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Fluggerät mit verbesserter Beweglichkeit am Boden - Dokument DE102004063205B3
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004063205B3 04.05.2006
Titel Fluggerät mit verbesserter Beweglichkeit am Boden
Anmelder Kuntz, Julian, 76877 Offenbach, DE
Erfinder Kuntz, Julian, 76877 Offenbach, DE
DE-Anmeldedatum 23.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004063205
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.05.2006
IPC-Hauptklasse B60F 5/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B64C 29/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Fluggerät, das sich sowohl in der Luft durch aerodynamische Kräfte als auch am Boden durch direkte Kraftübertragung vom Fluggerät zum Boden effizient fortbewegen kann, ohne dass für die beiden Fortbewegungsarten zwei getrennte Antriebs- und Vortriebserzeugungssysteme notwendig sind.
Die Rotoren (1) des Fluggeräts sind außen mit direkt mit den Rotorblattspitzen verbundenen ringförmigen, sich mitdrehenden Ummantelungen (4) versehen, die, wenn sich das Fluggerät am Boden befindet und die Rotorrationsachsen (2) entsprechend gegenüber den Positionen im Flug umd eine Achse (3) gekippt werden, Kontakt zum Boden haben. Die Ummantelungen (4) ermöglichen dann entsprechend der Funktion von Radreifen eine eigenständige, angetriebene Bewegung des Fluggeräts am Boden, die auf einer direkten Kraftübertragung vom Fluggerät auf den Boden beruht. Durch das Kippen der Rotoren um eine weitere Achse (5) kann das Fluggerät sowohl in der Luft als auch am Boden mit der gleichen Aktuatorik gesteuert werden.
Das neue Fluggeräteprinzip ermöglicht z. B. ferngesteuerte Erkundungsdrohnen, die sowohl zur Nah- als auch Fernerkundung dienen können und selbständig in unzugängliche Gegenden vordringen oder im Rahmen polizeilicher oder militärischer Aufgaben bei Gebäuden, in denen Gefahren für Personen bestehen, in die oberen Stockwerke gelangen oder durch geöffnete Fenster eindringen können.

Beschreibung[de]

Flugzeuge mit kippbaren Rotoren, die dadurch Senkrechtstarteigenschaften besitzen gehören zum Stand der Technik, Beispiel: V22 Osprey.

Ebenso sind auch die Rotoren von Hubschraubern in gewissen Grenzen kippbar, was unabdingbar für deren Steuerung ist.

Am Boden sind Hubschrauber meist gar nicht oder nur sehr eingeschränkt bewegungsfähig, bei sonstigen Flugzeugen, die über ein Fahrwerk verfügen, werden die zur eigenständigen Bewegung am Boden erforderlichen Kräfte mit aerodynamischen Mitteln, d. h. durch die Kompression und Beschleunigung von Luft, erzeugt. Außer für Start und Landung ist diese Antriebsart wegen ihrer starken Ineffizienz, hohen Lärmemission und schlechten Lenkbarkeit jedoch wenig geeignet.

Es existieren bisher zwar zahlreiche Entwürfe für Geräte, die gleichzeitig Flug- und Fahrzeug sind (siehe IPC-Klasse B60F005-02), ihnen allen ist jedoch der entscheidende Nachteil gemeinsam, dass die Vortriebserzeugung am Boden und in der Luft durch zwei zumindest teilweise getrennte Systeme (Propeller bzw. Rotoren) und getrennt dazu angetriebene Reifen) geschieht, die beide irgendwie untergebracht werden müssen, was zu einem erhöhten Gesamtgewicht und umständlichen Konstruktionen führt. Auch wenn die beiden Systeme durch den gleichen Motor angetrieben werden, sind komplizierte Kraftübertragungs-, Kraftaufteilungs- und Entkopplungsmechanismen notwendig, die ebenfalls das Gesamtsystem schwer und störungsanfällig machen. Ebenso sind bei diesen getrennten Systemen auch bei der Strukturauslegung immer mehrere unterschiedliche Lastpfade zu berücksichtigen und dementsprechend stabil und schwer auszulegen.

Weiterhin sind auch fliegende, ferngesteuerte Erkundungsdrohnen bekannt, sowie am Boden fahrende ferngesteuerte Roboter zur Erkundung von unzugänglichen Gegenden oder zur Erkennung und Beseitigung von Gefahren in Gebäuden. Erstere sind jedoch meist nur zur Fernerkundung geeignet, oder sie haben aufgrund des hohen Energieverbrauchs beim Schwebeflug nur eine kurze Einsatzdauer und erregen bei der Fortbewegung zwangsläufig Aufinerksamkeit durch einen hohen Geräuschpegel. Zweite sind nicht fähig, steile Höhenunterschiede oder Treppen zu überwinden, und können daher z. B. nicht selbständig die oberen Stockwerke von Gebäuden erreichen oder durch ein offenes Fenster in ein Gebäude eindringen.

Der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Fluggerät zu ermöglichen, dass überall starten- und landen kann und ebenfalls in der Lage ist, sich am Boden in effizienter Weise geräuscharm fortzubewegen, ohne dass für die beiden Fortbewegungsarten getrennte Antriebssysteme vorhanden sein müssen.

Dieses Problem wird durch die in den Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Kippbarkeit und gleichzeitige mitdrehende Ummantelung (4) der Rotoren bzw. Propeller (1) diese sowohl bei schnellen Drehzahlen zur Erzeugung aerodynamischer Kräfte, als auch bei langsameren Drehzahlen und Kontakt zum Boden als Radreifen dienen können, es liegt also im Sinne des Funktionsleichtbaus ein System vor, das mehrere Aufgaben erfüllt. Ebenso sind auch die Hauptlastpfade in beiden Konfigurationen (siehe 1 und 2) gleich, was zu einer optimalen Auslastung des Strukturgewichts führt.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 2 wird erreicht, dass das Fluggerät sowohl in der Luft, als auch am Boden sehr gut manövrierbar ist.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 3 wird erreicht, dass sowohl in der Luft, als auch am Boden die Steuerung mit dem gleichen Mechanismus und durch ein und dieselbe Aktuatorik erfolgen kann.

Die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 4 ermöglicht einerseits das Lösen des Bodenkontakts der Rotor-/Propellerummantelungen (4), um die Kippbewegung um die erste Achse (2) zu erleichtern, und stellt andererseits ein Landewerk dar, das aber bei der Bewegung am Boden nicht stört.

Die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 5 ermöglicht eine verbesserte, variablere Steuerung.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 6 wird erreicht, dass das Fluggerät nicht auf eine Start- und Landebahn angewiesen ist, nahezu überall starten und landen kann und auch zur Beobachtung ruhig in der Luft schweben kann.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 7 wird erreicht, dass der Rotor/Propeller immer an den aktuellen Flugzustand bzw. die aktuelle Strömungsgeschwindigkeit in der Rotorebene angepasst werden kann, was den Rotor/Propellergüte- bzw. -wirkungsgrad verbessert. Weiterhin kann dadurch bei schneller Bewegung am Boden der Einfluss der hier störenden aerodynamischen Kräfte durch eine Nullauftriebswinkelstellung der Blätter minimiert werden.

Die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 8 ermöglicht eine unabhängige Steuerung der einzelnen Rotoren ohne komplizierte mechanische Kraftaufteilungskupplungen.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 9 kann auf schwere, platzraubende, verlustbehaftete und störungsanfällige Getriebe verzichtet werden, da bürstenlose, frequenzgesteuerte Drehstrommotoren sowohl bei niedrigen, als auch bei hohen Drehzahlen ein hohes Drehmoment haben.

Die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 10 ermöglicht durch die hohe spezifische elektrische Energie (Wh/kg) der Lithium-Polymer Akkumulatoren oder Brennstoffzellen eine lange Laufzeit ohne zu hohe Energiespeichergewichte Durch die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 11 wird die Kraftübertragung von Rotorummantelung zum Boden durch bessere Bodenhaftung verbessert.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 12 wird sowohl die Kraftübertragung von Rotorummantelung zum Boden weiter verbessert, als auch der zwangsläufige Luftwiderstand einer solchen Profilierung zumindest teilweise genutzt, um den Güte- bzw. Wirkungsgrad der Rotoren/Propeller im Flug geringfügig zu verbessern.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 13 kann die Steuerbarkeit im Flug noch weiter verbessert werden, da sie Seitwärtsbewegungen ohne eine Rollbewegung des gesamten Flugkörpers ermöglicht.

Die vorteilhafte Ausgestaltung in Patentanspruch 14 ermöglicht, dass im Vorwärtsflug feststehende Tragflächen die Auftriebserzeugung übernehmen können und die Rotoren/Propeller nur noch den Vortrieb erzeugen müssen, was zu einem geringeren Energieverbrauch und längeren Laufzeiten führt.

Wenn das Gesamtsystem des hier beschriebenen Fluggeräts für einen Einsatz als ferngesteuerte, unbemannte Erkundungs- bzw. Beobachtungsdrohne in schwer zugänglichen und/oder für Menschen gefährlichen Gebieten oder Gebäuden ausgelegt ist, kann eine solche Drohne sowohl am Boden sehr nah an Objekte heranfahren und diese genau und in Ruhe analysieren, als auch dazu verwendet werden, sich aus der Luft einen Überblick zu verschaffen oder größere Distanzen schnell zu überwinden. Sie ist außerdem in der Lage, aus eigener Kraft große Höhenunterschiede und Hindernisse zu überwinden, sie kann also auch aus eigener Kraft unzugängliche Gebiete erreichen oder in höhere Stockwerke von Gebäuden gelangen oder durch offene Fenster bzw. zerstörte Fensterscheiben in Gebäude eindringen, um dort im Rahmen polizeilicher oder militärischer Aufgaben Gefahren zu erkennen und zu analysieren, ohne dass Menschen in Gefahr gebracht werden müssen.

Weiterhin kann sie sich zumindest bei der Bewegung am Boden sehr leise bewegen. Da die Drohne sich zudem meist nur kurzzeitig zur Überwindung von Hindernissen fliegend fortbewegen muss, und sich oft auch im energiesparenderen Fahrmodus bewegen kann, wird die Einsatzdauer gegenüber ständig fliegenden Drohnen erheblich verlängert.

Wenn das beschriebene als Drohne ausgeführte Fluggerät zusätzlich noch entsprechende ferngesteuerte Vorrichtungen zur Entschärfung von Sprengfallen oder Bomben mit sich führt, kann es bei einem Einsatz nach vorigem Abschnitt auch dazu verwendet werden, um Gefahren zu beseitigen.

Bei einem Einsatz der Drohne im Rahmen polizeilicher oder militärischer Aufgaben besteht weiterhin die Möglichkeit, die Drohne so auszustatten, dass sie ein Betäubungsgas freisetzen kann, wodurch sie dann ermöglicht, gefährliche, straffällig gewordene Personen, wie z. B. Geiselnehmer oder Terroristen, die sich in einem Gebäude verschanzt haben, zu betäuben, ohne dass Personen in das Gebäude eindringen müssen. Es ist bei Geräten nach dieser Ausführung natürlich sicherzustellen, dass sie nicht in unbefugte Hände geraten und zu kriminellen oder sittenwidrigen Zwecken missbraucht werden.

Des Weiteren sei hier erwähnt, dass auch grundsätzlich die Möglichkeit besteht, das in den Schutzansprüchen beschriebene Fluggerät für den Transport von Personen oder Gegenständen auszulegen, wodurch sich noch weitere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt das Fluggerät in der Konfiguration für den Schwebeflug, die Rotationsachsen (2) der in diesem Beispiel 4 Rotoren/Propeller (1) stehen parallel zum Gravitationsvektor und erzeugen Schubkräfte nach oben, die das Fluggerät in der Luft halten. Durch ein Kippen der Rotoren/Propeller um die jeweils 2. Kippachse (5), kann die Richtung der Schubvektoren so verändert werden, dass entweder eine translatorische Bewegung in Richtung der Längsachse (9) (alle Rotoren kippen in die gleiche Richtung), oder eine Drehbewegung um die Hochachse (die Rotoren kippen gegenläufig zu den jeweils gegenüber der Längsachse (9) liegenden) eingeleitet wird.

Die Naben der Rotoren/Propeller (1) sitzen direkt auf den Achsen der 4 bürstenlosen Elektromotoren (6), die jeweils am Ende von Auslegern (10) befestigt sind, die wiederum am Zentralkörper (11) des Fluggeräts gelenkig befestigt sind. Die Ausleger (10) bestehen jeweils aus einem äußeren Teil, der mit den Motoren (6) fest verbunden ist, und einem inneren Teil, der mit dem Zentralkörper (11) gelenkig verbunden ist. Äußerer und Innerer Teil der Ausleger können gegeneinander verdreht werden, was die Kippbewegung um die 2. Achse (5) ermöglicht. Die gelenkige Befestigung der Inneren Ausleger am Zentralkörper (11) erlaubt eine Kippbewegung der Ausleger (10) von der in 1 dargestellten Position um 90° um die erste Kippachse (3) nach unten (eine Kippbewegung nach oben wird mechanisch verhindert) in die in 2 dargestellte Position.

2 zeigt das gleiche Fluggerät wie in 1, nun in der Konfiguration für die Bewegung am Boden, wobei die Rotationsachsen der Rotoren/Propeller parallel zum Boden ausgerichtet sind. Die sich mit den Rotoren mitdrehenden Ummantelungen (4) berühren mit ihren nach Patentanspruch 11 ausgeführten Außenflächen (7), die mit einem Profil (8) gemäß Patentanspruch 12 versehen sind, den Boden. Die Rotorummantelungen können nun als Radreifen zur Fortbewegung am Boden benutzt werden, wobei die Steuerung wiederum durch ein Kippen der Rotoren bzw. Räder um die jeweils 2: Kippachsen (5) durch Verdrehung der äußeren relativ zu den inneren Auslegerteilen erfolgt.


Anspruch[de]
  1. Fluggerät mit verbesserter Beweglichkeit am Boden mit typischerweise drei oder vier Rotoren bzw. Propellern (1) (Mindestanzahl der Propeller bzw. Rotoren jedoch 1), deren Rotationsachsen (2) jeweils um mindestens eine Achse (3) relativ zum Fluggerät gekippt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass:

    a) diese Rotoren bzw. Propeller (1) außen mit direkt mit den Rotorblattspitzen verbundenen ringförmigen, sich mit diesen mitdrehenden Ummantelungen (4) versehen sind,

    b) diese Ummantelungen (4), wenn sich das Fluggerät am Boden befindet (2) und die Rotor-/Propellerrotationsachsen entsprechend gegenüber den Positionen im Flug gekippt werden, Kontakt zum Boden haben

    c) und diese Ummantelungen (4) entsprechend der Funktion von Radreifen durch Aufbringen von Drehmomenten auf die Rotordrehachsen eine eigenständige, angetriebene Bewegung des Fluggeräts am Boden ermöglichen, die nicht auf aerodynamischen Kräften, sondern auf einer direkten Kraftübertragung vom Fluggerät auf den Boden beruht.
  2. Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem oder auch bei allen der Rotoren bzw. Propeller die Umlaufebene(n) um zwei Achsen (3), (5) gekippt werden kann bzw. können.
  3. Fluggerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

    a) durch das Kippen um die erste Achse (3) die Rotoren von der Orientierung im Flug (l) in die Orientierung zur Bewegung am Boden (2) überführt werden

    b) und durch das Kippen um die zweite Achse (5) das Fluggerät sowohl in der Luft als auch am Boden gelenkt werden kann.
  4. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es Stützen aufweist, die

    a) ein- und ausfahrbar sind,

    b) mit einer gedämpften Federung versehen sind,

    c) geeignet sind, das Fluggerät am Boden in einer stabilen Position zu tragen,

    d) im eingefahrenen Zustand nicht den Boden berühren, wenn sich das Fluggerät in der in Anspruch 1b) beschriebenen Bodenkonfiguration befindet,

    e) im ausgefahrenen Zustand das Fluggerät soweit anheben, dass die Rotorummantelungen in keiner möglichen Kippposition mehr den Boden berühren können,

    f) als Landewerk dienen und den Landestoß aufnehmen können.
  5. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Rotoren/Propellern, (1) diese jeweils unabhängig voneinander um die jeweils möglichen Achsen (3), (5) gekippt werden können.
  6. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

    a) die Rotationsachsen (2) der Rotoren bzw. Propeller (1) vertikal ausgerichtet werden können (1)

    b) und derart ausgelegt sind, dass sie einen senkrechten Start, Schwebeflug, sowie eine senkrechte kontrollierte Landung ermöglichen.
  7. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattwinkel der Rotor-/Propellerblätter verstellbar sind.
  8. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Rotoren/Propeller (1) von einem eigenen, unabhängig ansteuerbaren Motor (6) angetrieben wird.
  9. Fluggerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass

    a) die Rotoren/Propeller (1) direkt auf den Motorachsen befestigt sind

    b) und es sich bei den Motoren (6) um bürstenlose Elektromotoren handelt.
  10. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Motoren (6) durch

    a) Lithium-Polymer-Akkumulatoren

    b) oder Brennstoffzellen realisiert wird.
  11. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (7) der Rotorummantelung (4) eine Gummioberfläche aufweist.
  12. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (7) der Rotor-/Propellerummantelung (4) ein Profil (8) aufweist, das im Flug einer Rückströmung (Druckausgleichsströmung von Druck zu Saugseite eines Rotors/Propellers) entgegenwirkt.
  13. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Bewegung um die erste Kippachse (3) der Rotoren/Propeller (1) für eine Steuerung in der Luft benutzt werden kann.
  14. Fluggerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich Tragflächen besitzt, die im Vorwärtsflug Auftrieb erzeugen.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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