugzeug darstellt. Die Anordnung der Drohne an dem Flugzeug ist lediglich beispielhaft und ggf. kann die Drohne auch unterhalb des Flugzeugs positioniert werden.
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Die Drohne 2 verfügt über einen eigenständigen Antrieb 201, der im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Düsenabtrieb ist, über eine Kopplungseinrichtung 202, eine Steuerrichtung 203 sowie einen Energiespeicher 204, der den Antrieb 201 mit Treibstoff versorgt. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird sowohl die Drohne 2 als auch das Verkehrsflugzeug 1 über Kerosin angetrieben. Demzufolge handelt es sich bei dem Energiespeicher 204 um einen Kerosinspeicher. Das Kerosin aus diesem Speicher wird dem Antrieb 201 zur Verbrennung zugeführt.
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Zum Start des Flugzeugs 1 wird die Drohne 2 über die lediglich schematisch angedeutete Kopplungseinrichtung 201 mechanisch mit dem Flugzeug 1 gekoppelt. Hierfür umfasst das Flugzeug ein entsprechendes Kopplungselement, über das die mechanische Verbindung zu der Kopplungseinrichtung 201 der Drohne 2 erfolgt. Dieses Kopplungselement ist in 1 nicht näher gezeigt. Vor dem Start des Flugzeugs wird die Drohne 2 über eine geeignete Hebeeinrichtung auf das Flugzeug 1 aufgesetzt, um hierdurch die Kopplung mittels der Kopplungseinrichtung 202 zu erreichen. Während des Startvorgangs des Flugzeugs 1 wird neben dem Flugzeugantrieb 101 auch der Antrieb 201 der Drohne 2 angeschaltet, so dass dieser Antrieb den Startvorgang des Flugzeugs unterstützt.
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In der Ausführungsform der 1 wird der Antrieb 101 des Flugzeugs 1 auch über den Energiespeicher 204 der Drohne 2 gespeist. Hierfür ist in der Kopplungseinrichtung 202 ein entsprechendes Verbindungsmittel vorgesehen, über das das Kerosin aus dem Energiespeicher 201 zu entsprechenden Leitungen des Flugzeugs 1 gelangt und hierdurch dem Antrieb 101 zugeführt werden kann. Auf diese Weise wird beim Start des Flugzeugs Kraftstoff gespart und hierdurch die Reichweite des Flugzeugs erfüllt.
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Im Rahmen des Starts des Flugzeugs erfolgt ferner eine drahtgebundene bzw. ggf. auch drahtlose Kommunikation zwischen dem Flugzeug 1 und der Drohne 2. Dabei werden Daten zwischen Flugzeug und Drohne ausgetauscht, so dass der Pilot des Flugzeugs den Zustand der Drohne überwachen kann. Nach Erreichen der Reiseflughöhe wird ein Entkoppeln der Drohne 2 von dem Flugzeug 1 über die Kopplungseinrichtung 202 bewirkt. Zum Beispiel kann dieses Entkoppeln automatisch durch die Steuereinrichtung 203 der Drohne 2 ausgelöst werden, insbesondere wenn festgestellt wird, dass eine vorbestimmte Flughöhe erreicht ist. Gegebenenfalls kann das Entkoppeln jedoch auch durch Befehle des Flugzeugs ausgelöst werden, die mittels der oben beschriebenen drahtlosen bzw. drahtgebundenen Kommunikation an die Drohne übermittelt werden kann. Zum Beispiel kann über den Piloten des Flugzeugs manuell das Entkoppeln der Drohne ausgelöst werden.
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Um eine Wiederverwendung der Drohne für erneute Startvorgänge von Flugzeugen zu ermöglichen, ist die Steuereinrichtung 203 der Drohne 2 derart ausgestaltet, dass sie autonom zu dem Flughafen zurückfliegt, an dem das Flugzeug gestartet ist. Falls der Einsatz der Drohne an einem anderen Flughafen geplant sein sollte, kann die Steuereinrichtung auch den Rückflug zu einem anderen Flughafen autonom steuern. Nach Ankunft an dem Zielflughafen landet die Drohne selbständig und kann dann aufgetankt werden und für einen neuen Startvorgang eines Flugzeugs genutzt werden. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass die Drohne 2 über eine entsprechende Funkeinrichtung mit einer Bodenstation auf der Erdoberfläche kommuniziert, über welche in die Steuerung der Drohne eingegriffen werden kann. Zum Beispiel kann der Rückflug der Drohne auch über Befehle der Bodenstation durchgeführt werden, die an die Steuereinrichtung übertragen werden.
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Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann der Startvorgang eines Verkehrsflugzeugs durch eine Drohne bzw. deren Antrieb geeignet unterstützt werden. Dies macht es möglich, den Flugzeugantrieb des Verkehrsflugzeugs zu verkleinern, da die maximale Antriebsleistung des Flugzeugs, welche beim Start benötigt wird, reduziert werden kann. Die Verwendung eines verkleinerten Flugzeugantriebs führt dazu, dass der Flugzeugantrieb im normalen Flugbetrieb (d.h. ausschließlich des Starts) höher belastet werden kann und hierdurch sein Wirkungsgrad erhöht wird. Außerdem ist ein verkleinerter Flugzeugantrieb leichter, wodurch der Kraftstoffverbrauch des Flugzeugs gesenkt wird. Zudem sind kleinere Triebwerke auch kostengünstiger.
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Indem der Flugzeugantrieb des Verkehrsflugzeugs bei Flugzeugstart über den Energiespeicher der Drohne mit Treibstoff versorgt wird, kann die Reichweite des Flugzeugs erhöht werden bzw. der Energiespeicher des Flugzeugs kleiner gebaut werden, was eine weitere Gewichtsreduzierung des Flugzeugs und eine Verbesserung der Aerodynamik zu Folge hat. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Drohne ist nicht an ein einzelnes Flugzeug gekoppelt. Vielmehr kann die Drohne für viele Flugzeuge zum Einsatz kommen, d.h. es werden weniger Drohnen als Flugzeuge benötigt.
