DE3873176T2

DE3873176T2 - Rotoranordnung eines drehfluegelflugzeuges.

Info

Publication number: DE3873176T2
Application number: DE8888304704T
Authority: DE
Inventors: John Blackler; Alan R Fien; Bryan W Roberts
Original assignee: University of Sydney
Current assignee: University of Sydney
Priority date: 1987-05-25
Filing date: 1988-05-24
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2008-05-25
Also published as: BR8802535A; NZ224757A; ATE78770T1; CA1321379C; JPS641697A; EP0293173A3; EP0293173A2; AU1654688A; DE3873176D1; US4874291A; AU621541B2; AR240737A1; EP0293173B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für ein Drehflüggel-Flugzeug und insbesondere eine Anordnung, welche eine Vielzahl von ineinandergreifend umlaufenden Rotoren mit einzelnen Auftriebflächen-Blättern umfaßt.
Die Erfindung findet breite Anwendung auf verschiedene Arten von Drehflügel-Flugzeugen, einschließlich herkömmlich angetriebener freifliegender Hubschrauber, obwohl sie in erster Linie zur Verwendung in einem Flugzeug entwickelt wurde, das zum Schweben am Ende eines Halteseils bestimmt ist. Im letzteren Falle kann das Flugzeug durch die Reaktion zwischen den Rotoren und schnell blasenden Winden oder durch an die Rotoren angelegten Motorantriebe in der Luft gehalten werden. Motorantrieb kann von einer Brennkraftmaschine oder von einem oder mehreren Elektromotor(en) abgeleitet werden, oder im Falle eines am Seil gehaltenen Flugzeuges kann Energie der Maschine oder dem Motor über das Halteseil zugeführt werden. Wenn ein Elektromotor zum Antrieb des schwebenden Flugzeuges benutzt wird, und das Flugzeug sich in einer entsprechenden Windströmung befindet, kann der Motor im Generatorbetrieb eingesetzt werden, um auf die Rotoren einwirkende Windenergie einzufangen. Als Alternative kann das Flugzeug, ob nun freifliegend oder am Seil geführt, einfach zum Tragen eines Sensors, wie einer ferngesteuerten Kamera oder eines anderen Gerätes benutzt werden, und so kann das Flugzeug nach Größe und Art entsprechend einem unbemannten Flugzeug aufgebaut sein.
Es ist deswegen zu verstehen, daß die Erfindung breite Anwendung findet, und nicht auf Verwendung bei herkömmlichen Hubschraubern beschränkt zu werden braucht.
Verschiedene Arten von Flugzeugen mit mehreren Rotoren sind bekannt, einschließlich eines, welches zwei ineinander drehende zweiblättrige, in Gegenrichtung umlaufende Rotoren mit einer 90º-Phasendifferenz der Rotoren gegeneinander enthält. Es sind auch Flugzeuge entwickelt worden, welche Rotoren mit Blättern benutzen, die eine einzige Auftriebfläche besitzen, einschließlich eines Flugzeugs, das zwei voneinander mit Abstand angebrachte derartige Rotoren mit separaten Antriebseinheiten für jeden Rotor enthält. Dabei kann auf die Veröffentlichung "Vertical Flight", herausgegeben von W.J. Boyne und D.S. Lopez und veröffentlicht durch Smithsonian Institution Press, 1984, wegen Einzelheiten dieser oder anderer Drehflügel-Flugzeuge zurückgegriffen werden.
Es wird auch auf US-A-3053480 verwiesen, welche eine Hubschrauber-Drone beschreibt mit vier ineinandergreifend umlaufenden zweiblättrigen Rotoren, die so angetrieben sind, daß ein sich diagonal angeordnetes Rotorpaar gemeinsam in einer ersten Richtung dreht, während sich das andere diagonal angeordnete Rotorpaar gemeinsam in der entgegengesetzten Richtung dreht.
Im Gegensatz zu diesem bekannten Flugzeug ist die vorliegende Erfindung auf ein solches gerichtet, das vier ineinander greifend umlaufende Rotore benutzt, wobei jeder Rotor ein einzelnes Blatt besitzt, oder anders ausgedrückt, ein Blatt mit einer einzelnen Auftriebfläche besitzt. Auch sind die Rotoren an jeweiligen Rotorwellen angebracht, die in Richtung zu den Rotoren auseinanderlaufend von den jeweils anderen Wellen geneigt sind. Diese Anordnung schafft einen kompakten Antrieb für alle Rotoren von einer einzelnen Antriebsquelle oder von einer Anzahl gekoppelter Antriebsquellen.
So kann die vorliegende Erfindung in breiter Hinsicht definiert werden durch Schaffung eines Drehflügel-Flugzeugs, welches vier ineinandergreifend umlaufende mit einer gemeinsamen Antriebseinheit gekoppelte Rotoren umfaßt, wobei jeder Rotor über einen Mechanismus mit einer zugeordneten Rotorwelle verbunden ist, welches für Drehmomentübertragung sorgt und die Einstellung des Schlagens und des Anstellwinkels für den Rotor zuläßt. Ein Paar diagonal angeordneter Rotoren ist ausgelegt, so angetrieben zu werden, daß sie sich gemeinsam in einer Richtung drehen, und das andere Paar diagonal angeordneter Rotore ist so zum Antrieb angeordnet, daß es sich gemeinsam in der entgegengesetzten Richtung dreht, und es sind Mittel vorgesehen, um den Anstellwinkel jedes Rotors einzustellen. Das Drehflügel-Flugzeug kennzeichnet sich dadurch, daß die Rotoren mit der angetriebenen Einheit durch jeweilige Rotorwellen gekoppelt sind, daß jeder Rotor ein einziges drehbares Blatt mit einer Auftriebsfläche und einen in entgegengesetzter Richtung abstehenden im wesentlichen nicht zum Auftrieb beitragenden Ausgleichsarm besitzt, und daß die Rotorwellen gegeneinander in einer solchen Weise geneigt sind, daß die Rotorwellen in Richtung der Rotoren divergieren, wodurch die durch jedes Blatt während der Drehung beschriebene Wegfläche gegen jede andere derartige Wegfläche geneigt ist.
Die Vier-Rotor-Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Benutzung eines relativ einfachen Steuersystems für die Rotoren, und die Anordnung vermeidet die Notwendigkeit, zyklische Anstellwinkel-Steuerung und komplizierte mechanische Systeme zu benutzen, die normalerweise zur Bewirkung der zyklischen Anstellwinkel-Steuerung erforderlich sind. Es ist vorgesehen, daß nur eine kollektive Anstellwinkel-Steuerung auf die Rotoren angewandt wird mit einem Differential, durch das derartige Steuerung auf die verschiedenen Rotoren einzeln angewendet werden kann, um eine Manövrierung des Flugzeugs zu bewirken.
Die Erfindung wird vollständiger verständlich aus der nachfolgenden Beschreibung eines elektrisch angetriebenen Drehflügel-Flugzeugs eines Typs, das zur Beförderung einer Video- Kamera zur Verwendung bei Luftaufnahmen oder dergleichen bestimmt ist. Das Drehflügel-Flugzeug ist schematisch in der beigefügte Zeichnung dargestellt, in welcher:
Fig. 1 eine Vorderansicht des Flugzeugs,
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Flugzeug von oben,
Fig. 3 und 4 Drauf- und Seitenansichten eines von einer zugehörigen Rotorwelle abgenommenen Rotors,
Fig. 5 eine Seitenansicht (aufgeschnitten) eines oberen Abschnitts einer Antriebswelle und eines an der Antriebswelle angebrachten Universalgelenks,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Anordnung aus Fig. 5,
Fig. 7 einen Mechanismus, der zur Bewirkung von Anstellwinkel-Steuerung bei den vier in Fig. 2 gezeigten Rotoren benutzt werden kann,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines (alternativen) elektronischen Steuersystems zur Bewirkung von Anstellwinkel-Steuerung an den vier Rotoren,
Fig. 9 eine Anordnung zum Übertragen von Antriebskraft von einer einzigen Antriebseinheit zu den Rotor-Antriebswellen, und
Fig. 10A und 10B alternative Verfahren zum Übertragen der Antriebskraft von der Antriebseinheit zu den Antriebswellen zeigen.
Wie in Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt, umfaßt das Drehflügel-Flugzeug einen Körperabschnitt 20, der auf Stelzen oder Kufen 21 angebracht ist. Der Körperabschnitt beherbergt einen Antriebsmotor und zugehörige Einrichtungen, die im einzelnen später näher bezeichnet sind, und ist ausgelegt zur Aufnahme einer (nicht dargestellten) Kamera zur Verwendung bei Luftaufnahmen oder Luftaufklärung. Das Flugzeug enthält vier ineinandergreifend umlaufende Rotoren 22 bis 25, die jeweils um geneigte Achsen 22A bis 25A gedreht werden können. Die beiden Rotoren 22 und 24 liegen parallel zueinander und die anderen beiden Rotoren 23 und 25 liegen parallel zu einander. So sind die Rotoren 22, 24 und 23, 25, die diagonal angeordnete Drehachsen haben, parallel zueinander angeordnet, und viermal während jeder Umdrehung sind die einander benachbarten Rotoren rechtwinklig zueinander gestellt, wie in FIg. 2 gezeigt.
Das gestrichelt umrissene Gebiet in Fig. 2 bezeichnet die Gesamtfläche, die durch die vier Rotoren überstrichen wird, und die gestrichelten Bereiche in Fig. 1 zeigen den maximalen Schlagwinkelbereich, den jedes Rotorblatt durchläuft.
Der in Fig. 2 gezeigte Pfeil zeigt die Richtung oder den beabsichtigten Vorwärtsflug des Flugzeugs an. Diese Richtung ist relevant im Zusammenhang mit den Mechanismen aus Fig. 7 und 10 der Zeichnung, und die in den jeweiligen Figuren dargestellten Pfeile sollten alle als Anzeichen für die eine und gleiche Richtung des Vorwärtsflugs genommen werden.
Die vier Rotoren 22 bis 25 sind mit einer gemeinsamen Antriebseinheit 26 gekoppelt, welche in Fig. 9 gezeigt ist, und jeder Rotor umfaßt ein einzelnes Drehblatt 27 mit einem in Gegenrichtung abstehenden (integral angeformten) radialen Ausgleichsarms 28. Das Blatt 27 ist so geformt, daß es eine einzelne Auftriebfläche besitzt, um aerodynamischen Auftrieb zu schaffen. Der radiale Ausgleichsarm 28 besitzt keine Auftriebsfläche und dient lediglich dazu, ein Ausgleichsgewicht 29 zu tragen, das zum Ausgleichen der bei Drehung des Rotors entstehenden Zentrifugalkräften wirkt. Der Ausgleichsarm 28 besitzt vorzugsweise eine Längs in der Größenordnung von 20 bis 35% der Länge des Blattes 27, und es wird angenommen, daß die Länge des Ausgleichsarms niemals mehr als 40% der Länge des Blattes beträgt.
Jeder Rotor 22, 25 erstreckt sich durch ein Universalgelenk 30 und ist mit ihm verklemmt, welches später mit Bezug auf Fig. 5 und 6 bechrieben wird, und der Rotor ist mit einem Durchbruch 31 ausgebildet, der auf der Drehachse des Rotors zentriert ist. Der Durchbruch 31 ist so ausgelegt, daß er einen Freiraum um eine Anstellwinkel-Steuerwelle 32 schafft, die durch den Durchbruch vorsteht.
Die Rotoren 22 bis 25 sind mit der Antriebseinheit 26 durch jeweilige Antriebswellen (d.h. Rotorwellen) 33 bis 36 gekoppelt, und die Wellen sind gegeneinander so geneigt, daß die durch jedes Blatt 27 aufgespannte Wegfläche gegen jede andere Wegfläche geneigt ist. Jede Welle 33 bis 36 ist wenigstens längs eines Abschnitts ihrer Länge als Rohr ausgebildet, so daß sie die Anstellwinkel-Steuerwelle 32 aufnehmen kann, die sich in Längsrichtung innerhalb der Rotorwelle erstreckt.
Verschiedene Verfahren können benutzt werden, um die Rotorwellen 33 bis 36 durch die Antriebseinheit 26 mit Antriebsmoment zu beaufschlagen, und ein solches Verfahren ist schematisch in Fig. 9 und 10 der Zeichnung dargestellt. Antriebsmoment wird allen vier Rotorwellen von der einzigen Antriebseinheit 26 über Schrägzahnräder 37 mitgeteilt. Es können zwei alternative Wege genommen werden, um die Übertragung von Drehmoment von der Antriebseinheit zu den vier Rotorwellen 33 bis 36 zu erreichen, wobei das bevorzugte Verfahren in Fig. 10A und ein zweites Verfahren in Fig. 10B gezeigt ist.
Antriebsmoment wird den Wellen in solcher Weise übertragen, daß die Wellen 33 und 35 sich in einer Richtung drehen und die Wellen 34 und 36 in der entgegengesetzten Richtung. Das bedeutet, benachbarte Wellen drehen sich in Gegenrichtung und diagonal einander gegenüberliegende Wellen in gleicher Richtung.
Das Universalgelenk 30 ist am oberen Ende jeder Rotorwelle 33 bis 36 befestigt, und, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, besitzt das Universalgelenk ein Joch 38, das für einen Blatträger 39 eine Zapfenbefestigung bildet. Der Blatträger schwenkt um die Jochachse 40, und läßt so eine sägezahnartige Schwenkbewegung (Schlagen) des Blattes 27 und seines in Gegenrichtung abstehenden Radialarms 28 zu.
Das Blatt 27 und der Radialarm 28 sind mit dem Blatträger 39 durch Klemmteile 41 und 42 verbunden, und diese Klemmteile sind mit dem Blatträger 39 über einen Schwenkstift 43 schwenkbar verbunden. Diese Schwenkbefestigung läßt das Schwenken des Rotorblatts 27 und des in entgegengesetzter Richtung abstehenden Radialarms 28 um die Längsachse 44 des Rotorblatts und dadurch die Einstellung des Anstellwinkels des Blattes zu.
Die Klemmteile 41 und 42 besitzen seitlich abstehende Hebelarme 45, und die Hebelarme sind mit einem Abschlußende 46 der Anstellwinkel-Steuerwelle 32 durch ein Verbindungselement 47 verbunden. Geradlinige Bewegung der Welle 32 setzt sich in Schwenkbewegung der Hebelarme 45 um, und so ergibt eine Bewegung der Welle 32 nach oben bzw. unten eine Einstellung des Blatt-Anstellwinkels.
Verschiedene unterschiedliche Mechanismen können zur Übertragung der Bewegung auf die Anstellwinkel-Steuerwelle 32 benutzt werden, und ein solcher Mechanismus ist schematisch in Fig. 7 der Zeichnung gezeigt.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Anordnung sind zwei Steuerwellen 32A und 32B für den Anstellwinkel des Blattes zwangsweise und drehbar über Lager 63 mit einer Kipp-Platte 50 an mit den Buchstaben "A" und "B" bezeichneten Stellen verbunden. Die restlichen beiden Anstellwinkel-Steuerwellen 32C und 32D sind drehbar über Winkelhebel 51 mittels Lagerungen 64 angeschlossen, und sie treffen die Kipp-Platte an Stellen "C" und "D" (sind jedoch nicht direkt mit ihr verbunden).
Die Winkelhebel 51 sind schwenkbar mit der Kipp-Platte 50 über Befestigungsarme 52 verbunden, und die Winkelhebel 51 mit Betätigugnsgliedern 53. Durch Bewegen der Betätigungsglieder 53 werden die Anstellwinkel-Steuerwellen 32C und 32D dazu gebracht, sich nach oben bzw. unten bezüglich der Kipp- Platte 50 zu bewegen.
Die Kipp-Platte 50 selbst wird durch drei weitere Betätigungsglieder 54, 5 und 56 abgestützt, die in den Ecken eines Dreiecks angeordnet sind. Das eine Betätigungsglied (Stößel) 56 liegt an einem zentralen Punkt der Platte an, und die anderen beiden Betätigungsglieder 54 und 55 sind an Umfangsstellen der Platte angeschlossen.
Gleichförmige (gleichzeitige) Betätigung aller drei Betätigungsglieder 54, 55 und 56 bewirkt, daß ein Sammelanstellwinkel allen vier Rotorblättern mitgeteilt (oder von ihnen weggenommen) wird. Auch differentieller Sammelanstellwinkel kann den Rotoren durch Betätigen eines oder zweier der drei Betätigungsglieder 54 bis 56 übertragen werden. So kann eine Roll- oder Schlingersteuerung des Fahrzeugs durch das Betätigungsglied 55 und eine Stampfbewegungssteuerung (Anstellwinkel in Längsrichtung) des Fahrzeugs durch das Betätigungsglied 54 ausgeführt werden. Gierbewegungssteuerung kann durch die Betätigungsglieder 53 ausgeführt werden und selbstverständlich ergibt eine gleichzeitige Betätigung einer Anzahl der Betätigungsglieder 53 bis 56 eine Verbundbewegung des Fahrzeugs.
Als Alternative zu den eben beschriebenen Anordnungen können die Anstellwinkel-Steuerwellen 32 betätigt werden durch Koppeln jeder Welle mit einem zugeordneten Betätigungsglied 60, wie in Fig. 8 gezeigt. Der Betrieb der Betätigungsglieder 60 wird in diesem Fall durch einen Mikroprozessor 61 gesteuert, der Eingangssignale durch eine Steuerung 62 erhält. Die Steuerung 62 kann ihre Eingangssignale von pilotbetätigten Hebeln und/oder Pedalen oder von einer Fernübertragung erhalten.
Das erfindungsgemäße Drehflügel-Flugzeug erlaubt eine verbeserte Stabilität und Steuerbarkeit gegenüber den üblicheren Formen von Drehflügel-Flugzeugen. So kann gezeigt werden, daß bei Schwebebetrieb Stabilität bei einem Vierrotor-Fahrzeug aufrechterhalten werden kann, wenn die folgende Beziehung eingehalten wird:
h/1 cos &epsi; = [( w/ u)-1]/[( w/ u) + cot²&epsi; + cosec²&epsi;] wobei:
h = Vertikalhöhe der Rotornaben über dem Schwerpunkt des Flugzeugs,
1 = virtuelle Länge der Rotorwellen,
&epsi; = Neigungswinkel (bezüglich der Vertikalachse) der Rotorwellen,
u = Ort-Nachlaufdämpfungs-Abgeleitete der Rotoren bezüglich der Achse der Nichtverstellung,
w = Ort-Vertikaldämpfungs-Abgeleitete der Rotoren bezüglich der Achse der Nichtverstellung.

Claims

1. Drehflügel-Flugzeug mit vier ineinandergreifend umlaufenden mit einer gemeinsamen Antriebseinheit (26) gekoppelten Rotoren (22-25), wobei jeder Rotor (22-25) mit einer zugehörigen Rotorwelle (33-36) über einen Mechanismus verbunden ist, der für Drehmomentübertragung sorgt und Einstellung des Schlagens und des Anstellwinkels für den Rotor zuläßt, wobei ein Paar diagonal angeordnete Rotoren (22 und 24) antriebsmäßig so ausgelegt ist, daß sie in einer Richtung miteinander rotieren, und daß andere Paar diagonal angeordnete Rotoren (23 und 25) antriebsmäßig so ausgelegt ist, daß sie in der entgegengesetzten Richtung miteinander rotieren, und Mittel (32) vorgesehen sind zum Einstellen des Anstellwinkels jedes Rotors; dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (22-25) mit der angetriebenen Einheit durch jeweilige Rotorwellen (33-36) gekoppelt sind, daß jeder Rotor (22-25) ein einziges drehbares Blatt (27) mit einer Auftriebsfläche und einen in entgegengesetzter Richtung abstehenden im wesentlichen nicht zum Auftrieb beitragenden Ausgleichsarm (28) besitzt, und daß die Rotorwellen (33-36) gegeneinander in einer solchen Weise geneigt sind, daß die Rotorwellen in Richtung der Rotoren (22-25) divergieren, wodurch die durch jedes Blatt (27) während der Drehung beschriebene Wegfläche gegen jede andere derartige Wegfläche geneigt ist.

2. Drehflügel-Flugzeug nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwellen (33-36) geometrisch an den Ecken eines Quadrats zentriert sind.

3. Drehflügel-Flugzeug nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorwellen (33-36) symmetrisch zu beiden Seiten der Mittellinie vorne/hinten des Drehflügel-Flugzeugs angeordnet sind.

4. Drehflügel-Flugzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (22-24 und 23-25), die jeweils diagonal angeordnete Drehachsen besitzen, in Draufsicht gesehen parallel zueinander angeordnet sind.

5. Drehflügel-Flugzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsarm (28) jedes Rotors (22-25) eine Länge von nicht mehr als 40% der Länge des entgegengesetzt abstehenden Blattes (27) besitzt und daß der Ausgleichsarm (28) mit einem Ausgleichsgewicht (29) versehen ist, das die Zentrifugalkraft des Blattes während der Drehung des Rotors ausgleicht.

6. Drehflügel-Flugzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsarm-(28) und Blatt-Abschnitte (27) jedes Rotors (22-25) als ein integraler Aufbau ausgebildet sind, und daß ein Durchbruch (31) innerhalb des Rotors in Ausrichtung mit der Drehachse des Rotors ausgebildet ist, und daß das Mittel (32) zum Einstellen des Anstiegswinkels jedes Blattes durch den Durchbruch (31) vorsteht.

7. Drehflügel-Flugzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der jeden Rotor (22-25) mit seiner zugeordneten Rotorwelle (33-36) verbindende Mechanismus (38, 39) ein Universalgelenk umfaßt, welches Universalgelenk aufweist: ein mit der Rotorwelle verbundenes Joch (38), einen Rotorträger (39), der an dem Joch (38) in einer die die Schlagbewegung des Blattes zulassenden Weise schwenkbar angebracht ist, und Klemmelemente (41 und 42), welche den Rotor (22-25) an dem Rotorträger (39) sicher befestigen, wobei die Klemmelemente (41 und 42) schwenkbar an dem Rotorträger (39) in einer Weise angebracht sind, die eine Einstellung des Blattansellwinkels erlaubt.

8. Drehflügel-Flugzeug nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmelemente (41 und 42) abstehende Hebelarme (45) besitzen, die mit dem Mittel (32) zum Einstellen des Anstellwinkels jedes Blattes verbunden sind, wodurch die geradlinige Bewegung des Mittels (32) in die Winkeleinstellung des Blattanstellwinkels übertragen wird.

9. Drehflügel-Flugzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Einstellen der Anstellwinkel der Blätter Anstellwinkel- Steuerwellen (32) enthält, die jeweils einzeln innerhalb der jeweiligen Rotorwelle (33-36) angeordnet sind, daß jede Anstellwinkel-Steuerwelle (32) zur Übertragung der Anstellwinkel-Einstellbewegung zu dem zugeordneten Blatt geradlinig bewegbar ist und daß Antriebsmechanismen (53-56 oder 60) mit den Anstellwinkel-Steuerwellen (32) gekoppelt sind, um jeder Einstellwinkel-Steuerwelle differentielle kollektive Einstellwinkel-Einstellbewegung zu erteilen.