Senkrecht startendes Fluggerät

Die Erfindung betrifft ein senkrecht startendes Fluggerät mit zwei an einem Flugzeugrumpf des Fluggeräts angeordneten Flügeln, wobei entlang jedes Flügels jeweils mindestens eine Schwenkantriebseinheit schwenkbar an den Flügeln angeordnet ist und in eine Vertikalfluglage und in eine Horizontalfluglage bringbar ist, wobei die

Schwenkantriebseinheiten in der Vertikalfluglage einen für eine Vertikalflugbewegung des Fluggeräts notwendigen Auftrieb erzeugen und in der Horizontalfluglage eine für eine Horizontalflugbewegung des Fluggeräts notwendigen Vortrieb erzeugen.

Senkrecht startende Flugzeuge werden unter anderem als Drohnen und im militärischen Bereich eingesetzt. Diese Flugzeuge weisen üblicherweise zwei auf gegenüberliegenden Seiten eines Flugzeugrumpfs angeordnete Flügel auf, wobei an den Flügeln jeweils zwei Antriebseinheiten in an den jeweiligen Einsatzzweck angepassten und mit den Flügeln starr verbundenen Tragelementen, wie beispielsweise Gondeln, schwenkbar gelagert angeordnet sind. Es sind auch Flugzeuge bekannt, bei denen kein separater Flugzeugrumpf ausgebildet ist und der Flügel aus zwei entlang der Längsachse symmetrisch ausgestalteten Flügelhälften gebildet ist, wobei an den Flügelhälften jeweils zwei Antriebseinheiten in an den jeweiligen Einsatzzweck angepassten und mit den Flügelhälften starr verbundenen Tragelementen schwenkbar gelagert angeordnet sind. Insbesondere bei Multikoptern wird zur Steuerung des Gier- und Rollwinkels, um das gewünschte Gieren und Rollen des Multikopters zu erreichen, durch eine geeignete Ansteuerung der bei Multikoptern nicht schwenkbaren Antriebseinheiten erreicht. Dabei wird die von den jeweiligen Antriebseinheiten bereitgestellte Leistung antriebsindividuell vorgegeben, um über die auf diese Weise erzeugten Auftriebsunterschiede und Drehmomentdifferenzen das Gieren und Rollen zu erzeugen.

Durch den Roll-, Nick- und Gierwinkel wird üblicherweise eine Orientierung des Flugzeugs im dreidimensionalen Raum beschrieben. Dabei beschreiben die verschiedenen Winkel Drehwinkel des Flugzeugs, ausgehend von einer Nulllage, die beispielsweise der Ausrichtung des auf dem Boden stehenden Flugzeugs entsprechen kann, um eine Längs-, Quer- und Vertikalachse des Flugzeugs. Dabei ist eine Rollachse eines Fluggeräts meist mit der Längsachse des Fluggeräts gleichzusetzen, wobei ein Rollen oder ein Kippen des Fluggeräts um einen Rollwinkel um diese Rollachse erfolgt. Eine Nickachse des Fluggeräts ist eine senkrecht zu der Rollachse orientierten Querachse bezeichnet, wobei ein Nicken oder ein Stampfen des Fluggeräts um einen Nickwinkel um diese Nickachse erfolgt. Eine Gierachse des Fluggeräts ist eine senkrecht zu der Rollachse und zu der Gierachse orientierte Hochachse bezeichnet, wobei ein Gieren oder ein Schlingern des Fluggeräts um einen Gierwinkel um diese Gierachse erfolgt .

Zudem sind aus dem Stand der Technik senkrecht startende Flugzeuge bekannt, bei denen die Antriebseinheiten direkt an den Flügeln, beispielsweise an einer innerhalb des Flügels verlaufenden Tragstruktur, schwenkbar gelagert sind. Dabei werden die Antriebseinheiten jeweils mit einem separaten Schwenkantrieb in eine Vertikalfluglage und in die Horizontalfluglage gebracht. Ein solches senkrecht startendes Flugzeug wird in der Druckschrift WO 2014/016226 Al beschrieben. Bei diesem senkrecht startenden Flugzeug ist vorgesehen, dass in der Horizontalfluglage die erste Antriebseinheit oberhalb einer Flügelfläche und die zweite Antriebseinheit unterhalb der Flügelfläche an dem Flügel angeordnet sind, und dass in der Vertikalfluglage die erste Antriebseinheit und die zweite Antriebseinheit in einer näherungsweise horizontalen Ebene angeordnet sind. Auf diese Weise erreicht man in der Vertikalflugphase in Bodennähe einen einheitlichen Bodeneffekt der ersten und zweiten Antriebseinheit, so dass ein ruhigeres Flugverhalten insbesondere in der Start- und Landephase erreicht wird. In der Horizontalfluglage strömen sich die erste Antriebseinheit die zweite Antriebseinheit nicht gegenseitig an, so dass hierdurch keine Wirkungsgradverluste eintreten. Dadurch, dass sämtliche Antriebseinheiten in einer Vertikalfluglage und in eine Horizontalfluglage schwenkbar sind, ist eine besonders genaue Steuerung der Vertikalflugphase möglich. Nachteilig ist jedoch das große Gesamtgewicht des senkrecht startenden Flugzeugs, das aufgrund der für jede Antriebseinheit separat verbauten Schwenkantriebe entsteht. Zudem muss der Anbindungsbereich zwischen den Flügeln und dem Flugzeugrumpf des Fluggeräts aufgrund des großen Gewichts der an den Flügeln angeordneten Antriebseinheiten beziehungsweise Schwenkantriebe besonders stabil und tragfähig ausgestaltet sein, wodurch das Gesamtgewicht des Fluggeräts vergrößert wird. Insbesondere für eine Vertikalflugbewegung des Fluggeräts ist während eines senkrechten Starts des Fluggeräts eine große Antriebsleistung der Antriebseinheiten notwendig. Durch ein großes Gesamtgewicht des Fluggeräts wird die durch die zur Verfügung stehende und durch die Batteriekapazität begrenzte Restflugzeit beziehungsweise die zur Verfügung stehende Restflugstrecke begrenzt.

Als Aufgabe der Erfindung wird es daher angesehen, ein leichtes senkrecht startendes Fluggerät zur Verfügung zu stellen .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an jedem Flügel mindestens eine Vertikalantriebseinheit starr in einer Vertikalfluglage angeordnet ist. Während der Horizontalflugbewegung sind die Schwenkantriebseinheiten in eine oder entgegen der Richtung der Horizontalflugbewegung geschwenkt, sodass die Schwenkantriebseinheiten den für die Horizontalflugbewegung notwendigen Antrieb erzeugen. Die starr an den Flügeln angeordneten und in einer Vertikalfluglage orientierten Vertikalantriebseinheiten erzeugen lediglich während der Vertikalflugphase den für die Vertikalflugbewegung notwendigen Auftrieb. Während der Horizontalflugbewegung werden diese seitlich angeströmt, wodurch ein im Vergleich zu den in oder entgegen die Horizontalflugrichtung geschwenkten Schwenkantriebseinheiten größerer Strömungswiderstand erzeugt wird. Dadurch, dass die Vertikalantriebseinheiten keinen Schwenkantrieb aufweisen, ist die Vertikalantriebseinheit besonders gewichtsreduziert ausgestaltbar. Damit ist auch die an einem Flügel angreifende Gewichtskraft besonders gering, sodass der Flügel insgesamt und insbesondere in dem Anbindungsbereich zwischen dem Flügel und dem Flugzeugrumpf besonders leicht ausgestaltet werden kann. Insgesamt lässt sich somit ein besonders gewichtsreduziertes Fluggerät hersteilen, wodurch eine geringe Antriebsleistung während der Vertikalflugphase bei einem Senkrechtstart des Fluggeräts benötigt wird.

Um eine seitliche Manövrierbarkeit und ein Gierverhalten des Fluggeräts in der Vertikalfluglage zu verbessern, ist in einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass in einer Vertikalfluglage mindestens eine Schwenkantriebseinheit und mindestens eine

Vertikalantriebseinheit so ausgerichtet sind, dass zwischen einer Richtung der jeweils durch die Schwenkantriebseinheit und durch die Vertikalantriebseinheit erzeugten Auftriebskraft und einer auf einer durch eine Rollachse des Fluggeräts und durch eine Nickachse des Fluggeräts aufgespannten Ebene senkrecht stehenden Achse ein Anstellwinkel eingeschlossen ist. Durch eine Änderung der Antriebsleistung einzelner unter einem Anstellwinkel angestellten Schwenkantriebseinheiten oder Vertikalantriebseinheiten kann eine seitliche Schubkraft erzeugt werden, wodurch ein Gieren um die Gierachse oder ein Rollen um die Rollachse des Fluggeräts erfolgt. Die starr angeordneten Vertikalantriebseinheiten können vorteilhafterweise und erfindungsgemäß so ausgerichtet sein, dass die durch gegenüberliegende Vertikalantriebseinheiten erzeugten Auftriebskräfte sich gegeneinander aufheben, solange die jeweiligen Antriebsleistungen gleich groß sind. Ein Gieren oder ein Rollen wird entweder durch eine Anpassung der jeweiligen Antriebsleistung und/oder durch ein Schwenken mindestens einer Schwenkantriebseinheit bewirkt. Der Anstellwinkel der Schwenkantriebseinheit und der Vertikalantriebseinheit kann erfindungsgemäß so gewählt werden, dass eine horizontale Kraftkomponente der Auftriebskraft in Richtung des Fluggeräts oder in eine entgegengesetzte Richtung des Fluggeräts, in Flugrichtung oder entgegen der Flugrichtung gerichtet ist.

Um das Flugverhalten des senkrecht startenden Fluggeräts weiter zu verbessern, ist in einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass ein erster Abstand der mindestens einen Schwenkantriebseinheit zu einer Längsachse des Fluggeräts kleiner ist als ein zweiter Abstand der mindestens einen Vertikalantriebseinheit zu der Längsachse des Fluggeräts. Durch die Wahl eines geringen Abstands zwischen den Schwenkantriebseinheiten und der Längsachse des Fluggeräts ist ein durch die Gewichtskraft der Schwenkantriebseinheiten erzeugtes Biegemoment im Anbindungsbereich zwischen dem Flügel und dem Flugzeugrumpf besonders gering. Somit kann der Flügel und insbesondere der Anbindungsbereich besonders klein und damit gewichtssparend ausgestaltet werden, wodurch auch ein besonders leichtes Fluggerät herstellbar ist. Zweckmäßigerweise werden die Schwenkantriebseinheiten so nah wie möglich an die Längsachse des Fluggeräts beziehungsweise an dem Flugzeugrumpf angeordnet. Ein kleinster möglicher Abstand ist beispielsweise durch einen Rotordurchmesser eines Rotors der Schwenkantriebseinheit. Des Weiteren wird durch die Anordnung der Schwenkantriebseinheiten in der Nähe des Flugzeugrumpfs die Flügelkonstruktion insgesamt steifer, sodass geringere Biegeschwingungen in den Flügeln auftreten. Dadurch wird insbesondere eine Manövrierbarkeit in der Vertikalfluglage verbessert und ein ruhigeres Flugverhalten erzielt. Durch die Anordnung der Schwenkantriebseinheiten mit einem geringen Abstand zu der Längsachse des Fluggeräts wird in der Horizontalfluglage der Schwenkantriebseinheit bei einer Änderung einer Antriebsleistung einer Schwenkantriebseinheit eine geringe Änderung eines um die Gierachse des Fluggeräts gerichteten Giermoments erzeugt. Vorteilhafterweise kann eine Giermomentänderung durch die Vorgabe der Antriebsleistung eines an dem gegenüberliegenden Flügel angeordneten Schwenkantriebseinheit kompensiert werden.

Vorteilhafterweise sind die Schwenkantriebseinheiten und die Vertikalantriebseinheiten erfindungsgemäß so ausgelegt, dass bei einem Ausfall einer Schwenkantriebseinheit oder einer Vertikalantriebseinheit den für die Vertikalflugbewegung notwendigen Auftrieb beziehungsweise den für die Horizontalflugbewegung notwenigen Vortrieb durch die zur Verfügung stehende Antriebsleistungen der funktionsfähigen Schwenkantriebseinheiten und Vertikalantriebseinheiten ausgeglichen werden.

Damit ein Weiterflug des Fluggeräts bei einem Ausfall einer Schwenkantriebseinheit oder einer Vertikalantriebseinheit möglich ist, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass zwei Schwenkantriebseinheiten und zwei Vertikalantriebseinheiten an dem Flügel angeordnet sind, wobei die zwei Schwenkantriebseinheiten und die zwei Vertikalantriebseinheiten jeweils in einer Horizontalflugrichtung des Fluggeräts hintereinander angeordnet und näherungsweise in einem gleichen Abstand zu einer Längsachse des Fluggeräts angeordnet sind. Dadurch, dass die zwei Schwenkantriebseinheiten und zwei Vertikalantriebseinheiten jeweils in Horizontalflugrichtung hintereinander angeordnet sind kann die Steuerung der Schwenkantriebseinheiten und der Vertikalantriebseinheiten, analog zu der Steuerung eines Multikopters, besonders einfach erfolgen .

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen senkrecht startenden Fluggeräts ist vorgesehen, dass die Schwenkantriebseinheiten und die Vertikalantriebseinheiten jeweils einen Tragarm aufweisen, mit dem die

Schwenkantriebseinheiten und die Vertikalantriebseinheiten an dem Flügel festgelegt sind. Somit ist ein Abstand zwischen den Schwenkantriebseinheiten und die

Vertikalantriebseinheiten unabhängig von der Flügelbreite und Länge wählbar. Dadurch lassen sich die Abstände zwischen den Schwenkantriebseinheiten und den Vertikalantriebseinheiten untereinander möglichst groß wählen, sodass die durch eine Änderung der durch die Schwenkantriebseinheiten und die Vertikalantriebseinheiten erzeugten Auftriebskräfte in besonders großem Anteil zu einer Steuerung einer Gier- oder Rollbewegung und für eine Drehung des Fluggeräts um eine Gier-, Roll- oder Nickachse beitragen. Somit wird ein besonders stabiles Flugverhalten während der Vertikalflugphase ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass zwei in Horizontalflugrichtung hintereinander angeordneten Schwenkantriebseinheiten in einer Horizontalfluglage jeweils oberhalb und unterhalb einer Horizontalebene angeordnet sind, wobei die Horizontalebene parallel zu einer durch die Rollachse des Fluggeräts und durch die Nickachse des Fluggeräts aufgespannten Ebene angeordnet ist. In der Horizontalfluglage strömen sich die in Horizontalflugrichtung hintereinander angeordneten Schwenkantriebseinheiten nicht gegenseitig an, so dass hierdurch keine Wirkungsgradverluste eintreten. Dabei kann die Horizontalebene auch mit der durch die Rollachse des Fluggeräts und durch die Nickachse des Fluggeräts aufgespannten Ebene zusammenfallen.

In einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass zwei in Horizontalflugrichtung hintereinander angeordneten Schwenkantriebseinheiten in einer Vertikalfluglage innerhalb der Horizontalebene angeordnet sind. Auf diese Weise wird in der Vertikalflugphase in Bodennähe ein einheitlicher Bodeneffekt der in Vertikalfluglage orientierten Schwenkantriebseinheiten erreicht, sodass ein ruhigeres Flugverhalten insbesondere in der Start- und Landephase des Fluggeräts erreicht wird. Geringfügige Abweichungen von einer solchen Anordnung, die beispielsweise auf Fertigungstoleranzen zurückgeführt werden können, beeinträchtigen das Flugverhalten des Fluggeräts allerdings nicht oder lediglich geringfügig.

In einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass ein Vertikalabstand zwischen der Schwenkantriebseinheit und einer durch den Flügel aufgespannten Flügelebene durch einen zwischen einer Längsachse des Tragarms und der Flügelebene eingeschlossenen Anstellwinkel vorgebbar ist. Dabei kann der Anstellwinkel so vorgegeben sein, dass die Schwenkantriebseinheiten in der Vertikalfluglage im Wesentlichen in der Horizontalebene angeordnet sind und in einer Horizontalfluglage oberhalb und unterhalb der Horizontalfläche angeordnet sind. Zweckmäßigerweise sind die Tragarme so an dem Flügel angeordnet, dass sich eine erste Schwenkantriebseinheit in der Vertikalfluglage in Horizontalflugrichtung vor dem Flügel und eine zweite Schwenkantriebseinheit hinter dem Flügel befindet. Dabei können die Tragarme so ausgestaltet und an dem Flügel angeordnet sein, dass die in Horizontalflugrichtung hintereinander angeordneten Schwenkantriebseinheiten in der Horizontalfluglage im Wesentlichen unterhalb und oberhalb des Flügels angeordnet sind. Aufgrund der Anordnung der Schwenkantriebseinheiten in Horizontalflugrichtung vor und hinter dem Flügel kann dieser verlängert und so zusätzliche Flügelstreckung generiert werden. Dadurch sinkt ein induzierter Widerstand der Flügel im Horizontalflug und die Flugleistungen werden verbessert.

Damit in der Start- und Landephase des Fluggeräts in Bodennähe ein besonders stabiles Flugverhalten erreicht wird, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die in Horizontalflugrichtung hintereinander angeordneten Vertikalantriebseinheiten innerhalb der Horizontalebene angeordnet sind. Auf diese Weise wird in der Vertikalflugphase in Bodennähe ein einheitlicher Bodeneffekt der in Vertikalfluglage orientierten Vertikalantriebseinheiten erreicht.

Um den ein besonders stabiles Flugverhalten des Fluggeräts in der Vertikalflugphase zu erreichen, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens vorgesehen, dass die Schwenkantriebseinheiten jeweils eine Schwenkvorrichtung aufweisen, sodass eine Schwenkbewegung der Schwenkantriebseinheiten unabhängig voneinander durchführbar ist. Durch die Redundanz mehrere schwenkbarer Schwenkantriebseinheiten kann die Manövrierbarkeit des Fluggeräts auch bei einem Ausfall einer

Schwenkantriebseinheit erhalten bleibe, sodass ein Weiterflug des Fluggeräts möglich ist.

Eine besonders kostengünstige Konstruktion und ein besonders gutes Flugverhalten wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass es sich bei den Schwenkantriebseinheiten und den Vertikalantriebseinheiten um Propellerantriebe oder Impellerantriebe oder Strahltriebwerke handelt. Propellerantriebe sind zweckmäßigerweise starr oder mit einer Rotorblattverstellung ausgeführt.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen senkrecht startenden Fluggeräts werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines senkrecht startenden Fluggeräts im Horizontalflug,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines senkrecht startenden Fluggeräts im Vertikalflug und

Figur 3 eine schematische Darstellung eines senkrecht startenden Fluggeräts in einer Vorderansicht im Horizontalflug .

In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines senkrecht startenden Fluggeräts 1 in einem Horizontalflug gezeigt. Das Fluggerät 1 weist zwei an einem Flugzeugrumpf 2 des Fluggeräts 1 angeordnete Flügel 3 auf. An jedem Flügel 3 sind jeweils zwei in einer Horizontalflugrichtung 4 hintereinander angeordnete Schwenkantriebseinheiten 5 und jeweils zwei in der Horizontalflugrichtung 4 hintereinander angeordnete Vertikalantriebseinheiten 6 angeordnet. Dabei weisen die Schwenkantriebseinheiten 5 und die

Vertikalantriebseinheiten 6 jeweils einen Tragarm 7 auf, mit dem die Schwenkantriebseinheiten 5 und die

Vertikalantriebseinheiten 6 an dem Flügel 3 festgelegt sind. Die Schwenkantriebseinheiten 5 sind in eine Vertikalfluglage und in eine Horizontalfluglage bringbar. Die Vertikalantriebseinheit 6 sind starr in einer Vertikalfluglage angeordnet. Während einer

Horizontalflugbewegung sind die Schwenkantriebseinheiten 5 in oder entgegen der Horizontalflugrichtung 4 geschwenkt, sodass die Schwenkantriebseinheiten 5 den für die Horizontalflugbewegung notwendigen Antrieb erzeugen. Die starr an den Flügeln 3 angeordneten und in einer Vertikalfluglage orientierten Vertikalantriebseinheiten 6 erzeugen lediglich in der Vertikalflugphase den für die Vertikalflugbewegung notwendigen Auftrieb. Ein erster Abstand 8 der zwei in Horizontalflugrichtung 4 hintereinander angeordneten Schwenkantriebseinheiten 5 zu einer Längsachse 9 des Fluggeräts 1 ist kleiner als ein zweiter Abstand 10 der zwei in Horizontalflugrichtung 4 hintereinander angeordneten Vertikalantriebseinheiten 6 zu der Längsachse 9 des Fluggeräts 1.

In Figur 2 ist eine schematische Darstellung des senkrecht startenden Fluggeräts 1 in einem Vertikalflug gezeigt. Dabei weisen die Schwenkantriebseinheiten 5 und die

Vertikalantriebseinheiten 6 jeweils einen Tragarm 7 auf, mit dem die Schwenkantriebseinheiten 5 und die

Vertikalantriebseinheiten 6 an dem Flügel 3 festgelegt sind. Ein Vertikalabstand 11 zwischen der Schwenkantriebseinheit 6 und einer durch den Flügel 3 aufgespannten Flügelebene 12 ist durch einen zwischen einer Längsachse des Tragarms 7 und der Flügelebene 12 eingeschlossenen Anstellwinkel 13 vorgebbar. Die Schwenkantriebseinheiten 5 sind in einer Vertikalfluglage dargestellt. Die Vertikalantriebseinheit 6 sind starr in einer Vertikalfluglage angeordnet. Während einer Vertikalflugbewegung sind die Schwenkantriebseinheiten 5 in die Vertikalfluglage geschwenkt, sodass die starr an den Flügeln 3 angeordneten Schwenkantriebseinheiten 5 und die

Vertikalantriebseinheiten 6 den für die Vertikalflugbewegung notwendigen Auftrieb erzeugen.

In Figur 3 ist eine schematische Darstellung des senkrecht startenden Fluggeräts 1 in einer Vorderansicht im

Horizontalflug gezeigt. Die zwei in der in Figur 3 nicht dargestellten Horizontalflugrichtung 4 hintereinander angeordneten Schwenkantriebseinheiten 5 sind in einer Horizontalfluglage jeweils oberhalb und unterhalb einer Horizontalebene 14 angeordnet, wobei die Horizontalebene 14 parallel zu einer durch eine Rollachse 15 des Fluggeräts 1 und durch eine Nickachse 16 des Fluggeräts 1 aufgespannten Ebene angeordnet ist. Somit strömen sich die in der Horizontalfluglage in Horizontalflugrichtung 4 hintereinander angeordneten Schwenkantriebseinheiten 5 nicht gegenseitig an.