Die Erfindung bezieht sich auf ein VTOL-Luftfahrzeug mit bewegbarer Masse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zum Betrieb eines VTOL-Luftfahrzeugs gemäß Anspruch 17.

Gegenwärtige Drehflügel-Luftfahrzeuge, insbesondere VTOL-Luftfahrzeuge (VTOL: „Vertikal Take-Off and Landing") wie zum Beispiel Dualcopter oder Bicopter, neigen während des Flugbetriebs zur Instabilität. Schwierigkeiten bereitet die Flugstabilität von zweimotorigen VTOL-Luftfahrzeugen mit zwei Rotoren nach dem Stand der Technik, weil die Fluglagenregelung um alle drei Achsen (Sechs Freiheitsgrade) von nur vier Regelgrößen (Propellerblattstellung der beiden Rotoren sowie Drehzahl der beiden Motoren) kompensiert werden muss. Bei derartigen VTOL-Luftfahrzeugen führt das Zusammenspiel der Trägheitstensoren der Rotoren mit dem Massenträgheitsmoment der unbewegten Teile, beispielsweise dem Rumpf, bei zu schnell vollzogener Kippbewegung der Rotoren aus ihrer Drehebene zu einem gegengleichen Nickmoment. Dies bringt die Gefahr von sich aufschaukelnden Oszillationen mit sich. Daher gilt diese Konfiguration bei VTOL- Luftfahrzeugen bisher als sehr instabil im Schwebeflug, sowie beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug, und umgekehrt.

Ein vergleichbares VTOL-Luftfahrzeug ist aus dem Dokument EP 2 551 190 AI bekannt. Dieses VTOL-Luftfahrzeug benötigt Rotoren mit zyklischer Rotorblattverstellung um unerwünschten Nick-Impulsen entgegenzuwirken.

Das Dokument WO 2015/022711 AI offenbart ein VTOL-Fahrzeug mit schwenkbaren Rotoren und einer verlagerbaren Masse, mit der der Massenschwerpunkt des VTOL- Fahrzeugs verlagert werden kann. Weiters ist offenbart, dass die verlagerbare Masse während des vertikalen Abhebens derart positioniert wird, dass der Massenschwerpunkt auf der Schubachse der Rotoren liegt. Allerdings kann die Instabilität während des Flugbetriebs, insbesondere beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug und beim Wechsel vom Horizontalflug in den Schwebeflug, weiterhin gegeben sein, da unter anderem der Effekt der Verlagerung der Masse im Rupf zu klein sein kann. Zur vollständigen Regelung um die Querachse benötigt das VTOL-Fahrzeug zusätzlich Hubtriebwerke im Höhenleitwerk. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein VTOL-Luftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen VTOL-Luftfahrzeugs zu schaffen, bei dem die vorstehenden Nachteile nicht auftreten, und bei dem die Flugeigenschaften verbessert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, dass die verlagerbare Masse dazu ausgebildet ist, derart verlagert zu werden, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Fahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf einer resultierenden Schubachse liegt.

Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass das VTOL-Luftfahrzeug am oder im Rumpf eine bewegbare Masse aufweist, die während einer im Wesentlichen horizontalen Ausrichtung der Rotoren derart bewegbar ist, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL- Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. Das VTOL-Luftfahrzeug beziehungsweise das Flugsystem ist somit vorteilhafterweise im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt momentfrei.

Das Vorsehen dieser bewegbaren Masse, die in einer erfindungsgemäßen Ausführung entlang der Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs verlagerbar ist, hat den Vorteil, dass die Flugstabilität insbesondere bei der Transition, also beim Wechsel vom Schwebeflug in den Horizontalflug oder beim Wechsel vom Horizontalflug in den Schwebeflug, sowie beim Schwebeflug selbst, gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Zusätzliche Hubtriebwerke im Höhenleitwerk beispielsweise sind bei dem erfindungsgemäßen VTOL- Luftfahrzeug nicht notwendig.

Die optionale Ausführung als Hochdecker macht das erfindungsgemäße VTOL-Luftfahrzeug vorteilhafterweise inhärent stabil. Weiters kann das erfindungsgemäße VTOL-Luftfahrzeug als Canard-Luftfahrzeug ausgebildet sein.

Eine erfindungsgemäße Ausführung des VTOL-Luftfahrzeugs sieht einen Rumpf, mindestens zwei angetriebene Rotoren, Tragflächen an denen die Rotoren angeordnet sind, sowie eine bewegbare Masse vor. Darüber hinaus ist das System darauf ausgerichtet, dass alle rotierenden Teile so leicht wie möglich gestaltet sind, um die resultierenden Massenträgheitsmomente zu verringern.

Die Rotoren sind durch Aktuatoren schwenkbar. Vorzugsweise sind die Rotoren mindestens in einem 120 Gradwinkel schwenkbar, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, während des Schwebeflugs horizontal, im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche beziehungsweise zur VTOL-Luftfahrzeug-Längsachse, und während des Horizontalflugs vertikal, in einem im Wesentlichen 90-Gradwinkel zur Erdoberfläche beziehungsweise zur VTOL-Luftfahrzeug-Längsachse, angeordnet sind. Bei besonderen Ausführungsformen sind die Rotoren, und somit die Rotorblätter, auch in einem 180-Gradwinkel oder einem 360- Gradwinkel schwenkbar, und können entgegen der Flugrichtung geneigt werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen befinden sich in den Tragflächen Ausnehmungen, in denen die Rotoren angebracht sind. Dies bietet den Vorteil, dass das Entstehen eines, bei VTOL-Luftfahrzeugen im Schwebeflug oft vorzufindenden, Vortexringes, der sehr nachteilig für die Flugstabilität ist, verhindert wird.

Besonders vorteilhaft ist jeder Rotor an einem um eine Drehachse drehbar angeordneten vorderen Rudersegment angebracht. Weist jede Tragfläche zusätzlich zumindest ein hinteres Rudersegment auf, so bilden das hintere Rudersegment und das vordere Rudersegment im Horizontalflug einen gemeinsamen aerodynamisch günstig gestalteten Körper während der im Wesentlichen horizontalen Bewegung des VTOL-Fahrzeugs aus. Hierdurch wird ein gemeinsames Flügelsegment beziehungsweise eine Tragfläche von höchster aerodynamischer Güte ausgebildet.

Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die verlagerbare Masse einen relativ zu den Tragflächen verlagerbaren Teil des Rumpfs oder den gesamten Rumpf. Hierdurch lässt sich der gesamte Rumpf beziehungsweise Teile davon relativ zu den Tragflächen verlagern, um so die beschriebene dynamische Massenverlagerung zu erzielen und zu erreichen, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. Diese Ausführungsform kann insofern von Vorteil sein, wenn eine größere verlagerbare Masse notwendig ist, um die gute Steuerbarkeit in allen Fluglagen zu ermöglichen.

Diese Verlagerung des Rumpfs erfolgt relativ zu den Tragflächen. Alternativ können hierbei sowohl beide Tragflächen synchron als auch jede Tragfläche einzeln relativ zum Rumpf verlagert werden.

Alternativ kann auch die verlagerbare Masse relativ zu einer der Tragflächen verlagert werden. Hierbei wird entweder der Rumpf relativ zu nur einer Tragfläche verlagert, jede weitere Tragfläche wird also in gleichem Ausmaß mit dem Rumpf mitverlagert, oder es wird eine Tragfläche relativ zum Rumpf verlagert. Bei alternativen bevorzugten Ausfuhrungsformen umfasst die verlagerbare Masse einen relativ zu den Tragflächen verlagerbaren Energiespeicher. Hierdurch wird vorteilhaft ein möglicherweise vorhandener Energiespeicher als die verlagerbare Masse benutzt.

In einer vorteilhaften Ausführung sind die Tragflächen laminar und besonders stromlinienförmig ausgebildet. Dies dient der Optimierung der Schnellflugeigenschaften, da das laminare Profil der Tragflächen eine hohe Flächenbelastung im Horizontalflug aufweisen kann.

Die bewegbare Masse ist bei einer erfindungsgemäßen Ausführung über eine Linearführung oder eine Welle mit der Struktur verbunden. Ein Aktuator, der durch eine feste, starre Verbindung mit der Struktur des Luftfahrzeugs mechanisch verbunden ist, treibt die bewegbare Masse über einen mechanischen/elektrischen Antriebsstrang an. Die bewegbare Masse ist vorzugsweise ein Teil des Flugwerks oder Rumpfes oder der Nutzlast (z.B. Energiespeicher, der beispielsweise für den Antrieb der Rotoren und/ des Aktuators genutzt wird).

Das Vorsehen eines digitalen Steuersystems für die Rotoren und für die bewegbare Masse, vorzugsweise ein digitales Kinematikmodell, ermöglicht die Abstimmung der Position der bewegbaren Masse auf die aktuellen Anstellwinkel der Rotoren. Das digitale Steuersystem ermöglicht beliebig viele Übergangspositionen der Rotoren während der Transition zwischen der im Wesentlichen horizontalen und der im Wesentlichen vertikalen Position einzustellen, und die bewegbare Masse derart zu positionieren, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs während der im Wesentlichen horizontalen Position der Rotoren und während der Transition von der im Wesentlichen horizontalen zu der im Wesentlichen vertikalen Position der Rotoren im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt. Bei bevorzugten Ausführungen des VTOL-Luftfahrzeugs ist die bewegbare Masse entlang der Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs bewegbar.

Vorzugsweise weist das VTOL-Luftfahrzeug Trägheitssensoren, einen GPS-Empfänger, Beschleunigungssensoren und ein 3 -Achsgyroskop auf. Dies ermöglicht es, in Echtzeit Daten zu sammeln, und diese Daten beispielsweise an das digitale Steuersystem weiterzuleiten.

Mit dem erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeug lässt sich ein Verfahren zur Stabilisierung der Flugeigenschaften eines VTOL-Luftfahrzeugs mit mindestens zwei schwenkbaren Rotoren durchführen, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, in einem ersten Schritt in einer im Wesentlichen horizontalen Position angeordnet werden, wobei die Rotoren jeweils um eine Achse parallel zur Hochachse des VTOL-Luftfahrzeugs rotieren und das VTOL-Luftfahrzeug hierbei im Schwebeflug bewegt wird, und wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, in einem nächsten Schritt in einer zweiten im Wesentlichen vertikalen Position angeordnet werden, wobei die Rotoren jeweils um eine Achse parallel zur Längsachse des VTOL-Luftfahrzeugs rotieren und das VTOL-Luftfahrzeug hierbei im Horizontalflug bewegt, wobei während der im Wesentlichen horizontalen Position der Rotoren eine, im oder am Rumpf des VTOL-Luftfahrzeugs angebrachte, bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.

Bei bevorzugten Varianten des VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem die Rotoren in einer Übergangsposition angeordnet werden, wobei die Rotoren, und somit die Rotorblätter, während der Übergangsposition 45 Grad in Flugrichtung im Vergleich zu ihrer im Wesentlichen horizontalen Position nach vorne oder nach hinten geneigt werden, und wobei die bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem Schwebeflug, Übergangsposition und Horizontalflug nacheinander eingenommen werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen VTOL-Luftfahrzeugs wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem die Rotoren, und somit die Rotorblätter, zwischen der Einnahme ihrer im Wesentlichen horizontalen Position und ihrer im Wesentlichen vertikalen Position kontinuierlich geschwenkt werden und dabei, neben horizontaler Position, vertikaler Position und Übergangsposition, beliebig viele Übergangszustände einnehmen können, und wobei die Rotoren von ihrer im Wesentlichen horizontalen Position startend zu ihrer im Wesentlichen vertikalen Position schwenken, und umgekehrt, und wobei die bewegbare Masse derart bewegt wird, dass der Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Luftfahrzeugs im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse liegt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Figur 1A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs in Transition gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs in Transition gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 4A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 4B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Schwebeflug gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 5A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs in Transition gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 5B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs in Transition gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 6A zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 6B zeigt eine perspektivische Ansicht eines VTOL-Luftfahrzeugs im Horizontalflug gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 7A zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer Tragfläche des VTOL-Luftfahrzeugs. Figur 7B zeigt eine perspektivische Ansicht der Tragfläche des VTOL-Luftfahrzeugs.

Figur 8 zeigt eine Schemazeichnung einer funktionellen Anordnung des Steuersystems mit Einzelkomponenten.

Figur 1A und Figur 1B zeigen ein VTOL-Luftfahrzeug 1 im Schwebeflug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zwei Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, befinden sich in ihrer im Wesentlichen horizontalen Position. Jeder Rotor 3 ist in einer Ausnehmung 4 der Tragfläche 2 angeordnet, wobei jeder Rotor 3 über einen Motorpylon eines Motors 14 an einem, um eine Drehachse 37 drehbar angeordneten, vorderen Rudersegment 38 angebracht ist. Der Motor 14 treibt den Rotor 3 an, und der Rotor 3 rotiert um eine Schubachse 13 gemäß einer Drehrichtung 40. An der Tragfläche 2 ist ein hinteres Rudersegment 5 angeordnet. Eine im Rumpf 7 angeordnete verlagerbare Masse 9, ein Energiespeicher 15, beispielsweise ein Akkumulator, befindet sich auf einer resultierenden Schubachse 33 parallel zu den Schubachsen 13 der Rotoren 3. Ein Massenschwerpunkt 12 der bewegbaren Masse 9 und ein Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 befinden sich ebenfalls auf der resultierenden Schubachse 33, die in Figur 1 A und Figur 1B mit einer Hochachse 28 zusammenfällt.

Sind die beiden Rotoren 3 gleich ausgerichtet, liegt die resultierende Schubachse 33 in einer Ebene, die von den beiden Schubvektoren der Rotoren 3, die jeweils auf der Schubachse 13 der Rotoren 3 liegen, aufgespannt wird. Ist der Betrag der beiden Schubvektoren der Rotoren 3 gleich groß, liegt die resultierende Schubachse 33 in der Symmetrieebene des VTOL- Luftfahrzeugs 1. Die Symmetrieebene wird bei dem symmetrisch aufgebauten VTOL- Luftfahrzeug 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielsweise von der Hochachse 28 und der Längsachse 11 aufgespannt. Ist der Betrag der beiden Schubvektoren der Rotoren 3 nicht gleich groß, kann es sein, dass die resultierende Schubachse 33 nicht in der Symmetrieebene des VTOL-Luftfahrzeugs 1 liegt. Ebenso verändert eine ungleiche Ausrichtung der beiden Rotoren 3 die Form der Ebene, in der die resultierende Schubachse 33 liegt, wobei die Ebene in eine gekrümmte Fläche im Raum ausbilden kann.

Im Schwebeflug sind die Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, im Wesentlichen horizontal, parallel zur Erdoberfläche beziehungsweise zu der Längsachse 11 des Rumpfes 7, angeordnet. Dies ermöglicht eine Bewegung des VTOL-Fahrzeugs 1 entlang seiner Hochachse 28, wobei hierzu die Drehzahl der Rotoren 3 synchron gesteigert wird, oder falls nötig eine Änderung der Ausrichtung der Rotoren 3 vorgenommen wird. Eine (Teil-) Rotation des VTOL-Luftfahrzeugs 1 um seine Hochachse 28 ist durch gegengleiches Auslenken der Rotoren 3 möglich. Durch eine dynamische Massenbewegung der bewegbaren Masse 9 wird der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf die resultierende Schubachse 33, also die Hochachse 28, gelenkt.

Bei gleich großen Schubvektoren (oder Drehzahlen) der beiden Rotoren 3 ist das System im Gleichgewicht, wenn der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf der resultierenden Schubachse 33 liegt und somit keine inhärenten Momente auftreten. Um in den Schwebeflug zu gelangen, hebt das hier vorgestellte VTOL-Luftfahrzeug 1 ab, indem der Gesamtbetrag der Schubvektoren vorerst synchron über den Betrag der Gewichtskraft 30 erhöht wird. In dieser Phase befindet sich der Gesamtmassenschwerpunkt 6 auf der resultierenden Schubachse 33.

Die in dieser Erfindung beschriebene Möglichkeit zur Verlagerung der bewegten Masse 9 wird verwendet, um die Längsachse 11 horizontal zu halten, für den Fall, dass die Rotorebenen gleichförmig um eine zu einer Querachse 29 parallelen Achse, welche Achsen in Figur 1A normal auf die Längsachse 11 und die Zeichenebene stehen, geneigt werden. Hierdurch erzeugen diese, hervorgerufen durch den Kreiseleffekt (Trägheitstensor), eine der Kippbewegung entgegen gesetzte Nickbewegung des VTOL-Luftfahrzeugs 1. Gegengleiches auslenken der Rotoren 3 wirkt sich dann auf die Lage der Längsachse 11 aus, wenn die Beträge der Auslenkungen oder der Trägheitstensoren eine Differenz aufweisen. Durch die Verlagerung der verlagerbaren Masse 9 kann ein auftretendes Moment kompensiert werden. Da die verlagerbare Masse 9 auch abseits der resultierenden Schubachse 33 verlagerbar ist, ist eine vollständige Regelbarkeit während aller Flugzustände gegeben.

Durch die Verlagerung der verlagerbaren Masse 9 kann es vorkommen, dass die verlagerbare Masse 9 beziehungsweise der Gesamtmassenschwerpunkt 6 kurzzeitig nicht auf der resultierenden Schubachse 33 liegen. Sobald jedoch ein auftretendes Moment kompensiert ist, wird die verlagerbare Masse 9 wieder auf die resultierende Schubachse 33 verlagert. Diesbezüglich liegt die verlagerbare Masse 9 beziehungsweise der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Fahrzeugs 1 im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse 33 liegt. Das VTOL-Luftfahrzeug 1 beziehungsweise das Flugsystem ist somit vorteilhafterweise im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt momentfrei.

Die Rotation um die Längsachse 11 wird erzielt, indem die Schubvektoren differenziert werden. Die Rotation um eine Hochachse 28 erfolgt durch differenziertes Auslenken der Rotoren 3, und somit der Schubvektoren, aus ihrer vertikalen Lage.

Der Schwebeflug gestaltet sich als permanentes Zusammenspiel von Vektoren, deren Betrag und Richtung prinzipiell zu jedem Zeitpunkt bekannt sind:

Längsachse 11 : Rotation— > (DI G)R

Translation—» aL/aR, (ÄÖ)L+Ä(DR)

Querachse: Rotation— >m(Masse 9)*x(Längsachse 11)

Translation—» ooL, ooR + aL, aR (synchron)

Hochachse 28: Rotation— > aL,aR

Translation—» Ä(CDL+(DR)

Wobei L für den linken Rotor und R für den rechten Rotor steht; ω bezeichnet die Rotationsgeschwindigkeit des jeweiligen Rotors; α bezeichnet den Neigungswinkel des jeweiligen Rotors in Bezug auf eine durch Längs- und Querachse aufgespannte Ebene. Die verlagerbare Masse 9 hat die Aufgabe, die Rotation um die Querachse 29, speziell beim Übergang vom Schwebeflug in den Horizontalflug, oder umgekehrt, zu verhindern. Durch die verlagerbare Masse 9 ist der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 nicht starr. Die Massenverlagerung entlang der Längsachse 11 wirkt sich nicht nur statisch aus; auch der Beschleunigungsimpuls der bewegbaren Masse 9 wirkt einer Störgröße entgegen, wodurch sich der Weg der bewegbaren Masse 9 (abhängig von deren Verhältnis zum Gesamtgewicht) bei konsequenter Nutzung dieses Beschleunigungsimpulses relativ gering halten lässt. Zusätzlich befindet sich das System in physikalisch stabilem Zustand, da permanent Auftrieb über dem Gesamtmassenschwerpunkt 6 erzeugt wird.

Im Schwebeflug wirkt die kreisförmige Ausnehmung 4 um die Rotoren 3 der Bildung des gefürchteten Vortex-Rings entgegen, welcher schon bei geringer Vorwärtsbewegung keine Gefahr mehr darstellt. Das hintere Rudersegment 5 befindet sich im Schwebeflug nicht im Bereich des Luftstromes der Rotoren 3.

Figur 2A und Figur 2B zeigen das VTOL-Luftfahrzeug 1 in Transition, also dem Übergang vom Schwebeflug in den Horizontalflug, oder vom Horizontalflug in den Schwebeflug. Die Transition wird in der Regel nur sehr kurz eingenommen. Vorzugsweise sind die Rotoren 3 hierbei um 45 Grad nach vorne im Vergleich zur ihrer im Wesentlichen horizontalen Position geneigt, was ihrer Übergangsposition entspricht. Die Rotoren 3 rotieren beim Übergang vom Schwebeflug in die Übergangsposition jeweils synchron nach vorne um eine Schubachse 13 gemäß der Drehrichtung 40.

In Figur 2A ist das hintere Rudersegment 5 im gleichen Winkel geneigt wie der Rotor 3. Jeder Rotor 3 ist in einer Ausnehmung 4 der Tragfläche 2 angeordnet, wobei er um etwa 45 Grad geneigt ist. Im Rumpf 7 ist die verlagerbare Masse 9 angeordnet, die parallel zur Längsachse 11 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 bewegbar ist. Vorzugsweise wird die verlagerbare Masse 9 durch einen Aktuator ausgerichtet. Die verlagerbare Masse 9 wird derart ausgerichtet, dass der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 möglichst durchgehend auf der resultierenden Schubachse 33 liegt, und es zu keinen statischen Momenten in der Übergangsposition oder während der Transition kommt. Der Massenschwerpunkt 12 der bewegbaren Masse 9 befindet sich nicht direkt auf der resultierenden Schubachse 33, die parallel zu den Schubachsen 13 der Rotoren 3 liegt. Die Fluglage des VTOL-Luftfahrzeugs 1 ist bedingt durch die Anordnung des Gesamtmassenschwerpunktes 6 auf der resultierenden Schubachse 33 besonders stabil.

Während der Transition ist hervorzuheben, dass, aufgrund der physikalisch stabilen Schwerpunktlage, auch der dynamische Impuls einer Korrektur mittels Massenverlagerung einer Auslenkung um die Querachse 29 entgegenwirkt.

Während der Transition durchwandert das hintere Rudersegment 5 kurzzeitig den Luftstrom der Rotoren 3, wobei der Relativwinkel zwischen Motorpylon des Motors 14 und hinterem Rudersegment 5 so gewählt werden kann, dass dies einen möglichst geringen Einfluss auf den durch die Rotoren 3 beschleunigten Luftstrom hat.

Das im diffusen Bereich - also vor den Rotoren 3 - angeordnete starre und sehr schmale Flügelsegment hat wenig aerodynamischen Einfluss auf das in die Rotorebene eintretende Luftvolumen.

Bei alternativen Ausführungen können die Rotoren 3 auch um 45 Grad nach hinten im Vergleich zu ihrer im Wesentlichen horizontalen Position geneigt sein. Zwischen dem Schwebeflug und dem Horizontalflug können die Rotoren 3 theoretisch unendlich viele Positionen einnehmen, die mit der Übergangsposition vergleichbar sind und sich in erster Linie durch den Neigungsgrad der Rotoren 3 von der Übergangsposition unterscheiden.

Figur 3A und Figur 3B zeigen das VTOL-Luftfahrzeug 1 im Horizontalflug, wobei sich die Rotoren 3, und somit die Rotorblätter, in ihrer im Wesentlichen vertikalen Position befinden. Die Drehrichtung 40 der Rotoren 3, die in einer Ausnehmung 4 der Tragfläche 2 angeordnet sind und jeweils um eine Schubachse 13 rotieren, ist ebenfalls abgebildet. Die verlagerbare Masse 9 ist unterhalb der Rotoren 3 angeordnet. Der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 befindet sich unterhalb des Auftriebspunktes.

Das VTOL-Luftfahrzeug 1 verhält sich während des Horizontalfluges wie ein „konventionelles" Flugzeug. Die Schubvektoren werden hier weitgehend synchron geregelt und die verlagerbare Masse 9 derart positioniert, dass möglichst ein Kräftegleichgewicht herrscht. Das System hat nun - auch in regelungstechnischem Sinn - die Charakteristik und Freiheitsgrade eines„Starrflüglers".

Die verlagerbare Masse 9 wird durch das digitale Kinematik-Modell derart positioniert, dass der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 1 während des Schwebefluges und der Transition jeweils im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse 33 liegt. Durch die dynamische Massenverlagerung der bewegbaren Masse 9 wirkt auf die Querachse 29 eine zusätzliche ausgleichende Kraft. Diese Massenverlagerung erfolgt sowohl schwerpunktspezifisch als auch impulsgesteuert. Vorzugsweise werden alle Lageänderungen von Beschleunigungssensoren, Trägheitssensoren und Gyroskopen in Echtzeit ermittelt.

Figuren 4A bis 6B zeigen ein VTOL-Luftfahrzeug 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Wesentlichen ist das VTOL-Luftfahrzeug 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel identisch mit dem VTOL-Luftfahrzeug 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ähnliche oder gleiche Elemente durch die selben Referenznummern beschrieben sind und hier nicht weiter erläutert werden. Ein wesentlicher Unterschied der beiden Ausführungsbeispiele ist, dass in diesem zweiten Ausführungsbeispiel der gesamte Rumpf 7 die relativ zu den Tragflächen 2 verlagerbare Masse 9 bildet.

Der Massenschwerpunkt 12 der verlagerbaren Masse 9 und der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Luftfahrzeugs 10 befinden sich auf der resultierenden Schubachse 33, die in Figur 4A und Figur 4B mit der Hochachse 28 zusammenfällt.

Die Verlagerung des Rumpfes 7, die anhand der möglichen Positionen 35 des Rumpfes 7 dargestellt ist, kann abhängig von der Regelung so vollzogen werden, dass das System während des Schwebefluges, der Transition und dem Horizontalflug momentfrei bleibt. Dabei wird der Massenschwerpunkt 12 innerhalb der Freiheitsgrade 34 verlagert. Das System beziehungsweise das VTOL-Luftfahrzeug 10 bleibt hierbei während des gesamten (reversierbaren) Zyklus, also während der Transition vom Schwebeflug in den Horizontalflug und umgekehrt, vollständig regelbar.

Im Schwebeflug wird der Rumpf 7 mit großer Präzision parallel zur Längsachse 11 verlagert, um ungewünschte Auslenkungen um die Nickachse zu kompensieren.

Durch die Verlagerung des Rumpfes 7 kann es vorkommen, dass der Rumpf 7 beziehungsweise der Gesamtmassenschwerpunkt 6 kurzzeitig nicht auf der resultierenden Schubachse 33 liegen. Sobald jedoch ein auftretendes Moment kompensiert ist, wird der Rumpf 7 wieder auf die resultierende Schubachse 33 verlagert. Diesbezüglich liegt der Rumpf 7 beziehungsweise der Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Fahrzeugs 10 im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt auf der resultierenden Schubachse 33 liegt. Das VTOL- Luftfahrzeug 10 beziehungsweise das Flugsystem ist somit vorteilhafterweise im Wesentlichen zu jedem Zeitpunkt momentfrei.

Während der Transition wandern der Rumpf 7 und dessen Massenschwerpunkt 12 mit der resultierenden Schubachse 33 mit, bis sich durch die zunehmende horizontale Geschwindigkeit auch die Höhenruderkraft 31 einstellt. Ab diesem Zeitpunkt wandert der Rumpf 7 dann wieder nach vorne, also in Flugrichtung, bis sich eine für den Horizontalflug ideale Schwerpunktlage ergibt. In diesem Systemzustand richten sich die hinteren Rudersegmente 5 und vordere Rudersegmente 38, die den Motorpylon beziehungsweise den Motor 14 aufnehmen, an einer Schmiegeebene 39 aus und bilden dadurch ein spaltloses Flügelsegment von hoher aerodynamischer Güte. Die hinteren Rudersegmente 5 sind dabei um eine Drehachse 36 und die vorderen Rudersegmente 38 um die Drehachse 37 drehbar. Figur 7A und Figur 7B bilden diese Situation im Detail ab.

Im Horizontalflug kann die dynamische Verlagerung des Massenschwerpunktes 12 zur Steigerung der Effizienz herangezogen werden, sodass Ruderkräfte minimiert werden.

Alternativ kann die verlagerbare Masse 9 auch nur relativ zu einer der Tragflächen 2 verlagert werden, wobei beispielsweise die andere der Tragflächen 2 im gleichen Ausmaß mit dem Rumpf 7 mitverlagert wird. Alternativ kann auch nur ein Teil des Rumpfes 7 die relativ zu den Tragflächen 2 verlagerbare Masse 9 bilden.

Figur 8 zeigt in einer Schemazeichnung eine Anordnung zur Steuerung eines erfindungsgemäßen VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10. Die verlagerbare Masse 9 ist mit einem Steuersystem 18, vorzugsweise ein digitales Kinematik-Modell, verbunden. Das Steuersystem 18 ist zudem mit einem Ultraschall-Näherungssensor 17, einem 3- Achsgyroskop 22, einem GPS-Empfänger 23, einem elektronischen Kompass 24, einem Luftdrucksensor 25, einem Staudrucksensor 27 und mit Beschleunigungssensoren verbunden. Man spricht hierbei von einem AHRS (Attitude/Heading References System). Zudem ist das Steuersystem 18 mit den Rotoren 3, Querruderservos 19 und Querachsenservos 20 verbunden. Das Steuerungssystem 18 kommuniziert mit den Motoren 14, die die Rotoren 3 antreiben und der Auslenkung der Rotoren 3 dienen. Darüber hinaus steuert das Steuersystem 18 über die Servos 26 die Höhenposition und die seitliche Auslenkung des VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10. Die verlagerbare Masse 9 wird über einen Servo 16 zur Betätigung der bewegbaren Masse 9 gelenkt. Das Steuerungssystem 18 ist über Verbindungen 21 mit den aufgeführten Komponenten verbunden.

Trägheitstensoren der Rotoren 3 wirken einem Kippen in Richtung Horizontalfluglage entgegen, was prinzipiell ein negatives Nickmoment zur Folge hat. Dieser Effekt wird durch eine entsprechende Positionierung der beweglichen Masse 9 kompensiert. Darüber hinaus ist das System darauf ausgerichtet, dass alle rotierenden Teile so leicht wie möglich gestaltet sind, um die Massenträgheitsmomente zu verringern und den Ablauf des Kippvorgang (Wechsel von Schwebeflug zu Horizontalflug oder umgekehrt) zu verlangsamen. Dies steht im Gegensatz zu der Möglichkeit, aus jeder synchronen Rotorlage schnell auf Störkräfte zu reagieren, da sich bei gegengleicher Verdrehung der Rotorebenen ihre Trägheitsmomente ausgleichen. Der restliche Anteil wird durch die Aktuierung der Masse ausgeregelt. Über eine weitere Größe, den Staudruck, kann das System eigenständig ermitteln, welche Kraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zur Umgebungsluft auf aerodynamisch wirkende Flächen am VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10 wirkt, und somit den Gesamtmassenschwerpunkt 6 des VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10 auf die jeweilige Fluglage (Horizontal- oder Schwebeflug) anpassen.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung des VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10 weisen die Tragflächen 2 zur Steuerung im Horizontalflug konventionelle Ruderflächen (Querruder, Höhenruder, Seitenruder) auf. Die Ruderflächen lassen sich unabhängig von der Neigung der Tragflächen 2 bewegen und steuern.

Ein erfindungsgemäßes VTOL-Fahrzeug 1 oder 10 ist als Hochdecker ausgebildet, um den physikalisch stabilen Zustand und die Impulsrichtung bei der Verlagerung des Rumpfes 7 auszunutzen. Das erfindungsgemäße VTOL-Fahrzeug 1 oder 10 ist als Canard-Luftfahrzeug ausführbar.

Das Luftfahrzeug 1 oder 10 kann mindestens zwei oder mehrere koaxial oder transversal angeordnete Rotoren 3 besitzen. Das Luftfahrzeug 1 oder 10 kann beispielsweise vier koaxial angeordnete Rotoren 3, jeweils zwei pro Tragfläche 2, besitzen. Hierdurch wird die Ausfallssicherheit des Luftfahrzeugs 1 oder 10 erhöht.

Die Rotoren 3 des erfindungsgemäßen VTOL-Fahrzeugs 1 oder 10 werden in bevorzugten Ausführungsformen rein elektrisch betrieben oder beruhen auf seriellen oder parallelen Hybridbetriebssträngen. Bei besonderen Ausführungen werden die Rotoren 3 durch Verbrennungskraftmaschinen angetrieben. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Propellerblattstellung der Rotoren 3 und/oder die Drehzahl der Motoren 14 verstellbar. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der Anstellwinkel der Motoren 14 verstellbar. Bei alternativen Ausführungsformen basiert die Schwenk- und Neigbarkeit der Rotoren 3 auf Digital/BL-Servos. Die Rotoren 3 können mit oder ohne Fanduct/ Impellermantel ausgeführt sein.

Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 an den, auf den oder unter den Tragflächen 2 befestigt, wobei die Rotoren 3 bei diesen Ausführungsformen nicht in Ausnehmungen 4 der Tragflächen 3 anordenbar sind. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 an den Enden der Tragflächen 2 befestigt. Bei besonderen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 am Rumpf 7 angeordnet. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Rotoren 3 von einer Ringstruktur umgeben, wobei die Rotoren 3 zusammen mit dem Ring die Tragflächen 2 bilden.

Verzeichnis:

1, 10 VTOL-Fahrzeug

2 Tragfläche

3 Rotor

4 Ausnehmung der Tragfläche

5 Hinteres Rudersegment

6 Gesamtmassenschwerpunkt des VTOL-Fahrzeugs

7 Rumpf

8 Leitwerk

9 Verlagerbare Masse

11 Längsachse

12 Massenschwerpunkt der bewegbaren Masse

13 Schubachse des Rotors

14 Motor

15 Energiespeicher

16 Servo zur Betätigung der verlagerbaren Masse 9

17 Ultraschall-Näherungssensor

18 (digitales) Steuersystem

19 Querruderservo

20 Querachsenservo

21 Verbindungen

22 3 -Achsgyroskop

23 GPS-Empfänger

24 Elektronischer Kompass

25 Luftdrucksensor

26 Servo Höhe/Seite

27 Staudrucksensor

28 Hochachse

29 Querachse

30 Gewichtskraft

31 Ausgleichskraft Höhenruder

32 Angriffspunkt der resultierenden Auftriebskraft

33 Resultierende Schubachse

34 Freiheitsgrad des Massenschwerpunktes 12

35 Mögliche Positionen des Rumpfes 7 nach Verlagerung

36 Drehachse des hinteren Rudersegments 5 Drehachse des vorderen Rudersegments 38 Vorderes Rudersegment

Schmiegeebene der Rudersegmente Drehrichtung des Rotors