DE102020107437A1 - Luftfahrzeug mit 3-dimensionaler, aerodynamischer und multifunktionaler Ausführung - Google Patents

Abstract

Ein Luftfahrzeug zum Transport von Gütern oder Personen, bei dem der Auftrieb nicht nur über im Wesentlichen ebene, 2-dimensionale Oberflächen erzeugt wird sondern zusätzlich über gezielte Kanalströmungen, die vorzugsweise von den vortriebserzeugenden Luftschrauben oder Fans gespeist und gesteuert werden.

Description

• Luftfahrzeuge erzeugen den zum Fliegen erforderlichen Auftrieb entweder über Schubvektoren, die mit vertikalen Komponenten von Luftstrahlen erzeugt werden, wie z.B. mit Rotoren in Hubschraubern oder mit dem Aufbau von Unterdruck auf im Wesentlichen eben gestalteten Tragflächen.
• Ersteres Konzept ist nur sinnvoll für besondere Einsatzprofile, bei denen die Fähigkeit zu vertikalen Start- und Landemanövern gefordert wird, da die Energieeffizienz prinzipbedingt sehr schlecht ist und die erzielbaren Reisegeschwindigkeiten stark eingeschränkt sind.
• Letzteres Konzept beruht darauf, dass im Wesentlichen horizontal zur Seite herausragende Tragflächen ein Querschnittsprofil aufweisen, das auf der Oberseite eine größere Lauflänge in Strömungsrichtung aufweist als auf der Unterseite. Damit wird erreicht, dass die Luft auf der Oberseite schneller strömt als auf der Unterseite und somit der Druck sinkt. Damit die so erzeugte Auftriebskraft ausreicht um das Luftfahrzeug zu tragen, muss eine hinreichend große Fläche umströmt werden, die zu dem ein Seitenverhältnis aufweisen muss, bei dem die Spannweite um ein Vielfaches größer ist als die Flügeltiefe in Strömungsrichtung, da andernfalls über die außenliegenden Flügelenden ein Druckausgleich erfolgen würde, der Randwirbel erzeugt und sowohl den Auftrieb vermindern als auch den Widerstand erhöhen würde.
• Der Nachteil dieses Prinzips besteht darin, dass die Flügel mit der großen Spannweite große Biegemomente aushalten müssen und dementsprechend schwer und teuer sind. Hinzu kommt, dass die schmale und flache Ausführung, die notwendig wird, wenn der Widerstand minimal werden soll, zu einer sehr ungünstigen Geometrie führt mit großer Oberfläche bei kleinem Volumen, so dass dieser Raum praktisch nicht für die Unterbringung von Nutzlasten verwendet werden kann sondern allenfalls für den Einbau von Kraftstofftanks.
• Damit ergibt sich eine Architektur des Luftfahrzeuges, bei dem die einzelnen Teilfunktionen mit separaten Baugruppen erfüllt werden, wie z.B. Nutzlastvolumen im Rumpf, Auftriebserzeugung im Tragwerk, Vortriebserzeugung im Propeller bzw. Fan und Stabilisierung und Steuerung durch separate Leitwerksflächen.
• Die vorliegende Erfindung zeigt einen völlig neuen Weg zur Ausgestaltung von Luftfahrzeugen auf, in dem diese einzelnen Aufgaben nun von einer integralen Konstruktion übernommen werden.
• Dazu wird zunächst der Rumpf als Strömungskörper ähnlich einem Tragflügelprofil ausgeführt, so dass seine Umströmung auf der Oberseite zu einem Unterdruck und auf der Unterseite zu einem Überdruck führt. Da das Seitenverhältnis (Breite zu Länge) dabei sehr schlecht ist, würde eine Umströmung an den Seiten schnell zu einem Druckausgleich führen und den Auftrieb wieder weitgehend reduzieren. Um dem zu begegnen werden erfindungsgemäß die angeschlossenen Tragflächen in der Draufsicht betrachtet in einem Dreiecksformat ausgeführt wobei die Flügelwurzel sich im Wesentlichen über einen großen Teil der Rumpflänge erstreckt.
• Nach außen hin läuft der Tragflügel in der Frontansicht zunächst im Wesentlichen horizontal vom Rumpf weg und weist dann im weiteren Verlauf einen Knick nach oben auf um danach wiederum weitgehend horizontal in leicht geschwungener Form und spitz zulaufend in einem sog. Winglet zu enden, einer nach oben gerichteten Flügelspitze.
• Zwischen Rumpf und dem im Wesentlichen vertikal verlaufenden Teil des Flügels im Knick nach oben wird so ein oben offener Strömungskanal gebildet, dessen seitliche Wände vorzugsweise zur Strömungsoptimierung gewölbt sind und der in Strömungsrichtung einen sich vermindernden Querschnitt aufzeigt.
• Am Ende dieses Kanals ist auf jeder Rumpfseite ein Saugpropeller vorzugsweise mit einem Umfangsring, also eine sogenannte Mantelschraube oder Fan angebracht.
• Sobald die Fans Luft ansaugen und damit Vortrieb erzeugen, wird die Strömungsgeschwindigkeit im sich verjüngenden Kanal stetig zunehmen und zusammen mit dem von den Fans erzeugten Unterdruck eine hohe spezifische Auftriebskraft erzeugen, die mit zunehmender Fahrt überproportional ansteigt.
• Die Vortriebskraft, die von den Fans durch den Strömungsimpuls erzeugt wird bleibt dabei im Wesentlichen unverändert, d.h. der so erzeugte Druckauftrieb im Kanal wird ohne zusätzliche Leistungsanforderung gewonnen. Um den Zulauf der Strömung von oben zu minimieren, wird das erfindungsgemäße Luftfahrzeug im Start und Langsamflug um die Querachse rotiert, also mit dem Rumpfbug nach oben quer zur Strömung angestellt, so dass nun auch eine Komponente des Luftstrahls hinter den Fans den Auftrieb weiter erhöht. Damit werden kurze Startstrecken und steile Abflugwinkel nach dem Start möglich.
• Leitwerksflächen können entfallen, da die weit hinten liegenden Winglets und die starke Pfeilform die Richtungsstabilität sicherstellen und die Längsstabilität durch einen S-Schlag des Profils und durch steuerbare Wölbklappen erzeugt wird. Im Reiseflug wird das erfindungsgemäße Luftfahrzeug auf sehr kleine und/oder in Bezug auf die seitlichen Strömungskanäle auch negative Anstellwinkel gesteuert, so dass der Anteil der Luftmassen, die durch die Kanäle geführt werden, reduziert wird, um so den Widerstand zu minimieren.
• Die beschriebene Lösung zur Auftriebserzeugung erlaubt die Ausgestaltung von Luftfahrzeugen mit sehr geringem Strukturgewicht, da die ohnehin geringen Biege- und Torsionsmomente, bei großer Bauhöhe im Bereich der Flügelwurzel, die wegen der großen Profiltiefe möglich wird, übertragen werden. In einer Gegenüberstellung sind Spannweiten möglich, die bis zu 40% geringer sind als vergleichbare konventionelle Flugzeuge.
• Hinzu kommen deutlich verkürzte Start- und Landestrecken und eine reduzierte Minimalgeschwindigkeit.
• Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass bei reduzierter Vortriebsleistung auch die Auftriebskräfte reduziert werden. Bei völlig abgeschalteten Fans wird sogar ein Luftstau in den Strömungskanälen erzeugt, der den benötigten Unterdruck weiter reduziert. Außerdem lässt sich ein deutlicher Einfluss der Triebwerksleistung auf die Längs- und Querstabilität (bei asymmetrischer Leistungseinstellung) nicht ausschließen. In einer besonderen Ausführung wird die deswegen erforderliche Sicherheit und Kontrolle der Leistung der Fans dadurch gewährleistet, dass die Fans über elektrische Antriebsmotoren angetrieben werden. Vorzugweise wird deswegen im Gesamtantriebsstrang eine Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, die einen Generator und über eine Pufferbatterie die Antriebsmotoren mit Energie versorgt. Die Pufferbatterie stellt dabei sicher, dass bei Ausfall des Verbrennungsmotors noch eine sichere Landung möglich wird.
• Als weitere Auftriebshilfe verfügt das erfindungsgemäße Luftfahrzeug über Wölbklappen am Ende des Tragwerks, die in einer Mehrfachfunktion als Querruder und Höhenruder fungieren. Da bei weit ausgefahrenen Klappen die Höhenruderautorität dieser Multifunktionsklappen nicht ausreicht, um das entstehende kopflastige Moment zu kompensieren, verfügt das Fluggerät über einen oder mehrere Fans zur vertikalen Schuberzeugung, die in dieser Flugphase eine vollständige Kontrolle aller Längsmomente sicherstellen. Damit diese nur im Langsamflug benötigten Vertikalschuberzeuger im Reiseflug keinen Widerstand verursachen, sind sie vorzugsweise in einem Strömungskanal im Rumpfbug untergebracht, der in einer besonderen Variante auch durch Klappen verschlossen werden kann.
• Zur Steuerung der Querlage können neben den Multifunktionsklappen auch die Schubregler der Fans mit asymmetrischer Leistungsverteilung genutzt werden.
• Aufgrund der sehr präzise ansteuerbaren und redundant gespeisten Antriebsmotoren ist eine eigenstabile Flugsteuerung nicht erforderlich, d.h. das erfindungsgemäße Luftfahrzeug wird vorzugsweise über eine elektronische Steuerung stabilisiert.
• Konkrete Ausführungsformen des Luftfahrzeugs sind in den Figuren gezeigt.
• 1 zeigt das erfindungsgemäße Luftfahrzeug in einer Ausführung als 4- sitziges Reiseflugzeug in einer Frontansicht. Deutlich erkennbar die geknickten Tragflügel die zusammen mit dem Rumpf die beschriebenen Strömungskanäle bilden, die in der Ebene der beiden ummantelten Fans münden.
• 2 zeigt das Luftfahrzeug in einer Seitenansicht mit teilweise erkennbaren verdeckten Linien, so dass die Wurzelrippe mit großer Bauhöhe und der Querströmungskanal im Bug erkennbar sind.
• 3 zeigt das Luftfahrzeug in einer Draufsicht, wobei die Strömungskanäle mit den zu den Mantelpropellern verjüngten Querschnitten deutlich sichtbar werden.
• 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Fluggerätes.

Claims (11)

1. Luftfahrzeug zum Transport von Personen oder Gütern, personengesteuert oder autonom fliegend als Drohne, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Funktionsbereiche wie Auftriebserzeugung, Vortriebserzeugung und Fluglagesteuerung nicht über separate Baugruppen und Strukturteile wie z.B. Rumpfwerk für die Aufnahme von Nutzlasten, Tragwerk für die Auftriebserzeugung, Propeller für den Vortrieb und Leitwerke und Ruder für die Fluglagensteuerung dargestellt werden, sondern eine integrale, 3-dimensionale Gesamtgeometrie alle geforderten Funktionen erfüllt und/oder dass dazu der Auftrieb nicht nur über seitlich auskragende Tragflächen erzeugt wird sondern über entsprechende Formgebung des Rumpfwerkes und durch 3-dimensionale Strömungskanäle, die gebildet werden aus der Rumpfkontur und mindestens einer entsprechend gekrümmten Tragflächenkontur auf jeder Seite und/oder dass diese Kanäle zu je einer Einlaufebene eines Mantelpropellers oder Freistrahlpropellers geführt werden.
2. Luftfahrtzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle einen stetig verlaufenden oben offenen Venturikanal bilden.
3. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Tragwerkshälfte in der Draufsicht im Wesentlichen ein Dreieck bildet.
4. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren zur Schuberzeugung aber auch zur Stabilisierung der Fluglage und/oder je nach Situation auch unsymmetrisch angesteuert werden.
5. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fans durch Elektromotoren angetrieben werden.
6. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb aus mindestens einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Generator und mindestens einer Pufferbatterie besteht.
7. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Steuerung der Fluglage über die Antriebsmotoren auch ein Wölb- und Störklappensystem als Multifunktionssteuerung vorgesehen ist zur Längs-, Quer- und Hochachsensteuerung .
8. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Steuerung durch Klappen- und Antriebsmotoren mindestens eine im Wesentliche vertikal ausgerichtete Schubvektorsteuerung vorgesehen ist.
9. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubvektorsteuerung im Rumpfbug in einem integrierten und in einer besonderen Ausführung durch Klappen verschließbaren Querstromkanal untergebracht ist.
10. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im jeweiligen Abstrom der Fans eine Strahlablenkklappe vorgesehen ist.
11. Luftfahrtzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmotoren der Fans zum Start oder in anderen Flugsituationen neben dem Antrieb durch den Generator auch zusätzlich durch Batterieleistung auf eine Zusatzleistung oberhalb der Dauerbetriebsgrenzen geboostet werden können.

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