DE102018133171A1

DE102018133171A1 - Fluggerät

Info

Publication number: DE102018133171A1
Application number: DE102018133171.1A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schäferlein; Manuel Kessler
Original assignee: Universitaet Stuttgart; Volocopter GmbH
Current assignee: Volocopter Technologies De GmbH
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25
Also published as: CN111348183B; CN111348183A; US20200398981A1; US11697494B2

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Fluggerät in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, vorzugsweise personen- und/oder lasttragenden Multikopters (1), bei dem eine Mehrzahl an Rotoren in einer gemeinsamen Rotorebene (R) angeordnet sind, bei dem oberhalb oder unterhalb der Rotorebene (R) ein nach oben bzw. unten bezüglich der Rotorebene (R) abragendes Leitwerk (6) vorgesehen ist, vorzugsweise in einem hinteren Bereich des Fluggeräts (1) bezogen auf eine Vorwärtsflug-Richtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluggerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, vorzugsweise personen- und/oder lasttragenden Multikopters, bei dem eine Mehrzahl an Rotoren an bzw. in einer im wesentlichen gemeinsamen Rotorebene angeordnet ist. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die genannte Mehrzahl an Rotoren oder sogar alle Rotoren exakt in einer Ebene angeordnet sind; es sollen vorliegend beispielsweise auch Anwendungsfälle umfasst sein, bei denen die weiter hinten liegenden Rotoren etwas höher (oder tiefer) angeordnet sind, als die vorderen.
Ein solches Fluggerät ist insbesondere aus der DE 10 2012 202 698 A1 bekannt. Bei derartigen Fluggeräten ergibt sich flugmechanisch eine Besonderheit, da sich aufgrund der relativ großen, durch die Rotorebene gebildete „Sperrfläche“ im Vorwärtsflug eine Widerstandskraft ergibt, die deutlich oberhalb des Gesamtschwerpunkts des Fluggeräts angreift. Aufgrund dieses Versatzes zwischen Gesamtschwerpunkt und Angriffspunkt der Kraft resultiert ein sogenanntes „aufnickendes“ Kippmoment, was dazu führt, dass die Nase des Fluggeräts im Vorwärtsflug nach oben geht. Der Sachverhalt ist weiter unten anhand der 1 und 2, die den Stand der Technik widerspiegeln, näher beschrieben.
Um das beschriebene Kippmoment beim Vorwärtsflug auszugleichen, müssen die hinteren Rotoren des Multikopters mehr Schub erzeugen als die vorderen. Dies wirkt sich einerseits bereits deshalb nachteilig aus, weil hiermit in der Regel ein entsprechend höherer elektrischer Energieverbrauch der genannten hinteren Rotoren verbunden ist, sodass sich unter Umständen verschiedene Energiespeicher (Batterien) des Multikopters unterschiedlich schnell entladen, wodurch eine erreichbare Flugdauer begrenzt sein kann.
In diesem Zusammenhang ist weiterhin als nachteilig anzusehen, dass die hinteren Rotoren, welche ein Mehr an Schub erzeugen müssen, im Gegensatz zu den vorderen Rotoren mit bereits verwirbelter, turbulenter Strömung beaufschlagt werden, wodurch bei gleicher Drehzahl diese turbulent angeströmten Rotoren einen geringeren Schub leisten. Dies führt wiederum dazu, dass die hinteren Motoren zum Ausgleichen des genannten Kippmoments mit noch höherer Drehzahl betrieben werden müssen, was den weiter oben beschriebenen nachteiligen Effekt noch verstärkt. Auch hierzu finden sich nähere Erläuterungen in der Figurenbeschreibung anhand der 1 und 2.
Der Erfindung liegt allgemein die Aufgabe zugrunde, die Flugeigenschaften eines gattungsgemäßen Fluggeräts zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst für ein Fluggerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Idee sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Speziell soll Abhilfe geschaffen und bei dem gattungsgemäßen Fluggerät das beschriebene Kippmoment kompensiert werden, ohne hierbei in verstärktem Maße auf relativ ineffizient arbeitende Rotoren zurückgreifen zu müssen.
Erfindungsgemäß ist ein Fluggerät in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, vorzugsweise personen- und/oder lasttragenden Multikopters, bei dem eine Mehrzahl an Rotoren in einer gemeinsamen Rotorebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb oder oberhalb der Rotorebene ein nach unten bezüglich der Rotorebene abragendes Leitwerk vorgesehen ist, vorzugsweise in einem hinteren Bereich des Fluggeräts bezogen auf eine Vorwärtsflug-Richtung.
Durch das an der Rotorebene angebrachte, nach oben oder unten abstehende Leitwerk lassen sich die angesprochenen flugmechanischen Probleme des Multikopters lösen, ohne hierbei im verstärkten Maße auf ineffizient arbeitende Rotoren, speziell im hinteren Bereich des Fluggeräts, zurückgreifen zu müssen. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff „unten“ oder „unterhalb“, dass das Leitwerk entgegen einer durch die Rotoren im Normalbetrieb erzeugten Aufwärtsbewegung des Fluggeräts an der Rotorebene angebracht ist. Der Begriff „oben“ oder „oberhalb“ bedeutet, dass das Leitwerk in Richtung einer durch die Rotoren im Normalbetrieb erzeugten Aufwärtsbewegung des Fluggeräts an der Rotorebene angebracht ist. Eine Anbringung des Leitwerks oberhalb der Rotorebene wäre effizienter, da in diesem Bereich eine komplett unbeeinflusste (laminare) Luftströmung vorliegt, die nicht durch rotorbedingte Verwirbelungen „gestört“ ist.
Im Zuge einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts ist vorgesehen, dass das Leitwerk wenigstens ein Höhenleitwerk umfasst. Höhenleitwerke sind an sich aus der Fliegerei (bei Flugzeugen) gut bekannt. Durch das Vorsehen eines Höhenleitwerks kann das beschriebene Kippmoment in besonders einfacher Weise kompensiert werden.
Im Zuge einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts vorgesehen, dass das Höhenleitwerk gegenüber der Rotorebene unter einem Winkel geneigt angeordnet ist. Ein solcher Winkel wird in der Fliegerei auch als Einstellwinkel bezeichnet. Von seinem Wert hängt ab, welchen Einfluss das Höhenleitwerk auf die Flugbewegung hat.
Im Zuge einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts ist vorgesehen, dass das Höhenleitwerk derart ausgebildet ist, dass es einem aufnickenden Kippmoment entgegenwirkt, welches durch eine durch die Rotoren in der Rotorebene erzeugte Sperrfläche im Flugbetrieb bewirkt ist. Auf dieses Kippmoment wurde weiter oben bereits hingewiesen; es kann durch die beschriebene Ausgestaltung des Höhenleitwerks kompensiert werden, ohne dass hierzu bestimmte Rotoren des Fluggeräts stärker belastet werden müssen.
Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts ist vorgesehen, dass eine Anzahl von Rotoren, vorzugsweise alle Rotoren, eine Schrägstellung gegenüber der Rotorebene aufweisen, vorzugsweise eine Schrägstellung von etwa 5°. Eine solche Schrägstellung verbessert die Flugeigenschaften des erfindungsgemäßen Fluggeräts, insbesondere bezogen auf eine Gier-Autorität.
Um zusätzlich auch die Gier- bzw. Seitenstabilität des Fluggeräts zu verbessern, kann im Rahmen einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts vorgesehen sein, dass das Leitwerk wenigstens ein Seitenleitwerk umfasst. Dieses Seitenleitwerk ist vorzugsweise im Wesentlichen vertikal quer zur Rotorebene orientiert.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts kann vorgesehen sein, dass das mindestens ein Seitenleitwerk zusätzlich noch die Positionierung des Höhenleitwerk sicherstellt. Dazu kann im Rahmen einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts vorgesehen sein, dass das Höhenleitwerk und das Seitenleitwerk miteinander verbunden sind.
Um eine besonders vorteilhafte und stabile Konstruktion zu erreichen, kann im Rahmen einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts vorgesehen sein, dass das Höhenleitwerk zwischen zwei Seitenleitwerken angeordnet ist. Dabei ist die Erfindung jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl von Höhenleitwerken und/oder Seitenleitwerken festgelegt.
Das Seitenleitwerk bzw. die Seitenleitwerke übernehmen neben der Positionierung des Höhenleitwerks überwiegend die Aufgabe, die Gier- bzw. Seitenstabilität des Multikopters zu verbessern.
Vorzugsweise ist das Höhenleitwerk aerodynamisch derart ausgestaltet, dass beim Vorwärtsflug des Fluggeräts ein Auftrieb entsteht. Um den zuvor genannten „aufnickenden“ Moment entgegenzuwirken, ist das Leitwerk bei einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts in einem hinteren Bereich desselben bezogen auf eine Vorwärtsflug-Richtung angeordnet. Dadurch müssen die hinteren Rotoren des Fluggeräts dieses Moment nicht mehr allein ausgleichen, wodurch sich insgesamt eine homogenere Schubverteilung über die Mehrzahl der Rotoren einstellt. Vorzugsweise kommen bei einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts 18 Rotoren zum Einsatz, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre.
Die speziell durch das Höhenleitwerk bewirkte Auftriebskraft F_L berechnet sich wie nachfolgend beschrieben: $F_{L} = \frac{1}{2} \cdot p \cdot v^{2} \cdot c_{L} \cdot A,$
wobei ρ die Luftdichte, v die Luftgeschwindigkeit (Geschwindigkeit über Grund zuzüglich Gegenwind), c_L den Auftriebsbeiwert des Flügels (des Höhenleitwerks) und A die Flügelfläche beschreibt. Aus dem genannten formelmäßigen Zusammenhang ist ersichtlich, dass die Auftriebskraft F_L mit zunehmender Fluggeschwindigkeit quadratisch zunimmt. Dies bedeutet, dass der positive Effekt des Höhenleitwerks insbesondere bei hohen Fluggeschwindigkeiten ins Gewicht fällt, bei denen auch das genannte Kippmoment besonders stark auftritt.
Neben dem oben beschriebenen Entgegenwirken bezüglich des aufnickenden Moments entlastet das Höhenleitwerk durch seine schiere Auftriebswirkung alle Rotoren bzw. Motoren gleichermaßen, wodurch insgesamt die Flugeffizienz gesteigert ist.
Um für unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten bzw. Flugbewegungen eine optimale Auftriebswirkung zu erreichen, sieht eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts vor, dass zumindest das Höhenleitwerk verstellbar ausgebildet ist.
Bevorzugt kann in diesem Zusammenhang ein Höhenleitwerk mit Ruderklappen Verwendung finden. Bei einem solchen Leitwerk ist das eigentliche Leitwerkprofil an sich starr, in Flugrichtung dahinter befinden sich jedoch eine Anzahl verstellbarer Klappen (Ruderklappen), welche die abströmende Luft je nach Stellung entsprechend umleiten und somit die entstehende Auftriebskraft beeinflussen.
Um eine solche Verstellbarkeit auf möglichst einfache und komfortable Weise zu erreichen, sieht eine entsprechende andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts vor, dass mechanische, insbesondere motorische Mittel zum Verstellen des Leitwerks, insbesondere des Höhenleitwerks oder der Ruderklappen, vorhanden sind.
Vorteilhafterweise ist in diesem Zusammenhang das Höhenleitwerk bzw. sind die Ruderklappen bei einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts um eine Achse parallel zu der Rotorebene schwenkbar gelagert.
Eine besonders kompakte und vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fluggeräts ergibt sich, wenn das Höhenleitwerk an dem Seitenleitwerk oder an den Seitenleitwerken verstellbar gelagert ist.
Ausgehend von dem weiter oben beschriebenen formelmäßigen Zusammenhang hat es sich bei entsprechender Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Höhenleitwerk bzw. die Ruderklappen in Abhängigkeit von einer Flugrichtung und/oder Fluggeschwindigkeit des Fluggeräts verstellbar ist/sind, insbesondere automatisch durch eine entsprechend eingerichtete Flugsteuerungseinheit des Fluggeräts oder nach Maßgabe eines Pilotenbefehls. Vorteilhafterweise kennt die genannte Flugsteuerungseinheit des Fluggeräts dessen Flugrichtung bzw. Fluggeschwindigkeit und verstellt das Höhenleitwerk bzw. die Ruderklappen hiervon abhängig automatisch. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass eine solche Verstellung des Höhenleitwerks bzw. der Ruderklappen manuell durch einen Piloten in Form eines Pilotenbefehls ausgelöst wird.
Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass bei einem senkrechten Starten oder Landen des Fluggeräts sich das Höhenleitwerk negativ auf die durch die Rotoren erzeugte Auftriebskraft auswirken kann, da es selbst eine Sperrfläche darstellt. Speziell aus diesem Grunde kann es sinnvoll sein, das Höhenleitwerk drehbar bzw. schwenkbar zu lagern, worauf weiter oben bereits hingewiesen wurde. Insbesondere kann zu diesem Zweck ein Stellmotor oder dergleichen vorgesehen sein. Auf diese Weise ist es für nahezu jede Fluggeschwindigkeit bzw. Flugbewegung möglich, einen optimalen Anströmwinkel des Höhenleitwerks einzustellen. Ferner kann bei einem senkrechten Starten oder Landen des Fluggeräts oder bei einem Schwebeflug das Höhenleitwerk vertikal abgekippt werden, um eine Sperrwirkung zu minimieren.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Leitwerk bei entsprechender Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluggeräts an wenigstens einem die Rotoren tragenden Tragarm des Fluggeräts befestigt ist.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.

1 zeigt einen elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, personen- und/oder lasttragenden Multikopter nach dem Stand der Technik;
2 zeigt den Multikopter gemäß 1 in einer schematischen Seitenansicht;
3 zeigt in einer vereinfachten Darstellung schräg von unten ein erfindungsgemäßes Fluggerät mit einem Leitwerk;
4 in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch das Leitwerk gemäß 3;
5 zeigt das Leitwerk gemäß 4 in einem veränderten Betriebszustand;
6 zeigt das Leitwerk gemäß 4 in einem weiteren veränderten Betriebszustand;
7 zeigt das Leitwerk gemäß 4 in einem noch anderen Betriebszustand; und
8 zeigt einen weiteren Schnitt durch das Leitwerk gemäß 3, wobei die Schnittebene senkrecht zu derjenigen in den 4 bis 7 orientiert ist.

In 1 ist ein Fluggerät in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, personen- und/oder lasttragenden Multikopters nach dem Stand der Technik dargestellt, welches Fluggerät insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Das Fluggerät bzw. der Multikopter 1 verfügt über eine Mehrzahl an Rotoren, die in einer im wesentlichen gemeinsamen Rotorebene angeordnet ist. Diese Rotorebene ist in 1 mit dem Bezugszeichen R bezeichnet. Die Rotorebene R erstreckt sich parallel versetzt zu einer (nicht bezeichneten) Ebene, die durch Tragarme des Multikopters 1 aufgespannt ist. Von diesen Tragarmen ist in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein einziger mit dem Bezugszeichen 3 explizit bezeichnet. Die Tragarme 3 gehen von einer zentral unterhalb der Rotorebene R angeordneten Pilotenkanzel 4 mit Kufen 5 aus und tragen insbesondere die Rotoren 2.1 - 2.9, die zugeordneten Elektromotoren (in 1 nicht bezeichnet) sowie Kabel, Leitungen und gegebenenfalls auch die den Elektromotoren zugeordneten Batterien bzw. Akkumulatoren, was in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellt ist.
Dabei ist es nicht erforderlich, dass die oder sogar alle Rotoren exakt in einer Ebene angeordnet sind; es sollen vorliegend beispielsweise auch Anwendungsfälle umfasst sein, bei denen - ohne Beschränkung hierauf - die weiter hinten liegenden Rotoren etwas höher (oder tiefer) angeordnet sind, als die vorderen.
Gemäß der Ausgestaltung in 1 weist der an sich bekannte Multikopter 1 insgesamt 18 Rotoren auf, von denen jedoch nur neun mit den bereits genannten Bezugszeichen 2.1 - 2.9 explizit bezeichnet sind. Da der Multikopter 1 grundsätzlich rechts-links-symmetrisch aufgebaut ist, finden sich auf der anderen Seite des Multikopters 1 neun entsprechende Rotoren, die in 1 - wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit - nicht explizit bezeichnet sind.
Es hat sich im Flugbetrieb des Multikopters 1 herausgestellt, dass einige der Rotoren 2.1 - 2.9 effizienter als andere arbeiten, was insbesondere daran liegt, dass einige der Rotoren 2.1 - 2.9 im Betrieb turbulent angeströmt werden - insbesondere aufgrund von in Flugrichtung davor angeordneten Rotoren. Dies betrifft insbesondere die in einem hinteren Bereich H des Multikopters 1 angeordneten Rotoren 2.5 - 2.8 sowie den Rotor 2.9. Diese Rotoren 2.5 - 2.8, 2.9 weisen gegenüber den Rotoren 2.1 - 2.4 verringerte Effizienzen auf.
In 2 ist ein weiterer aus dem Stand der Technik bekannter flugmechanischer Effekt illustriert, der bei dem gezeigten Multikopter 1 auftrifft: Aufgrund der relativ großen „Sperrfläche“, die durch die Rotorebene R definiert wird, ergibt sich bei einer Flugbewegung in Flugrichtung FR gemäß dem Pfeil in 2 eine Kraft F_aero, die deutlich oberhalb des in 2 mit dem Bezugszeichen SP bezeichneten Schwerpunkts des Multikopters 1 angreift. Daraus entsteht ein sogenanntes „aufnickendes“ Kippmoment, welches in 2 mit dem Bezugszeichen M_aero bezeichnet ist. Dies führt im Flugbetrieb dazu, dass die Nase des Multikopters tendenziell nach oben geht. Um das aufnickende Kippmoment M_aero beim Vorwärtsflug FR auszugleichen, müssen die hinteren Rotoren (vgl. Bezugszeichen H in 1) mehr Schub erzeugen als die vorderen. In Verbindung mit der bereits angesprochenen Tatsache, dass die hinteren Rotoren im Gegensatz zu den vorderen mit bereits verwirbelter, turbulenter Strömung beaufschlagt werden, ergibt sich so eine stark reduzierte Effizienz speziell der hinteren Rotoren 2.5 - 2.8 (vgl. 1) im Vorwärtsflug.
In 2 ist noch schematisch anhand eines einzelnen eingezeichneten Rotors 2 angedeutet, dass die Rotoren gegenüber der Rotorebene R eine geringe Schrägstellung α ≈ 5° aufweisen. Dies führt dazu, dass der Multikopter 1 - aufgrund des relativ kleinen Winkels - eine geringe Gier-Autorität aufweist.
In 3 ist nun ein erfindungsgemäß weitergebildetes Fluggerät in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, personen- und/oder lasttragenden Multikopters 1 dargestellt. Hier und im Folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder zumindest gleich wirkende Elemente. Die Rotoren sind in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Um die vorstehend beschriebene reduzierte Effizienz einiger der Rotoren auszugleichen und auch der angesprochenen geringen Gier-Autorität des Multikopters 1 entgegenzuwirken, ist ein Leitwerk 6 vorgesehen, welches unterhalb der Rotorebene R angeordnet ist und bezüglich dieser Rotorebene R nach unten abragt. Dabei ragt das Leitwerk 6 im Wesentlichen unter einem rechten Winkel nach unten von der Rotorebene R ab, wie sich der Darstellung in 3 gut entnehmen lässt. Das Leitwerk 6 umfasst zwei Seitenleitwerke 6.1, 6.2, zwischen denen ein Höhenleitwerk 6.3 angeordnet ist. Hierauf wird weiter unten noch genauer eingegangen. Die beiden Seitenleitwerke 6.1, 6.2 sind an jeweils einem Tragarm 3.1, 3.2 des Multikopters 1 angeordnet (vgl. 1 und zugehörige Beschreibung). Genauer gesagt, ragen die beiden Seitenleitwerke 6.1, 6.2 senkrecht nach unten bezüglich der Rotorebene R bzw. der Tragarme 3.1, 3.2 ab, während das Höhenleitwerk 6.3 die beiden Seitenleitwerke 6.1, 6.2 verbindet und dabei insbesondere etwa parallel zur Rotorebene R angeordnet sein kann. Hierauf wird ebenfalls weiter unten noch genauer eingegangen.
Allgemein lässt sich angeben, dass das Höhenleitwerk 6.3 gegenüber der Rotorebene R unter einem Winkel geneigt angeordnet ist, welcher Winkel in 3 aus Gründen der Darstellung nicht eingezeichnet und in den nachfolgenden 4 bis 7 mit β bezeichnet ist. Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass der Winkel β den Wert 0 annehmen kann, er ist allerdings nicht auf diesen Wert beschränkt, wie weiter unten noch deutlich werden wird.
In 4 ist ein Schnitt durch das Leitwerk 6 gemäß 3 dargestellt, wobei die Schnittebene so gewählt ist, dass das Höhenleitwerk 6.3 im Querschnitt dargestellt ist. Dieser Querschnitt wird entsprechend eines geeigneten aerodynamischen Profils gewählt, wie z.B. einem Profil aus der NACA Serie. Das Höhenleitwerk 6.3 ist um eine Achse 6.4 drehbar bzw. schwenkbar gelagert, was in den 4 bis 7 durch einen Doppelpfeil P symbolisiert ist.
In der gezeigten bespielhaften Ausführung sind Motormittel 6.5 vorgesehen, die zum Drehen bzw. Schwenken des Höhenleitwerks 6.3 ausgebildet und bestimmt sind. Bei den Motormitteln 6.5 kann es sich beispielsweise um einen Stellmotor oder dergleichen handeln. Bezugszeichen 6.6 bezeichnet eine übergeordnete Steuerungseinrichtung für die Motormittel 6.5 zum Verstellen des Höhenleitwerks 6.3. Die strichpunktierten Linien symbolisieren entsprechende (steuerungstechnische) Wirkverbindungen. Die Steuerungseinheit 6.6 empfängt Steuerbefehle insbesondere von einer übergeordneten Flugsteuerungseinheit des Multikopters oder nach Maßgabe eines Pilotenbefehls, was in den Figuren durch eine von Bezugszeichen 6.6 abgehende (horizontale) strichpunktierte Linie nur angedeutet ist. Die Seitenleitwerke 6.1, 6.2 sind in der gezeigten Seitenansicht im Wesentlichen rechteckig ausgebildet, können jedoch an ihrer unteren, vorderen Kante eine Abrundung 6.7 aufweisen, wie dargestellt. Die Form der Seitenleitwerke kann jedoch alle dem Fachmann bekannten Formen annehmen, insbesondere kann diese trapezförmig, gepfeilt, oder tropfenförmig sein.
Die Erfindung ist nicht auf ein Vorhandensein der beschriebenen Motormittel beschränkt. Statt dessen (oder als Sicherheitsmaßnahme) kann auch ein passives Rückstellelement vorgesehen sein, wie z.B. eine Feder, wodurch das Höhenleitwerk im Hoverflug (ohne Anströmung von vorne) durch das Rückstellelement in eine vertikale Stellung (Neutral-Stellung) bewegt wird; je nach Anströmgeschwindigkeit von vorne stellt sich das Profil dann „in den Wind“.
In 4 ist ein Betriebszustand gezeigt, bei dem das Höhenleitwerk unter einem Winkel β = 0° angeordnet ist. Der Winkel β wird als Einstellwinkel (Winkel zwischen Höhenleitwerk und Rumpflängsachse eines Fluggeräts) bezeichnet. Durch den Einstellwinkel β lässt sich - je nach Fluggeschwindigkeit bzw. Luftgeschwindigkeit (Geschwindigkeit über Grund + Gegenwind) - das weiter oben anhand von 2 beschriebene Drehmoment M_aero im Idealfall gerade kompensieren, was zu einer verbesserten Rotoreffizienz beiträgt.
In 5 ist ein anderer Betriebszustand des Leitwerks 6 gemäß 4 gezeigt, bei dem der Einstellwinkel β von 0 abweicht (β > 0). Dies wird - wie bereits beschrieben - durch Drehen bzw. Schwenken des Höhenleitwerks 6.3 um die Achse 6.4 gemäß dem Doppelpfeil P erreicht, beispielsweise nach Maßgabe der Motormittel 6.5 bzw. der Steuerung 6.6. Vorteilhafterweise geschieht das Verstellen des Höhenleitwerks 6.3 in Abhängigkeit von einer Flugrichtung und/oder Fluggeschwindigkeit des Multikopters automatisch durch entsprechende Steuerbefehle seitens der Flugsteuerungseinheit (nicht dargestellt).
Um beim senkrechten Starten und Landen des Multikopters die entsprechende Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung nicht zu behindern, kann das Höhenleitwerk 6.3 gemäß den 6 und 7 auch Einstellwinkel β von -90° bzw. +270° (6) und +90° (7) einnehmen. Speziell ist in 6 eine bevorzugte Stellung des Höhenleitwerks 6.3 beim vertikalen Sinkflug des Multikopters dargestellt, während 7 eine bevorzugte Stellung des Höhenleitwerks 6.3 beim vertikalen Steigflug des Multikopters zeigt.
Selbstverständlich sind auch beliebige Zwischenstellungen zwischen den Einstellwinkeln β gemäß den 4 bis 7 möglich.
Schließlich zeigt 8 einen Blick von oben auf das Höhenleitwerk 6.3, wobei die beiden Seitenleitwerke 6.1, 6.2 im Querschnitt dargestellt sind. Die Seitenleitwerke 6.1, 6.2 weisen vorzugsweise ein geeignetes aerodynamisches Profil auf, wie exemplarisch dargestellt, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre.
Wie der Fachmann leicht erkennt, können selbstverständlich auch Leitwerke mit einer anderen Anzahl an Höhenleitwerken bzw. Seitenleitwerken zum Einsatz kommen, als vorliegend exemplarisch und zeichnerisch dargestellt. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, zwischen zwei Seitenleitwerken, wie gezeigt, mehr als ein Höhenleitwerk anzuordnen. Darüber hinaus liegt es im Rahmen der Erfindung, ähnlich wie bei herkömmlichen Flugzeugen zwei Höhenleitwerke jeweils seitlich an einem gemeinsamen Seitenleitwerk anzuordnen. Dabei ist die Anzahl der Höhenleitwerke grundsätzlich nicht auf zwei beschränkt.
Vorzugsweise erfolgt die Befestigung des Leitwerks an dem genannten Tragarm mittels des Seitenleitwerks. Falls mehrere Seitenleitwerke vorhanden sind, kann jedes dieser Seitenleitwerke an einem eigenen Tragarm befestigt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012202698 A1 [0002]

Claims

Fluggerät (1) in Form eines elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, vorzugsweise personen- und/oder lasttragenden Multikopters, bei dem eine Mehrzahl an Rotoren (2.1 - 2.9) in einer im wesentlichen gemeinsamen Rotorebene (R) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb oder oberhalb der Rotorebene (R) wenigstens ein nach unten oder oben bezüglich der Rotorebene (R) abragendes Leitwerk (6) vorgesehen ist, vorzugsweise in einem hinteren Bereich des Fluggeräts (1) bezogen auf eine Vorwärtsflug-Richtung (FR).
Fluggerät (1) nach Anspruch 1, bei dem das Leitwerk (6) wenigstens ein Höhenleitwerk (6.3) umfasst.
Fluggerät (1) nach Anspruch 2, bei dem das Höhenleitwerk (6.3) gegenüber der Rotorebene (R) unter einem Winkel (β) geneigt angeordnet ist.
Fluggerät (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Höhenleitwerk (6.3) derart ausgebildet ist, dass es einem aufnickenden Kippmoment (M_aero) entgegenwirkt, welches durch eine durch die Rotoren (2.1 - 2.9) in der Rotorebene (R) erzeugte Sperrfläche im Flugbetrieb bewirkt ist.
Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Anzahl von Rotoren (2.1 bis 2.), vorzugsweise alle Rotoren, eine Schrägstellung (α) gegenüber der Rotorebene (R) aufweisen, vorzugsweise eine Schrägstellung (α) von etwa 5°.
Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem Leitwerk (6) wenigstens ein Seitenleitwerk (6.1, 6.2) umfasst.
Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei Rückbezug auf Anspruch 2, bei dem das Höhenleitwerk (6.3) und das Seitenleitwerk (6.1, 6.2) miteinander verbunden sind.
Fluggerät (1) nach Anspruch 6 oder 7 bei Rückbezug auf Anspruch 2, bei dem das Höhenleitwerk (6.3) zwischen zwei Seitenleitwerken (6.1, 6.2) angeordnet ist.
Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Leitwerk (6) zumindest teilweise verstellbar ausgebildet ist.
Fluggerät (1) nach Anspruch 9 bei Rückbezug auf Anspruch 2, bei dem zumindest das Höhenleitwerk (6.3) verstellbar ausgebildet ist.
Fluggerät (1) nach Anspruch 10, bei dem das Höhenleitwerk Ruderklappen aufweist, wobei ein eigentliches Leitwerkprofil starr ausgebildet ist und in Flugrichtung dahinter eine Anzahl verstellbarer Klappen vorgesehen ist, welche abströmende Luft je nach Stellung umleiten.
Fluggerät (1) nach Anspruch 10 oder 11, bei dem mechanische, insbesondere motorische Mittel (6.5) zum Verstellen des Leitwerks (6), insbesondere des Höhenleitwerks (6.3) oder der Ruderklappen nach Anspruch 11, während des Flugs vorgesehen sind.
Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Höhenleitwerk (6.3) oder die Ruderklappen nach Anspruch 11 um eine Achse (6.4) parallel zu der Rotorebene (R) schwenkbar gelagert ist.
Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13 bei Rückbezug auf Anspruch 7 oder 8, bei dem das Höhenleitwerk (6.3) an dem Seitenleitwerk oder an den Seitenleitwerken (6.1, 6.2) verstellbar gelagert ist.
Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem das Höhenleitwerk (6.3) oder die Ruderklappen nach Anspruch 11 in Abhängigkeit von einer Flugrichtung (FR) und/oder Fluggeschwindigkeit des Fluggeräts (1) verstellbar ist/sind, insbesondere automatisch durch eine entsprechend eingerichtete Flugsteuerungseinheit (6.6) des Fluggeräts (1) oder nach Maßgabe eines Pilotenbefehls.
Fluggerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Leitwerk (6) an wenigstens einem die Rotoren (2.1 - 2.9) tragenden Tragearm (3.1, 3.2) des Fluggeräts (1) befestigt ist, vorzugsweise über das mindestens eine Seitenleitwerk (6.1, 6.2) gemäß Anspruch 6.