Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Fluggerät mit wenigstens vier Mantelpropeller-Triebwerken, die jeweils an ihnen zugeordneten Flügeln oder am Rumpf des Fluggeräts angeordnet und um eine parallel zur Querachse des Fluggeräts verlaufende Schwenkachse verschwenkbar sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein führerloses Fluggerät, das häufig auch als Drohne bezeichnet wird. Es wird daher im Folgenden überwiegend von einer Drohne gesprochen, ohne dass damit eine Beschränkung verbunden sein soll.

Derartige Fluggeräte oder Drohnen werden heutzutage häufig benutzt. Neben militärischen Zwecken werden die Drohnen auch für Kameraüberwachungen beispielsweise von Stromleitungen und dergleichen benutzt. Je nach Ausführungsform und Größe einer solchen Drohne können diese auch Lasten transportieren. So wird in heutiger Zeit häufig darüber nachgedacht, ob beispielsweise Pakete zuverlässig mit Drohnen ausgeliefert werden können. Für eine solche Aufgabe ist es jedoch erforderlich, dass die Drohne einen stabilen Schwebeflug einnehmen kann. Unter Schwebeflug soll hier ein Zustand beschrieben werden, in dem die Drohne ohne nennenswerte Bewegungen auf der Stelle in einer gewissen Höhe schwebt.

Eine Drohne der eingangs geschilderten Art ist beispielsweise aus der WO 2018/048574 Al bekannt. Dieses Fluggerät weist an vier Flügeln jeweils einen Propeller und einen Mantelpropeller auf, die um eine horizontale Achse verschwenkbar an Flügelstummeln gehalten sind. Hierdurch soll ein senkrechtes Landen bzw. Starten möglich sein. Wenn die Propeller bzw. deren Drehachsen in die horizontale Lage verschwenkt werden, wird ein starker Vortrieb erreicht. Das Einhalten eines Schwebezustands ist mit einem solchen Fluggerät grundsätzlich möglich. Durch die zusätzlichen Triebwerke erhöht sich jedoch das Gewicht des Fluggeräts und die Effizienz sinkt.

Eine andere Drohne wird in der WO 2016/178008 Al beschrieben. Hier sind vier Propellertriebwerke vorgesehen, deren Propeller um eine vertikale Achse drehen. Ein Verschwenken der Propeller um eine horizontale Achse ist nicht vorgesehen. Auch die WO 2017/108634 Al offenbart ein Fluggerät mit mehreren Propellern, die um eine vertikale Achse drehen. Der Schwebezustand kann hier durch Änderung der Drehzahl erreicht werden, da die eingesetzten Zweiblattpropeller dies erlauben. Allerdings ist die Effizienz solcher Propeller im Vergleich zu Mantelpropellern geringer.

Aus der WO 2017/087841 Al ist es bekannt, ein Propeller- Triebwerk oder ein Mantelpropeller-Triebwerk gelenkig an einem Fluggerät anzuordnen. Ob und wie hierdurch ein Schwebeflug erreicht werden soll, wird nicht beschrieben. Aus der DE 10 2016 104 517 Al ist ein Mantelpropeller- Triebwerk bekannt, bei dem die Auslassöffnung des Triebwerks durch einen in Längsachse verschiebbaren Konus erweitert oder verengt werden kann. Dadurch lässt sich bei gleichbleibender Drehzahl der Schub verändern.

Aufgrund der eingangs geschilderten Trägheit der Mantelpropeller-Triebwerke werden diese relativ selten bei Drohnen eingesetzt. Gleichwohl haben die Mantelpropeller- Triebwerke den Vorteil, dass sie insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten äußerst effizient arbeiten können. Bei höheren Geschwindigkeiten ist die Windanfälligkeit geringer. Bei Mantelpropellern liegt zudem ein günstigeres Schub-Gewichtsverhältnis als bei freilaufenden Propellern vor .

Bei unbemannten und batteriebetriebenen Drohnen wirkt sich dies stark auf die erzielbare Reichweite aus. Grundsätzlich wäre daher der Einsatz von Mantelpropeller-Triebwerken wünschenswert. Solche Triebwerke werden häufig auch als EDF-Motoren bezeichnet (Electric Ducted Fan-Motor) .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fluggerät der eingangs geschilderten Art so auszubilden, dass eine stabile Schwebelage auch bei der Verwendung von Mantelpropeller-Triebwerken erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Triebwerke unabhängig voneinander um ihre Schwenkachse verschwenkbar sind derart, dass ein stabiler Schwebeflug bewirkt wird. Durch die unabhängige Verschwenkung der einzelnen Triebwerke können Gierbewegungen, Nickbewegungen oder Rollbewegungen des Fluggeräts gut und insbesondere schnell ausgeglichen werden. Durch die Veränderung des Abstrahlwinkels ändert sich der Schub unmittelbar, so dass ein schneller und direkter Ausgleich der betreffenden Bewegung möglich ist.

Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Triebwerke ausgehend von der für einen maximalen Auftrieb vertikalen Lage der Drehachse sowohl nach vorne als auch nach hinten verschwenkbar sind. Durch diese Maßnahme kann ein Ausgleich von Bewegungen durch unterschiedliche Verschwenkungen der Triebwerke erfolgen. So kann vorgesehen werden, dass bei einer erfassten Drehung des Fluggeräts um die Gierachse (vertikale Achse) im Uhrzeigersinn die Triebwerke von der vertikalen Lage im Uhrzeigersinn um ihre Schwenkachsen verschwenkt werden. Bei einer Drehung des Fluggeräts entgegen dem Uhrzeigersinn werden die Triebwerke ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt. Dadurch wird die Drehbewegung des Fluggeräts ausgeglichen .

Durch die Verschwenkung der Triebwerke verringert sich der Schub in vertikaler Richtung. Es kann daher zur Aufrechterhaltung der Flughöhe vorgesehen werden, dass gleichzeitig die Drehzahl der Propeller erhöht wird.

Bei einer erfassten Rollbewegung des Fluggeräts um die Rollachse (horizontale Längsachse in Flugrichtung) nach rechts werden die beiden linken Triebwerke (in Flugrichtung gesehen) um ihre Verschwenkachse gegenläufig verschwenkt derart, dass der Auftrieb auf der linken Seite verringert wird. Bei einer Rollbewegung nach links werden die rechten Triebwerke gegenläufig verschwenkt. Unter gegenläufig wird hier verstanden, dass die Triebwerke einer Seite des Fluggeräts einmal im und einmal gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt werden. Dadurch wird der Auftrieb auf der betreffenden Seite reduziert, ohne dass eine Gier- oder Nickbewegung bewirkt wird. Gleichzeitig kann die Drehzahl der nicht verschwenkten Triebwerke erhöht werden, um eine schnellere Lagekorrektur zu bewirken.

Auch hier kann es vorgesehen werden, dass die Drehzahl der Propeller beim Ausgleich der Rollbewegung erhöht wird derart, dass die Flughöhe zumindest näherungsweise aufrechterhalten bleibt. Weiterhin ist vorgesehen, dass bei eiiner erfassten Nickbewegung des Flugkörpers mit dem vorderen Teil nach unten (Drehung um die Querachse) die beiden vorderen Triebwerke im Uhrzeigersinn verschwenkt werden, um einen höheren Schub in vertikaler Richtung zu bewirken. Insbesondere können die Triebwerke im Wesentlichen vertikal ausgerichtet werden. Dementsprechend wird bei einer erfassten Nickbewegung des Flugkörpers mit dem hinteren Teil nach unten die beiden hinteren Triebwerke entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, um einen höheren Schub in vertikaler Richtung zu bewirken. Insbesondere können die Triebwerke im Wesentlichen vertikal ausgerichtet werden. Durch diese Maßnahmen wird der Auftrieb auf der sich nach unten senkenden Seite erhöht, so dass sich das Fluggerät wieder waagerecht ausrichtet. Auch hier kann zur Aufrechterhaltung der Flughöhe die Drehzahl der verschwenkten Triebwerke erhöht werden.

Grundsätzlich können diese Maßnahmen manuell durch eine Fernsteuerung durch den Bediener durchgeführt werden. Dies erfordert jedoch einige Geschicklichkeit und Übung mit dem Umgang der Fernsteuerung für derartige Drohnen.

Es kann auch vorgesehen werden, dass Mittel zum Erfassen der Gierbewegung und/oder der Nickbewegung und/oder der Rollbewegung des Fluggeräts vorhanden sind. Dann ist es zweckmäßig, dass die Verschwenkung der Triebwerke in Abhängigkeit von der Gierbewegung und/oder der Nickbewegung und/oder der Rollbewegung erfolgt. Insbesondere ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass eine Steuerung vorhanden ist, die in Abhängigkeit von der erfassten Gierbewegung und/oder Nickbewegung und/oder Rollbewegung die Verschwenkung der einzelnen Triebwerke bewirkt. Die Steuerung kann als Vektorsteuerung ausgebildet sein, die aus den erfassten Bewegungen des Fluggeräts einen Richtungsvektor ermittelt, in die ein veränderter Schub wirken muss, damit das Fluggerät in einer Schwebelage gehalten wird. Dieser Flugvektor kann durch die Verschwenkung der einzelnen Triebwerke unabhängig voneinander um deren Verschwenkachse bei unterstelltem gleichbleibendem Schub erreicht werden. Wie bereits ausgeführt, wirkt sich die Änderung der Schubrichtung unmittelbar auf die Ausrichtung des Fluggeräts aus, so dass die Schwebelage schnell und zuverlässig auch bei plötzlich auftretenden Windböen eingehalten werden kann.

Diese Vektorsteuerung kann bei unbemannten Drohnen für einen stabilen Schwebflug eingesetzt werden. Es ist hierbei grundsätzlich beliebig, wie die Drohne ausgebildet ist. Die Triebwerke können an den Flügelenden angeordnet sein. Auch ist es möglich, die Triebwerke näher am Rumpf oder am Rumpf anzuordnen. Wesentlich ist es, dass die Triebwerke ausgehend von einer vertikalen Ausrichtung in beiden Richtungen um bis zu 90° bis 120° verschwenkbar sind, damit die Vektorsteuerung in jeder Fluglage des Fluggeräts einsetzbar ist. Eine Verschwenkung um mehr als 90° in die eine oder andere Richtung ist beispielsweise bei vertikal ausgerichteter Drohne erforderlich, damit die Vektorsteuerung auch bei dieser extremen Lage einsetzbar ist .

Im Schwebeflug sind die Mantelpropeller-Triebwerke bzw. deren Drehachsen im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. Im Flugbetrieb werden die Triebwerke in die horizontale Lage verschwenkt, so dass das Fluggerät mit hoher Schubleistung fliegen kann.

Eine derartige Steuerung erlaubt auch, dass das Fluggerät in einer anderen Lage als in einer horizontalen Schwebelage gehalten wird. So kann das Fluggerät beispielsweise in einer 45°-Neigung schweben, in dem die Triebwerke im Vorwärtsflug um 45° gedreht werden. Auch ist es möglich, dass das Fluggerät senkrecht nach oben bzw. unten fliegen kann. Dadurch ist es möglich, beispielsweise das Fluggerät in einem engen Schacht zu bewegen. Durch die Verschwenkung der Triebwerke unabhängig voneinander kann ein schnelles Kontrollieren der Fluglage erreicht werden.

Auch kann erreicht werden, dass sich das Fluggerät bei geringer Geschwindigkeit geradeaus in gerader Fluglage bewegt. Dies kann beispielsweise bei Kameraaufnahmen zweckmäßig sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Die Draufsicht auf ein Fluggerät gemäß der

Erfindung,

Fig. 2 die Frontansicht auf das Fluggerät,

Fig. 3 die Seitenansicht auf das Fluggerät und

Fig. 4 die perspektivische Ansicht des Fluggeräts.

Das in der Zeichnung dargestellte Fluggerät 10 weist einen Rumpf 11 auf, an dem vier Flügel 12, 13, 14, 15 angeordnet sind. Im Einzelnen ist die Anordnung so getroffen, dass die Flügel 12, 13 ein hinteres Flügelpaar bilden, und die

Flügel 14, 15 ein vorderes Flügelpaar bilden. Es können

Stabilisierungsflügel 16 am Heck des Rumpfs 11 angeordnet sein. Die Flügel 12, 13, 14, 15 können gleich groß oder, wie in der Zeichnung dargestellt, unterschiedlich groß ausgebildet sein. An einem solchen Fluggerät lässt sich die Rollachse 17 definieren, die sich in Längsrichtung des Fluggeräts von vorne nach hinten erstreckt. Weiterhin kann eine Querachse 18 und eine vertikale Achse oder Gierachse 19 am Fluggerät definiert werden. Die Bezeichnungen dieser Achsen sind allgemein bekannt.

An den Enden der Flügel 12, 13, 14, 15 ist jeweils ein Mantelpropeller-Triebwerk 22, 23, 24, 25 angeordnet. Jedes Triebwerk ist um eine Verschwenkachse 26, 27, 28, 29 verschwenkbar an den zugeordneten Flügeln 12, 13, 14, 15 gelagert. Die Schwenkachsen 26, 27, 28, 29 verlaufen dabei parallel zur Querachse 18 des Fluggeräts 10.

Die einzelnen Mantelpropeller-Triebwerke können unabhängig voneinander durch nicht gezeigte Stellmotoren um diese Schwenkachsen verschwenkt werden. In der Zeichnung sind die Mantelpropeller-Triebwerke 22, 23, 25 in deren vertikalen Lage gezeigt, in der die Drehachse des Propellers vertikal verläuft. Das Mantelpropeller-Triebwerk 24 ist in den Figuren 1 und 2 in der horizontalen Lage, der Fluglage, dargestellt .

Durch die Stellmotoren können die Mantelpropeller- Triebwerke ausgehend von der vertikalen Stellung entgegen dem Uhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn um jeweils bis zu 90° - 120° verschwenkt werden und umgekehrt. Dies erlaubt eine Vektorsteuerung unabhängig von der Lage des Fluggeräts, die dann auch vertikal ausgerichtet sein kann.

In der gezeigten Position der Triebwerke wird der maximale Schub in vertikaler Richtung erreicht. Dadurch ist es möglich, dass das Fluggerät nahezu senkrecht landen und starten kann. Weiterhin wird nach der Verschwenkung der Triebwerke in die Fluglage (horizontale Lage) der maximale Schub zum zügigen Fortbewegen erreicht. Insoweit ist ein derartiges Fluggerät bekannt und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.

Mit den in den Figuren dargestellten Ausrichtungen der Triebwerke in vertikaler Lage wäre bei optimalen Umgebungsbedingungen und gleicher Schubleistung aller Triebwerke ein stabiler Schwebeflug in horizontaler Lage des Fluggeräts möglich. Solche Fluggeräte werden aber in der Regel im Freien benutzt, so dass das Fluggerät den dortigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Insbesondere machen Winde und insbesondere Windböen Probleme, da sich diese unmittelbar auf die Schwebelage auswirken und ausgeglichen werden müssen.

Hier ist vorgesehen, dass die Mantelpropeller-Triebwerke in Abhängigkeit von einer Gierbewegung (Drehung um die vertikale Achse 19), und/oder einer Nickbewegung (Drehung um die Querachse 18) und/oder Rollbewegung (Drehung um die Längsachse 17) um deren Schwenkachsen derart verschwenkt werden, dass die betreffende Bewegung ausgeglichen wird. Durch die Verschwenkung der Triebwerke wird die Schubrichtung unmittelbar verändert, so dass ein zeitnaher und nahezu unmittelbarer Ausgleich der betreffenden Bewegung erfolgen kann. Dadurch wird die ansonsten den Mantelpropeller-Triebwerken innewohnende Trägheit ausgeglichen .

Das Fluggerät 10 kann eine Steuerung 30 umfassen, mit der die erforderlichen Verschwenkungen der einzelnen Triebwerke 22, 23, 24, 25 bewirkt wird. Es können weiterhin Mittel 31 zum Erfassen der Nickbewegung, Mittel 32 zum Erfassen der Rollbewegung und Mittel 33 zum Erfassen der Gierbewegung vorhanden sein. Diese Mittel 31, 32, 33 können mit der Steuerung 30 derart _Z usammenwirken, dass die Steuerung in Abhängigkeit von den erfassten Bewegungen die entsprechende Verschwenkung der einzelnen Triebwerke bewirkt. Damit kann die Schwebelage ohne manuelles Nachsteuern erreicht werden.

Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer Gierbewegung des Fluggeräts im Uhrzeigersinn 34 um die vertikale Achse 19 alle Triebwerke 22, 23, 24, 25 um ihre Schwenkachsen im Uhrzeigersinn verschwenkt werden. Dadurch wird der ansonsten nach vertikal unten gerichtete Schub teilweise entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet, so dass die Gierbewegung ausgeglichen wird. Bei einer Gierbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn werden die Triebwerke ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn verdreht. Bei einer reinen Gierbewegung werden die Triebwerke gleichförmig verschwenkt, so dass bei gleichbleibendem Schub bis auf die Flughöhe keine Veränderung der Position des Fluggeräts 10 auftritt .

Bei einer Rollbewegung 35 des Fluggeräts 10 in Flugrichtung 36 gesehen nach rechts, werden die in Flugrichtung 36 linken Triebwerke 23, 24 gegeneinander verschwenkt. Dies bedeutet, dass das eine Triebwerk 24 im Uhrzeigersinn und das andere Triebwerk 23 entgegen dem Uhrzeigersinn im gleichen Maße verschwenkt wird. Hierdurch wird der Schub in Auftriebsrichtung verringert, so dass sich der Flugkörper auf der linken Seite absenkt und die Rollbewegung nach rechts ausgeglichen wird. Hier kann vorgesehen werden, dass zur Beibehaltung der Flughöhe die Drehzahlen der verschwenkten Triebwerke 23, 24 erhöht wird, so dass insgesamt die Flughöhe aufrechterhalten bleibt. Es ist hierbei nicht relevant, dass die Änderung der Drehzahl sich nur langsam auf den Schub auswirkt. Bei einer Rollbewegung nach links werden die beiden rechten Motoren 22, 25 entsprechend verschwenkt. Für den Ausgleich einer Nickbewegung 37 um die Querachse 18 mit dem vorderen Ende des Fluggeräts 10 nach unten werden die vorderen Triebwerke 24, 25 im Uhrzeigersinn verdreht derart, dass die Drehachse der Propeller dieser Triebwerke einen steileren und insbesondere vertikalen Verlauf aufweisen. Dadurch wird der Auftrieb des Fluggeräts 10 an dessen vorderen Ende im Vergleich zum Auftrieb am hinteren Ende erhöht, so dass sich das Fluggerät 10 wieder in die horizontale Lage ausrichtet. Auch hier kann zur Stabilisierung der Flughöhe die Drehzahl der verschwenkten Propeller erhöht werden.

Es ist offensichtlich, dass durch eine derartige Steuerung ein stabiler Schwebeflug auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen erreicht wird. Insbesondere ist es möglich, die durch Windböen oder dergleichen auftretenden plötzlichen Nick-, Roll- oder Gierbewegungen relativ schnell auszugleichen, so dass ein stabiler Schwebeflug möglich ist.

Weiterhin ist es durch die unabhängige Bewegung der einzelnen Triebwerke um deren Verschwenkachsen möglich, das Fluggerät auch in engen Raumverhältnissen sicher nach oben oder unten zu bewegen. Durch die Verschwenkung der einzelnen Triebwerke in die eine oder andere Richtung kann das Fluggerät seine Position in der betreffenden Richtung ändern. Weiterhin ist es möglich, das Fluggerät auch in einer anderen Lage als in der horizontalen Lage stabil im Schwebezustand zu halten. So ist es beispielsweise möglich, das Fluggerät in einem 45° Winkel zu halten, in dem die Triebwerke nach vorne oder nach hinten verschwenkt werden. Weiterhin kann durch die Verschwenkung der Triebwerke das Fluggerät mit geringer Geschwindigkeit geradeaus fliegen. Auch ein Drehen des Fluggeräts auf der Stelle ist möglich. Naturgemäß werden die vorstehend im Einzelnen beschriebenen Bewegungen gemeinsam auftreten. Dies bedeutet, dass neben einer Gierbewegung zusätzliche Nick- oder Rollbewegungen auftreten können. Die Steuerung ist daher als Vektorsteuerung ausgelegt, so dass sich aus den erfassten Bewegungen um die Achsen 17, 18, 19 ein Ausgleichsvektor ermitteln lässt, der sich durch entsprechende Verschwenkung der Triebwerke einstellen lässt. Damit ist es möglich, das Fluggerät in einer stabilen Schwebelage zu halten, ohne dass der Schub der einzelnen Triebwerke verändert werden muss. Hierdurch ist es möglich, die effizienteren

Mantelpropeller-Triebwerke auch bei solchen Fluggeräten wie Drohnen einzusetzen.