GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Kippflügel-Flugzeug sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Kippflügel-Flugzeuge sind an sich seit langem bekannt. Einen guten Überblick bietet der Artikel von William F. Chana und T. M. Sullivan, "The Tilt Wing Design for a Family of High Speed VSTOL Aircraft", presented at the American Helicopter Society, 49th Annual Forum, St. Louis, Missouri, 19.-21. Mai 1993.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Kippflügel- Flugzeugs.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Kippflügel-Flugzeug mit einer Heckantriebsund -Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, einen Vorschub zu erzeugen, und auch im Schwebeflug des Flugzeugs eine nach oben oder unten gerichtete

Schubkomponente und/oder eine lateral gerichtete Schubkomponente zu erzeugen. Eine derartige Heckantriebseinheit kann im Reiseflug einen gewissen Anteil, oder sogar den Hauptanteil, des Vorschubs des Flugzeugs zur Verfügung stellen. Dies führt dazu, dass etwa durch vordere, am Kippflügel angebrachte Propeller erzeugte Lärmemissionen von der Kabine des Flugzeugs weiter zum Heck hin verlagert werden. Infolge des von der Heckantriebseinheit erzeugten Vorschubs können darüber hinaus die am Kippflügel angebrachten Propeller des Flugzeugs im Hinblick auf

Schwebeflug und Steigflug optimiert werden, wogegen die Heckantriebseinheit im Hinblick auf Reiseflug optimiert ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Heckantriebs- und - Steuereinheit einen ein Heckleitwerk des Flugzeugs anströmenden Heckpropeller auf. Das Heckleitwerk kann konventionell ausgebildet sein, mit Höhenruder und

Seitenruder, oder etwa als V-Heckleitwerk.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Heckantriebs- und - Steuereinheit einen ummantelten Heckpropeller auf. In diesem Fall kann er um die Hochachse und die Querachse des Flugzeugs verschwenkbarer, ummantelter

Heckpropeller ausgebildet sein, um die erforderlichen Schubkomponenten zur Verfügung zu stellen.

Der Antrieb des Kippflügel-Flugzeuges kann konventionell ausgebildet! sein, mit Turbinen und Getriebe. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Kippflügel-Flugzeug gemäß der Erfindung einen Hybridantrieb auf, der für jeden Propeller des Flugzeugs jeweils einen diesen antreibenden Elektromotor aufweist, und der zumindest ein Energieerzeugungsmodul aufweist, das mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie versehen ist.

Infolge des Antriebs der Propeller jeweils durch einen Elektromotor ist es nicht erforderlich, die beiden für den Schwebe- und den Steigflug vorgesehenen Propeller mit einer Transmissionswelle zu verbinden, wie es bei einem Kipprotor-Flugzeug, etwa des Typs Bell-Boeing V22 Osprey, erforderlich ist, um dem Ausfall eines Triebwerks zu begegnen. Bei der Erfindung ist vorzugsweise jeder Elektromotor redundant ausgebildet. Die zum Antrieb notwendige Leistung kann über eine für alle Propeller gemeinsame Motor- oder Turbineneinheit bereitgestellt werden, und die Leistung dann über eine elektrische Kupplung je nach Missionsaufgabe optimiert auf die Propeller verteilt werden. Zur Erzielung einer Redundanz des Hybridantriebs ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zumindest ein weiteres Energieerzeugungsmodul vorgesehen.

Die bei der Erfindung verwendeten Elektromotoren sind vorzugsweise als trägheitsarmer Direktantrieb hoher Leistungsdichte ausgebildet, wie in der DE 10 2007 013 732 AI beschrieben, also als elektrische Maschinen mit

Permanenterregung, die sich durch hohes spezifisches Drehmoment und

Leistungsdichte sowie ein geringes Trägheitsmoment, insbesondere für Direktantrieb der Propeller, eignen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Speichereinheit für elektrische Energie vorgesehen. Diese kann dazu dienen, zumindest zeitweilig, zusätzlich oder alternativ, die die Propeller antreibenden Elektromotoren mit Strom zu versorgen. Weiterhin wird hierdurch die Redundanz erhöht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind das eine Energieerzeugungsmodul und das weitere Energieerzeugungsmodul gleich oder gleichartig ausgebildet.

Hierdurch lässt sich ein modularer Aufbau erzielen, mit mehreren

Energieerzeugungsmodulen, die jeweils mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator versehen sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann jedoch das weitere

Energieerzeugungsmodul als Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sein. Diese kann Strom zum Aufladen der Speichereinheit für elektrische Energie zur Verfügung stellen, oder zusätzlichen Strom für den Betrieb der Elektromotoren.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die von dem zumindest einen Energieerzeugungsmodul erzeugte elektrische Energie je nach Betriebserfordernis auf die die Propeller antreibenden Elektromotoren verteilt. Hierbei wird

beispielsweise jenem Elektromotor, welcher den Heckrotor antreibt, im Reiseflug mehr elektrische Energie zugeführt, als dieser im Schwebe- oder Steigflug benötigt.

Es kann daher gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung im Reiseflug der Hauptanteil der elektrischen Energie jenem Elektromotor zugeführt werden, welcher den Heckpropeller antreibt.

Im Extremfall könnte auch der gesamte Vortrieb durch den Heckpropeller bereitgestellt werden, wobei dann die vorderen, am Kippflügel angebrachten Propeller betriebsmäßig auf geringen Widerstand optimiert oder sogar

strömungsgünstig stillgesetzt werden können.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Es zeigt:

FIG. 1 eine Perspektivansicht eines Kippflügel-Passagierflugzeugs gemäß der Erfindung;

FIG. 2 ein unbemanntes Kippflügel-Flugzeug gemäß der Erfindung;

FIG. 3 ein unbemanntes Kippflügel-Flugzeug gemäß der Erfindung, wobei Fig. 3A das Flugzeug im Steigflug ("climb") in Seitenansicht, Fig. 3B das Flugzeug im Schwebeflug ("hover") in Ansicht von vorn, Fig. 3C das Flugzeug im Steigflug in Aufsicht zeigt und Fig. 3D eine entsprechende Perspektivansicht, und Fig. 3E eine Perspektivansicht des Flugzeugs im Reiseflug ("cruise");

FIG. 4 ein unbemanntes Kippflügel-Flugzeug gemäß der Erfindung im Reiseflug, Fig. 4A in Seitenansicht, Fig. 4B in Ansicht von vorn, Fig. 4C in Aufsicht und Fig. 4D in Perspektivansicht; FIG. 5 die Flugsteuerung eines Kippflügel-Flugzeugs gemäß der Erfindung, und zwar Fig. 5A die Nicksteuerung ("pitch"), Fig. 5B die Rollsteuerung ("roll") und Fig. 5C die Giersteuerung ("yaw");

FIG. 6 einen Hybridantrieb (schematisch) für ein Kippflügel-Flugzeug gemäß der Erfindung; und

FIG. 7 einen weiteren Hybridantrieb (schematisch) für ein Kippflügel-Flugzeug gemäß der Erfindung. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.

Für gleiche oder ähnliche Elemente werden gleiche oder entsprechende

Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt ein als Passagierflugzeug ausgebildetes Kippflügel-Flugzeug 10 gemäß der Erfindung. Das Flugzeug weist einen Rumpf 12 auf, einen Kippflügel 14, an dem rechts ein vorderer Propeller 16 und links ein vorderer Propeller 18 angebracht sind, sowie einen Heckpropeller 20, der ein Heckleitwerk anströmt, welches ein

Höhenleitwerk 22 und ein Seitenleitwerk 26 aufweist. Weiterhin sind in Fig. 1 schematisch ein Bugrad 26 und ein linkes Seitenrad 28 des Flugzeugs dargestellt. Fig. 2 zeigt ein unbemanntes Flugzeug, ein so genanntes UAV (unmanned aerial vehicle), das als Kippflügel-Flugzeug 32 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Derartige UAVs werden auch als Drohnen bezeichnet. Hierbei ist - im Unterschied etwa zu Modellflugzeugen - ein UAV als Flugzeug zu verstehen, welches eine ausreichende Lasttragkapazität und ausreichende Flugeigenschaften für Aufklärungs- und Missionseinsätze aufweist, etwa für den Transport und Kameras für Aufklärungszwecke, oder für den Transport von Waffen für Missionszwecke. Die Drohne 32 weist einen Rumpf 34 auf, einen Kippflügel 36, und einen ummantelten Heckpropeller 38, der aus dem eigentlichen Heckpropeller 40 und einem Mantel 42 besteht. Am Kippflügel 36 sind ein vorderer Propeller 44 und ein vorderer Propeller 46 angebracht.

In Fig. 1 ist der Kippflügel 14 des Flugzeugs 10 in Reisefiugstellung dargestellt, wogegen in Fig. 2 der Kippflügel 36 der Drohne 32 in der Stellung für Steigflug dargestellt ist. Für den Schwebefiug wird der Kippflügel so weit verschwenkt, dass dessen Vorder- und Hinterkante (in Reiseflugstellung) dann annähernd auf der Hochachse des Flugzeugs liegen.

Fig. 3 verdeutlicht die verschiedenen Flugzustände einer Drohne 32, die einen Kippflügel 36 und eine Klappe 48 aufweist, die im Reiseflug geschlossen ist, aber zum Ermöglichen des Verkippens des Kippflügels 36 beim Schwebefiug oder Steigflug geöffnet wird.

Fig. 3A ist eine Seitenansicht der Drohne 32 im Steigflug; Fig. 3B ist eine Ansicht von vorn der Drohne 32 im Schwebeflug; Fig. 3C ist eine Aufsicht auf die Drohne 32 im Steigflug; Fig. 3D ist eine Perspektivansicht der Drohne 32 im Steigflug (mit geöffneter Klappe 48); und Fig. 3E ist eine Perspektivansicht der Drohne 32 im Reiseflug (mit geschlossener Klappe 48).

Fig. 4 verdeutlicht die verschiedenen Flugzustände einer Drohne 48, die einen Rumpf 54 aufweist, einen Kippflügel 56, und einen ummantelten Heckpropeller 58. Fig. 4A zeigt die Drohne 48 im Reiseflug in Seitenansicht; Fig. 4B ist eine Ansicht von vorn der Drohne, die am Kippflügel 56 einen vorderen Propeller 60 und einen vorderen Propeller 62 aufweist; Fig. 4C ist eine Aufsicht auf diese Drohne; und Fig. 4D zeigt diese Drohne in Perspektivansicht im Reisef ug.

Fig. 5 verdeutlicht die Flugsteuerung eines Kippflügel-Flugzeugs 72 gemäß der Erfindung, welches einen Rumpf 74 aufweist, einen Kippflügel 76, einen

ummantelten Heckpropeller 78, und zwei vordere Propeller 80, 82 am Kippflügel 76. Weiterhin ist der Kippflügel 76, wie aus der Ansicht von vorn der Fig. 5B

hervorgeht, mit einem linken Querruder 8 und einem rechten Querruder 86 versehen.

Die Nicksteuerung des Kippflügel-Flugzeugs 72 erfolgt, wie in Fig. 5A gezeigt, durch Erzeugung einer nach oben gerichteten Schub vektorkomponente S durch den ummantelten Heckpropeller 78.

Die Rollsteuerung des Kippflügel-Flugzeugs 72 (um die Flugzeuglängsachse) erfolgt, wie in Fig. 5B dargestellt, durch Erzeugung von durch die Querruder 84, 86 und/oder unterschiedlichem Schub infolge der vorderen Propeller 80, 82 erzeugte Schub vektoren, wie dies anhand der Schub vektoren oder Schub vektorkomponenten Sl (nach unten gerichtet) und S2 (nach oben gerichtet) dargestellt ist. Die Giersteuerung des Kippflügel-Flugzeugs 72 gemäß der Erfindung erfolgt, wie in Fig. 5C gezeigt, durch Bereitstellung einer lateral (seitlich) gerichteten

Schub vektorkomponente S3 durch den ummantelten Heckpropeller 78. Fig. 6 zeigt schematisch einen Hybridantrieb für ein Kippflügel-Flugzeug gemäß der Erfindung. Ein Verbrennungsmotor 92 treibt über eine Welle 94 einen Generator 96 an, der elektrischen Strom 98 über eine Leitung 98 an eine zentrale Steuereinheit 100 schickt. Diese verteilt die erzeugte elektrische Energie je nach Bedarf bzw.

Betriebszustand über eine erste Leitung 102 an einen Elektromotor 104, der einen ersten vorderen Propeller 106 antreibt, und/oder über eine Leitung 108 an einen zweiten Elektromotor 110, der einen zweiten vorderen Propeller 112 antreibt, und/oder über eine Leitung 114 an einen dritten Elektromotor 116, der einen

Heckpropeller 118 antreibt. Weiterhin kann die Steuereinheit 100 über eine Leitung 122 einer Batterie 120 Strom zuführen, aber auch aus dieser entnehmen, um den Betrieb zumindest eines der Elektromotoren 104, 110, 116 zu unterstützen (so genannter "boost").

Verbrennungsmotor 92 und Generator 96 bilden ein Energieerzeugungsmodul. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise ein Wankelmotor sein, ein Kolbenmotor oder eine Turbine.

Die Elektromotoren 104, 110, 116 können als elektrische Triebwerke erheblich kleiner und leichter als mechanische Turbo- oder Motorantriebseinheiten ausgebildet sein.

Die von dem Energieerzeugungsmodul 92, 96 erzeugte elektrische Energie wird, optimiert in Bezug auf den jeweiligen Betriebszustand, an die Elektromotoren 104, 110, 116 verteilt. Die Elektromotoren weisen den weiteren Vorteil auf, dass ihre Drehzahl erheblich schneller variiert werden kann, als dies bei einem

Verbrennungsmotor als Antriebsmotor der Fall ist.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass infolge der Tatsache, dass

Elektromotoren als elektrische Triebwerke erheblich kleiner und leichter bauen, wie voranstehend geschildert, Kippmechanismen für den Kippflügel sowie Auftrieb und Vortrieb erzeugende Triebwerke wesentlich vereinfacht ausgebildet werden können.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform des Hybridantriebs gemäß der Erfindung, bei welcher im Vergleich zu Fig. 6 zwei zusätzliche Energieerzeugungsmodule 130, 134 und 138, 142 vorgesehen sind, sowie entsprechende Leitungen 136, 144. Wie in Fig. 6 weist das erste Energieerzeugungsmodul einen Verbrennungsmotor 92 auf, der über eine Welle 94 einen Generator 96 antreibt. Das zweite Energieerzeugungsmodul in Fig. 7 weist einen Verbrennungsmotor 130 auf, der über eine Welle 132 einen Generator 134 antreibt. Das dritte Energieerzeugungsmodul in Fig. 7 weist einen Verbrennungsmotor 138 auf, der über eine Welle 140 einen Generator 142 antreibt.

Die drei Energieerzeugungsmodule 92, 96; 130, 134; 138, 142 können je nach Betriebserfordernis gleichzeitig in Betrieb sein, aber es kann auch beispielsweise eines dieser drei Energieerzeugungsmodule abgeschaltet sein oder im Leerlauf in Bereitschaft betrieben werden.

Weiterhin können beispielsweise zwei dieser Energieerzeugungsmodule mit voller Leistung arbeiten, um aufgeteilt durch die zentrale Steuereinheit 146 in Fig. 7 die drei Elektromotoren 104, 110, 116 jeweils nach dem dortigen Erfordernis mit Strom zu versorgen. Weiterhin kann beispielsweise im Reiseflug nur der Elektromotor 116 für den Heckpropeller 118 mit voller Leistung betrieben werden, wogegen die Elektromotoren 104, 110 für die vorderen Propeller 106, 112 so mit verringerter Leistung betrieben werden, dass diese Propeller dem Vortrieb keinen unnötigen Widerstand entgegensetzen.

Zur Erhöhung der Redundanz, und der Ausfallsicherheit, aber auch zur kurzzeitigen Leistungserhöhung ("boost") kann elektrische Energie eingesetzt werden, die bei dem Hybridantrieb von Fig. 7 von der Batterie 120 geliefert wird, oder von einer Brennstoffzelleneinheit 150 über eine Leitung 148 der Steuereinheit 146 zugeführt wird. Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass "umfassend" und "aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die unter Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, auch in Kombination mit anderen Merkmalen bzw. Schritten anderer voranstehend beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Passagierflugzeug

12 Rumpf

14 Kippflügel

16 vorderer Propeller

18 vorderer Propeller

20 Heckpropeller

22 Höhenleitwerk

24 Seitenleitwerk

26 Bugrad

28 Seitenrad

30

32 Drohne (UAV, Unmanned Aerial Vehicle)

34 Rumpf

36 Kippflügel

38 Ummantelter Heckpropeller

40 Heckpropeller

42 Mantel

44 vorderer Propeller

46 vorderer Propeller

48 Klappe

50

52 Drohne

54 Rumpf

56 Kippflügel

58 Ummantelter Heckpropeller

60 vorderer Propeller vorderer Propeller

Kippflügel-Flugzeug

Rumpf

Kippflügel

ummantelter Heckpropeller vorderer Propeller

vorderer Propeller

Querruder

Querruder

Schub vektoren

Verbrennungsmotor (VM; VMl)

Welle

Generator (GEN; GEN1)

Leitung

Steuereinheit

Leitung

Elektromotor 1

vorderer Propeller

Leitung

Elektromotor 2

vorderer Propeller

Leitung Elektromotor 3

Heckpropeller

Batterieeinheit

Leitung

Verbrennungsmotor 2

Welle

Generator 2

Leitung

Verbrennungsmotor 3

Welle

Generator 3

Leitung

Steuereinheit

Leitung

Brennstoffzelleneinheit