NOTSTROMAGGREGAT UND LUFTFAHRZEUG

Die Erfindung betrifft eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Rotationsenergie aus chemischer Energie. Weiter betrifft die Erfindung ein Notstromaggregat mit einer

Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung und mit einem Generator zum

Erzeugen von elektrischer Energie aus der Rotationsenergie und ein damit ausgestattetes Luftfahrzeug.

Wenn eine Hauptenergiequelle eines Luftfahrzeuges, wie beispielsweise eines Flugzeuges oder eines Hubschraubers, kurzfristig oder endgültig ausfällt, ist eine Aufrechterhaltung der Bordfunktionen von Vorteil, da so die Flugfähigkeit sichergestellt wird und die Hauptenergiequelle entweder wieder gestartet oder das Luftfahrzeug sicher gelandet werden kann. Die Bordfunktionen können jedoch nur aufrecht erhalten werden, wenn über das Bordnetz elektrische Energie zur

Verfügung steht. Je nach gewünschtem Manöver - entweder Neustart der

Hauptenergiequelle oder Landung - ist dazu eine elektrische Energiezufuhr in einem Zeitraum von wenigen Sekunden bis zu mehreren Minuten nötig.

Für solche Fälle besteht die Möglichkeit, Batterien oder auch Brennstoffzellen einzusetzen. Diese Systeme sind jedoch vergleichsweise schwer und sie sind daher nur bedingt für ein fliegendes Gerät geeignet. Bei Brennstoffzellen ist zudem ein zusätzlicher Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, erforderlich. Außerdem ist bei beiden Systemen zu berücksichtigen, dass sie eine ständige Wartung zum Erhalt der Funktionalität benötigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie zur Versorgung der Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges vorzuschlagen, wobei die Vorrichtung ein geringes Gewicht aufweist und weitgehend wartungsfrei ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie, ein Luftfahrzeug mit einem solchen Notstromaggregat sowie ein Verfahren zum Bereitstellen von Rotationsenergie sind Gegenstand der Nebenansprüche.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung zum verzögerungsfreien

Bereitstellen von Rotationsenergie für einen Generator weist einen zündbaren Feststofftreibsatz zum Freisetzen von kinetischer Energie bei Zündung und eine Turbine zum Umwandeln der von dem Feststofftreibsatz freigesetzten kinetischen Energie in Rotationsenergie auf.

Wird der Feststofftreibsatz gezündet, wird dadurch die Aktivierungsenergie erzeugt, die nötig ist, um die in dem Feststofftreibsatz gespeicherte chemische Energie freizusetzen und in kinetische Energie umzuwandeln. Eine in der Nähe des

Feststofftreibsatzes angeordnete Turbine wird durch Wechselwirkung der kinetischen Energie mit den Schaufeln der Turbine angetrieben und beginnt, sich zu drehen. Durch diesen Vorgang wird die von dem Feststofftreibsatz freigesetzte kinetische Energie in Rotationsenergie umgewandelt. Die derart erzeugte

mechanische Energie kann zum Erzeugen von elektrischer Energie und somit zum Versorgen von Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges verwendet werden. Die Größe und das Gewicht der Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung hängt lediglich von den in dem Feststofftreibsatz verwendeten Substanzen und deren

gespeicherter chemischer Energie ab. Somit kann ein kompakter, leichter Aufbau zum Erzeugen von Rotationsenergie zur Verfügung gestellt werden.

Vorzugsweise ist der Feststofftreibsatz derart ausgebildet, dass er nach Zündung in einem Zeitraum von 10 s bis 300 s Schubgas in Richtung der Turbine freisetzt und somit die Turbine antreibt. Ein explosionsartiges Freisetzen von kinetischer Energie ist im Falle eines Ausfalles der Hauptenergiequelle eines Luftfahrzeuges nur von geringem Vorteil, da somit nur kurzzeitig, wenn auch in hohem Maße, Energie erzeugt werden kann. Ist der Feststofftreibsatz jedoch vorzugsweise derart ausgebildet, dass er über einen längeren Zeitraum kinetische Energie in Form von sich bewegendem Gas - Schubgas - freisetzt, kann die Turbine zur Erzeugung der Rotationsenergie über einen längeren Zeitraum angetrieben werden und somit auch über einen längeren Zeitraum elektrische Energie erzeugt werden. Damit steht vorteilhaft eine ausreichende Zeitspanne zur Verfügung, um die

Hauptantriebsquelle des Luftfahrzeuges wieder zu starten bzw. um das

Luftfahrzeug zu landen.

Vorteilhaft weist der Feststofftreibsatz wenigstens ein anorganisches

Oxidationsmittel und wenigstens eine metallische Brennstoffkomponente auf.

Die anorganischen Oxidationsmittel zerfallen vorteilhaft beim Verbrennen in

Substanzen, die die metallische Brennstoffkomponente verbrennen, wobei große Hitze entsteht und damit eine große Energie freigesetzt wird. Die Energie wird vorzugsweise durch Ausstoß von Reaktionsgasen auf die Schaufeln einer Turbine übertragen, die aus der so freigesetzten kinetischen Energie Rotationsenergie erzeugt.

Das anorganische Oxidationsmittel ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die

NH ₄ CIO ₄ , NH ₄ NO ₃ , K, Na, Li, CaO ₂ , BaO ₂ und Na ₂ O ₂ enthält, ausgewählt.

Die wenigstens eine metallische Brennstoffkomponente ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die Mg, Mg-Al-Legierungen, AI, Ti, Zr, Fe, B und Si enthält, ausgewählt.

Organische Bindemittel weisen molekulargebundenen Wasserstoff auf, der nach Zündung des Feststofftreibsatzes als freies Wasserstoffgas freigesetzt wird. Infolge der hohen Wärmeabgabe des oxidierten Metalls wird das Wasserstoffgas auf eine hohe Temperatur erhitzt. Wasserstoffgas weist ein sehr geringes Molekulargewicht auf, weswegen es unter hoher Temperatur eine sehr wirksame

Schuberzeugungskomponente bildet. In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist der Feststofftreibsatz wenigstens ein organisches Bindemittel auf.

Das organische Bindemittel ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die Polyether, Polysulfid, Polyurethan und mit Celluloseacetat, Celluloseether, Polyvinylchlorid oder Asphalt vernetzte Butadien-Acrylsäure-Mischpolymere und/oder Butadien- Acrylmethacrylsäure-Mischpolymere enthält, ausgewählt.

Vorzugsweise weist der Feststofftreibsatz NH ₄ CI0 ₄ und Aluminium auf. Das Ammoniumperchlorat wirkt als Oxidator für das Aluminium und gleichzeitig als Treibstoff, denn es zerfällt vorteilhaft beim Verbrennen unter anderem in Sauerstoff und Chlor. Diese Gase verbrennen weiter Aluminium und tragen zu einer Erhöhung der Temperatur der Reaktionsgase bei. Durch die Oxidation des Aluminiums entsteht weiter eine große Hitze, wodurch Aktivierungsenergie zum

Aufrechterhalten der Verbrennungsreaktionen bereit gestellt wird.

Vorzugsweise weist der Feststofftreibsatz Aluminium mit einem Massenanteil von bis zu 30 Gew.-% auf.

In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Feststofftreibsatz eine Zündvorrichtung auf, wobei eine Steuerung zum Ansteuern der Zündvorrichtung vorgesehen ist und wobei die Steuerung eine eigene unabhängige Energieversorgung aufweist. So ist es vorteilhaft möglich, den Feststofftreibsatz über die Zündvorrichtung durch Betätigung der Steuerung zu zünden, ohne dass Energie von der

Hauptenergiequelle zur Verfügung stehen muss. Beispielsweise kann die

Steuerung über handelsübliche Batterien, Akkumulatoren und/oder

leistungsfähigen Kondensatoren wie z.B. Goldcaps mit Energie versorgt werden.

Ein Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie bei einem Ausfall einer Hauptenergiequelle in Luftfahrzeugen weist eine

Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung auf sowie einen Generator zum

Umwandeln von Rotationsenergie in elektrische Energie. Wird durch eine kleine, kompakte und leichte Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung Rotationsenergie aus chemischer Energie erzeugt, kann diese durch Vorsehen eines Generators einfach in elektrische Energie verwandelt werden, welche dann zum Erhalt der Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges zur Verfügung steht.

Dazu ist vorzugsweise die Turbine mit dem Generator gekoppelt, wobei der Generator ein Gleichstrom- oder Wechselstrom-Generator sein kann.

Vorzugsweise ist das Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie mit einer Leistung von 30 kW bis 60 kW ausgebildet. Eine solche Leistung reicht aus, um die Bordfunktionen zur Sicherstellung der Manövrierfähigkeit des

Luftfahrzeuges aufrecht zu erhalten.

Vorzugsweise ist ein Luftfahrzeug mit einem solchen Notstromaggregat

ausgestattet, wobei der Generator über einen Wandler an ein Bordnetz des Luftfahrzeuges angeschlossen ist, um dieses Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Wandler verhindert hierbei vorzugsweise, dass Energiespitzen die Bordfunktionen zum Ausfall bringen bzw. sorgt für eine konstante Zufuhr elektrischer Energie für das Bordnetz.

In einem Verfahren zum verzögerungsfreien Bereitstellen von Rotationsenergie für einen Generator wird zunächst ein Feststofftreibsatz gezündet, der kinetische Energie freisetzt und danach diese freigesetzte kinetische Energie mittels einer Turbine in Rotationsenergie umwandelt. Durch das Zünden des

Feststofftreibsatzes steht unmittelbar kinetische Energie zur Verfügung, die nach Umwandlung in elektrische Energie den Bordfunktionen zugeführt werden kann. Es kann so ohne Zeitverlust sicher gestellt werden, dass das Luftfahrzeug

manövrierfähig bleibt, bis entweder die Hauptenergiequelle wieder gestartet worden ist bzw. bis das Luftfahrzeug gelandet worden ist.

Vorzugsweise wird ein Generator angetrieben, um die Rotationsenergie in elektrische Energie zu wandeln und die elektrische Energie einem Bordnetz eines Luftfahrzeuges zur Verfügung zu stellen. Bevorzugt wird der Feststofftreibsatz nur im Notfall gezündet, um lediglich beim Ausfall einer Hauptenergiequelle den Bordfunktionen des Luftfahrzeuges elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 ein erstes Luftfahrzeug - Flugzeug - mit verschiedenen

Steuerelementen;

Fig. 2 ein zweites Luftfahrzeug - Hubschrauber -;

Fig. 3 ein Cockpit der Luftfahrzeuge aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 mit einer

Hauptenergiequelle und einem Notstromaggregat; und

Fig. 4 das Notstromaggregat aus Fig. 3 im Detail.

Fig. 1 zeigt ein Luftfahrzeug 10 in Form eines Flugzeugs 11 , das mit Querrudern 12, Höhenrudern 14 und einem Seitenruder 16 als Steuerelemente 17 ausgestattet ist. Die Querruder 12 sorgen für die Flugsteuerung um die Längsachse 18 des Flugzeuges 1 1 , die Höhenruder 14 dienen zur Drehung des Flugzeuges 1 um seine Querachse 20 und das Seitenruder dient zum Drehen des Flugzeuges 1 1 um seine Hochachse 22. Mittels dieser Drehungen lässt sich das Flugzeug 1 1 in der Luft sicher manövrieren. Die Steuerelemente 17 werden im Allgemeinen von einem Cockpit 24 des Flugzeuges 1 1 aus über Bordinstrumente 25 angesteuert und überwacht.

In Fig. 2 ist ein weiteres Luftfahrzeug 10 in Form eines Hubschraubers 26 dargestellt. Der Hubschrauber 26 macht sich die Motorkraft eines oder mehrerer Rotoren 28 für Auftrieb und Vortrieb zu Nutze. Die zweidimensionale

Horizontalbewegung des Hubschraubers 26 wird durch Neigung der

Hauptrotorebene 30 beeinflusst. Die Ansteuerung erfolgt dabei zumeist über eine Taumelscheibe 31. Die Taumelscheibe 31 wird dabei, wie auch beim Flugzeug 1 1 , vom Cockpit 24 aus angesteuert.

Beide hier als Luftfahrzeuge 10 nutzen Fly-by-Wire oder Fly-by-Light, wobei Steuerbewegungen des Piloten nicht durch mechanische Systeme, sondern durch Signalübertragung (z.B. elektrisch, elektromagnetisch oder optisch) übertragen werden.

Fig. 3 zeigt ein Cockpit 24 des Flugzeuges 1 1 aus Fig. 1 oder des Hubschraubers 26 aus Fig. 2 mit zugehöriger Energieversorgung 32 eines Bordnetzes 33 und den Bordinstrumenten 25.

Die Energieversorgung 32 weist eine Hauptenergiequelle 36 und ein

Notstromaggregat 38 auf. Sowohl von der Hauptenergiequelle 36 als auch vom Notstromaggregat 38 kann elektrische Energie in das Bordnetz 33 eingespeist werden. Das Bordnetz 33 versorgt sowohl die Bordinstrumente 25 als auch die Steuerelemente 17 des Luftfahrzeuges 10, beispielsweise die Quer-, Höhen- und das Seitenruder 12, 14, 16 des Flugzeuges 1 1 oder die Taumelplatte des

Hubschraubers 26, über einen Anschluss 42 mit elektrischer Energie. Fällt die Hauptenergiequelle 36 aus, wird nur in diesem Fall das Notstromaggregat 38 zugeschaltet, um die Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeuges 10 zu gewährleisten.

Das Notstromaggregat 38 ist im Detail in Fig. 4 gezeigt. Es weist einen

Feststofftreibsatz 44, eine Turbine 46, einen Generator 48 und einen Wandler 50 auf. Der Feststofftreibsatz 44 ist mit einer Zündvorrichtung 52 verbunden, welche über eine Steuerung 54 angesteuert wird. Die Steuerung 54 weist eine eigene unabhängige Energieversorgung 56 auf, die von der Energieversorgung der Hauptenergiequelle 36 abgekoppelt und somit unabhängig ist. Das

Notstromaggregat 38 ist über den Wandler 50 direkt mit der Energieversorgung 32 verbunden und liefert so elektrische Energie für die Bordinstrumente 25 und die Steuerelemente 17.

Die Funktionsweise des Notstromaggregates 38 wird im Folgenden beschrieben. Wenn die Hauptenergiequelle 36 des Luftfahrzeuges 10 ausfällt und somit die Bordinstrumente 25 sowie die Steuerelemente 17 nicht mehr mit Energie versorgt werden, aktivieren der Pilot oder eine Automatik über die Steuerung 54, die sich in dem Cockpit 24 befindet, die Zündvorrichtung 52 und zündet somit den

Feststofftreibsatz 44. In dem Feststofftreibsatz 44, der in der vorliegenden

Ausführungsform ein Gemisch aus Ammoniumperchlorat und 30 Gew.-%

Aluminium aufweist, starten die Substanzen einen Verbrennungsvorgang und setzen dabei Verbrennungsgase frei, die als Schubgase 57 in Richtung der Turbine 46 geleitet werden und diese antreiben. Nach Start des Verbrennungsvorgangs brennt der Feststofftreibsatz 44 in einem Zeitraum von 10 s bis 300 s und treibt in diesem Zeitraum durch die freigesetzten Schubgase 57 die Turbine 46 an. Die Turbine 46 nimmt die kinetische Energie der Schubgase 57 über Schaufeln (nicht gezeigt) auf und wandelt sie in Rotationsenergie. Somit bilden der

Feststofftreibsatz 44 und die Turbine 46 gemeinsam eine

Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung 58.

Die von der Turbine 46 aus der kinetischen Energie erzeugte Rotationsenergie wird über eine Welle 60 auf den Generator 48 übertragen. Dieser wandelt in üblicher Weise die Rotationsenergie in elektrische Energie um. Die so erzeugte elektrische Energie wird über den Wandler 50 an das Bordnetz 33 weiter gegeben und steht somit den Bordinstrumenten 34 sowie den Steuerelementen 17 zur Verfügung. Somit ist es möglich, in der Zeit, in der der Feststofftreibsatz 44 brennt und

Schubgase 57 freisetzt, dem Bordnetz 33 elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, um so die Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeuges 0 zu erhalten. Das Luftfahrzeug 10 kann dann wahlweise gelandet werden oder Versuche gestartet werden, um die Hauptenergiequelle 36 wieder zu starten.

Dies wird durch das dargestellte System zur Stromerzeugung erreicht, das aus einer Turbine 46 mit einem gekoppelten elektrischen Generator 48 besteht. Der Antrieb der Turbine 46 erfolgt dabei mit Feststoffbrennelementen. Im Luftfahrtbereich besteht in verschiedenen Sektionen der Bedarf von

Aggregaten, die für einen begrenzten Zeitraum (ca. 10 bis 300 s) elektrische Energie (30 bis 60 kW) zur Verfügung stellen können. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Hauptenergiequelle 36, z.B. elektrische Generatoren gekoppelt an Antriebsmaschinen bei Flugzeugen 1 1 oder Hubschraubern 26, kurzfristig oder endgültig ausfällt. Dann ist eine Aufrechterhaltung der

Bordfunktionen zur Sicherstellung der Flugfähigkeit in einem Zeitraum zu gewährleisten, innerhalb dessen die Hauptmaschinen wieder gestartet werden können oder das Luftfahrzeug 10 sicher gelandet werden kann.

Bei zivilen und militärischen Flugzeugen 1 1 wird das Problem einer

Betriebsstörung der Hauptmaschine mittels einer Hilfsturbine mit gekoppeltem Generator (APU - auxiliary power unit) gelöst. Bei Hubschraubern 26 sind derartige Systeme nicht Stand der Technik. In solchen Fällen besteht die

Möglichkeit, Batterien oder auch Brennstoffzellen einzusetzen. Diese Systeme sind vergleichsweise schwer und sind daher nur bedingt für fliegendes Gerät geeignet. Bei Brennstoffzellen ist zudem ein zusätzlicher Betriebsstoff, in der Regel

Wasserstoff, erforderlich. Bei beiden Systemen ist zu berücksichtigen, dass diese eine ständige Wartung zum Erhalt der Funktionalität benötigen. Insofern besteht ein Bedarf an leichten, wartungsfreien und kostengünstigen Systemen zur

Stromerzeugung im Notfallbetrieb.

Daher wird ein leichtes, wartungsfreies und kostengünstiges System zur kurzfristigen elektrischen Bordenergieversorgung vorgeschlagen, wobei eine Turbine 46 mit gekoppeltem Generator 48 direkt oder über ein

Untersetzungsgetriebe eingesetzt wird. Die Turbine 46 wird dabei über

Feststofftreibsätze 44 (Gasgeneratoren) angetrieben. Leistung und Brenndauer werden über den Energieinhalt und die chemische Natur der Feststofftreibsätze 44 vermittelt. Ein Beispiel für chemische Treibsätze ist Ammoniumperchlorat als Oxidator mit Beimischungen von Aluminium bis zu 30 Gew.-%. Die Generatoren 48 können als Gleich- oder Wechselstrommaschinen aufgebaut sein. Der

Bordnetzanschluss erfolgt über eine jeweils erforderliche Strom- Spannungswandlung gemäß Stand der Technik. Das vorgeschlagene System bietet die Vorteile einer leichten, kompakten und wartungsfreien Einheit zur Stromerzeugung in Luftfahrzeugen 10 für den

Notfallbetrieb, wobei kein zusätzlicher Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff bei alternativ möglichen Brennstoffzellen erforderlich ist und wobei keine Abhängigkeit vom Hauptenergieträger, in der Regel Kerosin, besteht.

Bezugszeichenliste: Luftfahrzeug

Flugzeug

Querruder

Höhenruder

Seitenruder

Steuerelemente

Längsachse

Querachse

Hochachse

Cockpit

Bordinstrumente

Hubschrauber

Rotor

Hauptrotorebene

Energieversorgung

Bord netz

Hauptenergiequelle

Notstromaggregat

Anschluss

Feststofftreibsatz

Turbine

Generator

Wandler

Zündvorrichtung

Steuerung

unabhängige Energieversorgung

Schubgas

Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung Welle