DE102020112654B3

DE102020112654B3 - Aircraft

Info

Publication number: DE102020112654B3
Application number: DE102020112654.9A
Authority: DE
Inventors: Samantha Biedermann; Jens-Ole Thoebel
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2040-05-12

Abstract

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug mit den folgenden Merkmalen bereit: Das Luftfahrzeug weist einen Mantelpropeller (10) mit einer zweiteiligen Statorschaufel mit einer Vorderkante (12) und einer stromabwärts der Vorderkante (12) angeordneten Hinterkante (13) auf.The invention provides an aircraft with the following features: The aircraft has a ducted propeller (10) with a two-part stator blade with a leading edge (12) and a trailing edge (13) arranged downstream of the leading edge (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug.The present invention relates to an aircraft, in particular a fully electric, vertical take-off and landing (VTOL) aircraft.

Stand der TechnikState of the art

Als VTOL wird in der Luft- und Raumfahrttechnik sprachübergreifend jedwede Art von Flugzeug, Drohne oder Rakete bezeichnet, welche die Fähigkeit besitzt, im Wesentlichen senkrecht und ohne Start- und Landebahn abzuheben und wieder aufzusetzen. Dieser Sammelbegriff wird nachfolgend in einem weiten Sinne verwendet, der nicht nur Starrflügelflugzeuge mit Tragflächen, sondern ebenso Drehflügler wie Hub-, Trag-, Flugschrauber und Hybride wie Verbundhub- oder Kombinationsschrauber sowie Wandelflugzeuge einschließt. Erfasst seien des Weiteren Luftfahrzeuge mit der Fähigkeit, auf besonders kurzen Strecken zu starten und zu landen (short take-off and landing, STOL), auf kurzen Strecken zu starten, aber senkrecht zu landen (short take-off and vertical landing, STOVL) oder senkrecht zu starten, aber horizontal zu landen (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).In aerospace engineering, VTOL is any type of aircraft, drone or rocket that has the ability to take off and touch down essentially vertically and without a runway. This collective term is used in a broad sense in the following, which includes not only fixed-wing aircraft with wings, but also rotary-wing aircraft such as helicopters, gyroscopes, aircraft helicopters and hybrids such as composite helicopters or combination helicopters as well as convertible aircraft. Aircraft with the ability to take off and land on particularly short routes (short take-off and landing, STOL), take off on short routes but land vertically (short take-off and vertical landing, STOVL) are also included. or take off vertically but land horizontally (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).

DE 10 2014 213 215 A1 offenbart ein VTOL mit einem Mantelpropeller, welcher wiederum einen im Wesentlichen zylindrischen Mantel, welcher eine Längsachse des Mantelpropellers definiert und an seinen Grundflächen offen ist, einen Stator mit einer Mehrzahl von Statorschaufeln, einen Rotor mit einer Mehrzahl von Rotorschaufeln, welcher dazu eingerichtet ist, in eine Ebene senkrecht zur Längsachse des Mantelpropellers zu rotieren, und eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Rotors umfasst. Vorgesehen sind ferner eine im Rumpf oder einem Flügel des Flugobjekts bereitgestellte Aufnahmekammer für den Mantelpropeller und ein Mechanismus, welcher dazu eingerichtet ist, den Mantelpropeller von einem verstauten Zustand in einen ausgefahrenen Zustand zu überführen. Hierbei ist in dem verstauten Zustand der Mantelpropeller derart in der Aufnahmekammer aufgenommen, dass er in einer Längsrichtung des Flugobjekts betrachtet vollständig innerhalb der Hülle des Flugobjekts aufgenommen ist. Ferner liegen in dem ausgefahrenen Zustand wenigstens die Grundflächen des Mantels des Mantelpropellers außerhalb der Hülle des Flugobjekts und die Längsachse des Mantelpropellers ist um einen variierbaren, zwischen 0 Grad und 90 Grad liegenden Winkel bezüglich einer Nickachse des Flugobjekts gegen die Längsachse des Flugobjekts gekippt. DE 10 2014 213 215 A1 discloses a VTOL with a ducted propeller, which in turn has a substantially cylindrical jacket which defines a longitudinal axis of the ducted propeller and is open at its base, a stator with a plurality of stator blades, a rotor with a plurality of rotor blades, which is designed to be used in to rotate a plane perpendicular to the longitudinal axis of the ducted propeller, and comprises a drive device for driving the rotor. A receiving chamber for the ducted propeller, which is provided in the fuselage or a wing of the flying object, and a mechanism which is set up to transfer the ducted propeller from a stowed state to an extended state are also provided. Here, in the stowed state, the ducted propeller is received in the receiving chamber in such a way that, viewed in a longitudinal direction of the flying object, it is received completely within the envelope of the flying object. Furthermore, in the extended state, at least the base surfaces of the jacket of the ducted propeller lie outside the hull of the flying object and the longitudinal axis of the ducted propeller is tilted at a variable angle between 0 degrees and 90 degrees with respect to a pitch axis of the flying object against the longitudinal axis of the flying object.

US 2017 / 0 298 758 A1 offenbart den Gegenstand der Präambel von Anspruch 1.US 2017/0 298 758 A1 discloses the subject matter of the preamble of claim 1.

DE 103 13 991 A1 zeigt einen Rohrlüfter, bei dem eine Stromleitung durch Leitschaufeln geführt ist. DE 103 13 991 A1 shows a duct fan in which a power line is guided through guide vanes.

FR 1 489 883 A zeigt ein Luftfahrzeug mit einem Mantelpropeller und verstellbaren Leitschaufeln. FR 1 489 883 A shows an aircraft with a ducted propeller and adjustable guide vanes.

US 2016 / 0 130 973 A1 zeigt verstellbare Leitschaufeln in der Kompressorstufe der Gasturbine eines Mantelpropellers für ein Luftfahrzeug.US 2016/0 130 973 A1 shows adjustable guide vanes in the compressor stage of the gas turbine of a ducted propeller for an aircraft.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Vermeidung von Kabeln im Luftstrom.The object of the invention is to avoid cables in the air flow.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung stellt ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit.The invention provides an aircraft, in particular a fully electric aircraft capable of taking off and landing vertically in the above sense, according to independent claim 1.

Zum Antrieb des Luftfahrzeuges können hierbei anstelle freifahrender Rotoren mehrere Mantelpropeller (ducted fans) auch unterschiedlicher Größe zum Einsatz kommen, wie sie abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt sind. Das den Propeller umgebende zylindrische Gehäuse vermag in einer derartigen Ausführungsform die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen beträchtlich zu reduzieren. Geeignete Mantelpropeller mögen horizontal oder vertikal ausgerichtet, zwischen beiden Stellungen schwenkbar ausgeführt oder aus aerodynamischen Gründen im Horizontalflug durch Lamellen (louvers) abgedeckt sein. Zudem ist eine reine Horizontalschuberzeugung mittels feststehender Mantelpropeller denkbar.To drive the aircraft, instead of free-moving rotors, several ducted fans, also of different sizes, can be used, as are known from air-cushion vehicles or swamp boats, for example. In such an embodiment, the cylindrical housing surrounding the propeller is able to considerably reduce the thrust losses due to turbulence at the blade tips. Suitable ducted propellers may be aligned horizontally or vertically, designed to be pivotable between the two positions or, for aerodynamic reasons, be covered by louvers in horizontal flight. In addition, a pure horizontal thrust generation by means of fixed ducted propellers is conceivable.

Erfindungsgemäß ist für jeden Mantelpropeller ein zweiteiliger Stator vorgesehen, dessen Hinterkante (trailing edge) vorzugsweise aus einer Außenhaut, welche das Flügelprofil abbildet, und einem Teil besteht, welches das Profil verstärkt und Federklemmen (clips, fachsprachlich: „Klipse“) aufweist. In den vorderen Teil ist in diesem Fall das Gegenstück zu den Klipsen der Hinterkante integriert. Dieses Teil beinhaltet auch eine Kabelführung, sodass die Kabel an ihrer Position bleiben.According to the invention, a two-part stator is provided for each ducted propeller, the trailing edge of which preferably consists of an outer skin that depicts the wing profile and a part that reinforces the profile and has spring clips. In this case, the counterpart to the clips on the rear edge is integrated in the front part. This part also includes a cable guide so that the cables stay in place.

Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der Vermeidung von Kabeln im Luftstrom durch deren Integration in die Statorschaufeln, welche sie in der vorgesehenen Einbaulage fixieren. Hierbei ist eine Trennung von Hochspannungs- (high voltage, HV) und Niederspannungskabeln (low voltage, LV) möglich, um eine Beeinflussung etwaiger LV-Sensorkabel weitestgehend zu vermeiden.One advantage of this solution is the avoidance of cables in the air flow by integrating them into the stator blades, which fix them in the intended installation position. A separation of high voltage (HV) and low voltage cables (low voltage, LV) is possible in order to avoid influencing any LV sensor cables as far as possible.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann das Luftfahrzeug mit abgeknickten oder wahlweise abknickbaren Tragflächen ausgestattet sein. Eine entsprechende Variante vergrößert die im Horizontalflug wirksame Flügelfläche, ohne die Standfläche des Luftfahrzeuges auszudehnen.Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent claims. Thus, the aircraft can be equipped with bent or, alternatively, angled wings. A corresponding variant increases the wing area effective in level flight without expanding the standing area of the aircraft.

Ferner mag das Luftfahrzeug über ein schnell ladbares Batteriesystem verfügen, welches die Antriebsenergie für Senkrechtstart und -landung sowie Horizontalflug bereitstellt und eine kurzfristige Aufladung des Luftfahrzeuges im Stand ermöglicht.Furthermore, the aircraft may have a battery system that can be charged quickly, which provides the drive energy for vertical take-off and landing as well as level flight and enables the aircraft to be charged at short notice when the vehicle is stationary.

Schließlich kommt - neben einem vorzugsweise vollautonomen Betrieb des Luftfahrzeuges - bei hinreichender Qualifikation auch die Einräumung einer manuellen Kontrolle an den menschlichen Piloten in Betracht, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größtmögliche Flexibilität in der Handhabung verleiht.Finally - in addition to a preferably fully autonomous operation of the aircraft - with sufficient qualification, the granting of manual control to the human pilot comes into consideration, which gives the device according to the invention the greatest possible flexibility in handling.

FigurenlisteFigure list

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt die isometrische Teilansicht eines Mantelpropellers.
2 zeigt die Seitenansicht einer Statorschaufel des Propellers.
3 zeigt einen Schnitt der Schaufel in der Ebene A-A der 2.

An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below.

1 shows the partial isometric view of a ducted propeller.
2 shows the side view of a stator blade of the propeller.
3 shows a section of the blade in the plane AA of FIG 2 .

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 illustriert den Mantelpropeller (10) des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges im Bereich seines Stators (11). Wie bereits in dieser Gesamtansicht erkennbar wird, sind die Schaufeln dieses Stators (11) in zunächst herkömmlicher Weise über ihre Vorderkanten (12) integral miteinander verbunden. 1 illustrates the ducted propeller ( 10 ) of the aircraft according to the invention in the area of its stator ( 11 ). As can already be seen in this general view, the blades of this stator ( 11 ) in an initially conventional manner over their front edges ( 12th ) integrally connected to each other.

2 beleuchtet die Eigenheiten des Stators (11) anhand einer zweiteiligen Statorschaufel, welche zwischen Vorderkante (12) und Hinterkante (13) ein radial aus dem Stator (11) ragendes Kabel (14) des Mantelpropeller (10) führt. 2 illuminates the peculiarities of the stator ( 11 ) on the basis of a two-part stator blade, which is located between the leading edge ( 12th ) and trailing edge ( 13th ) a radial from the stator ( 11 ) protruding cable ( 14th ) of the ducted propeller ( 10 ) leads.

Die konstruktiven Einzelheiten der Kabelführung (15) im Stator (11) sind der schematischen Schnittdarstellung der Statorschaufel gemäß 3 zu entnehmen. Wie letztere erkennen lässt, sind die Vorderkante (12) und Hinterkante (13) derart komplementär zueinander geformt, dass die Hinterkante (13) in die Vorderkante (12) gefügt werden kann.The structural details of the cable routing ( 15th ) in the stator ( 11 ) are according to the schematic sectional view of the stator blade 3 refer to. As the latter shows, the leading edge ( 12th ) and trailing edge ( 13th ) shaped so complementary to each other that the rear edge ( 13th ) into the front edge ( 12th ) can be added.

Ein - das aerodynamische Profil der Statorschaufel verstärkendes - Teil (16) der Hinterkante (13) trägt an seinen der Vorderkante (12) zugewandten Rändern hierzu jeweils drei Federklemmen, denen in entsprechender Anzahl entlang der Seitenflächen der Kabelführung (15) verteilte rechteckige Löcher (vergleiche 2) als Klemmstellen dienen. Die Zungen der Klemmen sind zu diesem Zweck derart in Richtung von Ober- und Unterseite der Statorschaufel vorgespannt, dass sie sich selbsttätig in die Löcher spreizen, wenn die Hinterkante (13) eingefügt wird.A part that reinforces the aerodynamic profile of the stator blade ( 16 ) the trailing edge ( 13th ) carries on its front edge ( 12th ) facing edges for this purpose three spring clips each, which are in the corresponding number along the side surfaces of the cable guide ( 15th ) distributed rectangular holes (compare 2 ) serve as terminal points. For this purpose, the tongues of the clamps are pretensioned in the direction of the top and bottom of the stator blade in such a way that they automatically expand into the holes when the rear edge ( 13th ) is inserted.

Das beschriebene Verstärkungsteil (16) ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Außenhaut (17) bespannt, deren Kontur dem Profil der Statorschaufel entspricht.The reinforcement part described ( 16 ) is in the present embodiment with an outer skin ( 17th ) covered, the contour of which corresponds to the profile of the stator blade.

Obgleich nicht im Einzelnen zeichnerisch dargestellt, mögen die Kabel (14) beispielsweise ein Hochspannungskabel sowie ein Niederspannungskabel umfassen, welches zu einem Sensor der Statorschaufel führt.Although not shown in detail in the drawing, the cables ( 14th ) include, for example, a high-voltage cable and a low-voltage cable, which leads to a sensor of the stator blade.

Claims

Luftfahrzeug, mit folgenden Merkmalen: - das Luftfahrzeug weist einen Mantelpropeller (10) auf und - der Mantelpropeller (10) weist eine zweiteilige Statorschaufel mit einer Vorderkante (12) und einer stromabwärts der Vorderkante (12) angeordneten Hinterkante (13) auf, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Mantelpropeller (10) weist Kabel (14) und die Hinterkante (13) weist Klemmen auf, - die Vorderkante (12) umfasst eine Kabelführung (15) zum Führen der Kabel (14) radial zum Mantelpropeller (10) und - die Kabelführung (15) weist den Klemmen entsprechende Klemmstellen auf.Aircraft, with the following features: - the aircraft has a ducted propeller (10) and - the ducted propeller (10) has a two-part stator blade with a leading edge (12) and a trailing edge (13) arranged downstream of the leading edge (12), characterized by The following features: the ducted propeller (10) has cables (14) and the rear edge (13) has clamps, - the leading edge (12) includes a cable guide (15) for guiding the cables (14) radially to the ducted propeller (10) and - The cable guide (15) has clamping points corresponding to the terminals.

Luftfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Klemmen sind Federklemmen und - die Klemmstellen sind Löcher in der Kabelführung (15).Aircraft after Claim 1 , characterized by the following features: - the clamps are spring clamps and - the clamping points are holes in the cable guide (15).

Luftfahrzeug nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Vorderkante (12) und die Hinterkante (13) sind derart geformt, dass die Hinterkante (13) in die Vorderkante (12) gefügt werden kann und - die Löcher sind derart entlang der Kabelführung (15) verteilt, dass sich die Federklemmen in die Löcher spreizen, wenn die Hinterkante (13) eingefügt wird.Aircraft after Claim 2 , characterized by the following features: - the front edge (12) and the rear edge (13) are shaped such that the rear edge (13) can be inserted into the front edge (12) and - the holes are distributed along the cable guide (15) so that the spring clips expand into the holes when the rear edge (13) is inserted.

Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Statorschaufel weist ein aerodynamisches Profil auf und - die Hinterkante (13) umfasst ein das Profil verstärkendes Teil (16), welches die Klemmen trägt.Aircraft according to one of the Claims 1 until 3 , characterized by the following features: - the stator blade has an aerodynamic profile and - the rear edge (13) comprises a part (16) which reinforces the profile and carries the clamps.

Luftfahrzeug nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Hinterkante (13) weist eine Außenhaut (17) auf und - die Außenhaut (17) ist dem Profil entsprechend geformt.Aircraft after Claim 4 , characterized by the following features: - the rear edge (13) has an outer skin (17) and - the outer skin (17) is shaped according to the profile.

Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Kabel (14) umfassen ein Hochspannungskabel und - die Kabel (14) umfassen ein Niederspannungskabel.Aircraft according to one of the Claims 1 until 5 , characterized by the following features: - the cables (14) comprise a high-voltage cable and - the cables (14) comprise a low-voltage cable.

Luftfahrzeug nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Statorschaufel weist einen Sensor auf und - das Niederspannungskabel führt zum Sensor.Aircraft after Claim 6 , characterized by the following features: - the stator blade has a sensor and - the low-voltage cable leads to the sensor.

Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Mantelpropeller (10) weist weitere Statorschaufeln auf und - die Statorschaufeln sind über ihre Vorderkanten (12) integral miteinander verbunden.Aircraft according to one of the Claims 1 until 7th , characterized by the following features: - the ducted propeller (10) has further stator blades and - the stator blades are integrally connected to one another via their leading edges (12).