DE102018116164A1 - Stromversorgung für ein Luftfahrzeug sowie entsprechendes Luftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt eine Stromversorgung für ein Luftfahrzeug (10) mit den folgenden Merkmalen bereit:Die Stromversorgung umfasst eine flugfähige Drohne (12) mit Rotoren (13), einem Gleichspannungswandler (14), einer Batterie (15) zum Antreiben der Rotoren (13) undeiner Verriegelungseinrichtung (17) zum Sichern einer Steckverbindung (16) zwischen der Drohne (12) und dem Luftfahrzeug (10);die Drohne (12) ist dazu eingerichtet, die Steckverbindung (16) mittels der Verriegelungseinrichtung (17) zu sichern, bis das Luftfahrzeug (10) eine vorgegebene Flughöhe erreicht; unddie Stromversorgung ist derart konfiguriert, dass die Batterie (15) mittels des Gleichspannungswandlers (14) das Luftfahrzeug (10) mit Strom versorgt, solange die Steckverbindung (16) besteht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, senkrecht start- und landefähiges (vertical take-off and landing, VTOL) Luftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Stromversorgung.
• Als VTOL wird in der Luft- und Raumfahrttechnik sprachübergreifend jedwede Art von Flugzeug, Drohne oder Rakete bezeichnet, welche die Fähigkeit besitzt, im Wesentlichen senkrecht und ohne Start- und Landebahn abzuheben und wieder aufzusetzen. Dieser Sammelbegriff wird nachfolgend in einem weiten Sinne verwendet, der nicht nur Starrflügelflugzeuge mit Tragflächen, sondern ebenso Drehflügler wie Hub-, Trag-, Flugschrauber und Hybride wie Verbundhub- oder Kombinationsschrauber sowie Wandelflugzeuge einschließt. Erfasst seien des Weiteren Luftfahrzeuge mit der Fähigkeit, auf besonders kurzen Strecken zu starten und zu landen (short take-off and landing, STOL), auf kurzen Strecken zu starten, aber senkrecht zu landen (short take-off and vertical landing, STOVL) oder senkrecht zu starten, aber horizontal zu landen (vertical take-off and horizontal landing, VTHL).
• Der Strombedarf während der Start- und Landephase eines VTOL ist hoch. Die Batterie eines elektrisch angetriebenen VTOL nach dem Stand der Technik muss daher nicht nur hinsichtlich ihrer Kapazität, sondern auch bezüglich ihrer Leistungsdichte höchste Anforderungen erfüllen.
• WO 2010/031384 A2 offenbart ein Verfahren zum Starten einer Drohne mittels eines die Startenergie aufbringenden Startkatapults derart, dass zunächst das Startkatapult vor dem Starten ausgerichtet wird. Dabei ist das Startkatapult mittels eines Sichtschutzes verdeckt, der erst nach dem Ausrichten und unmittelbar vor dem Starten entfernt wird.
• DE10 2016 219 473 A1 betrifft eine Drohne zum Andocken an ein Fahrzeug. Die Drohne umfasst dabei einen Energiespeicher sowie eine Andockvorrichtung zum Andocken der Drohne an das Fahrzeug. Darüber hinaus umfasst die Drohne zumindest eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit dem Fahrzeug und/oder mit einem externen Gerät eines Nutzers des Fahrzeugs sowie zumindest eine Positionsermittlungseinheit zur Erkennung einer Position des Nutzers des Fahrzeugs. Dabei ist die Drohne ausgestaltet, nach einem vorbestimmbaren Trigger, der von der Kommunikationseinheit erfasst werden kann, über die Positionsermittlungseinheit die Position des Nutzers zu ermitteln, vom Fahrzeug abzudocken, sich zu dem Nutzer des Fahrzeugs entsprechend der erkannten Position zu begeben und diesem automatisch zu folgen.
• DE10 2007 003 458 A1 beschreibt eine Einrichtung zur automatischen Energieversorgung eines batteriebetriebenen Kleinfluggerätes, um einen quasi ununterbrochenen Fluggerät-Einsatz sicherzustellen und die ständige Bereitstellung einer Bedienperson zu vermeiden. Zu diesem Zwecke ist eine Lande- und Ladeplattform vorgesehen, der ein Batteriemagazin zugeordnet oder unter welcher eine Ladeeinrichtung vorgesehen ist.
• Um das oben umrissene Problem zu lösen, wird eine alternative Energiequelle vorgeschlagen, die nicht zum Gesamtgewicht des Luftfahrzeuges beiträgt. Diesem Vorschlag liegt die folgende Erkenntnis zugrunde: Das mit einer Bord-Batterie ausgestattete Luftfahrzeug hat eine Masse M_eVTOL + M_Batt und eine Rotorfläche A_eVTOL. Für die zum Abheben benötigte Leistung P_eVTOL/Batt gilt $$P_{e\text{VTOL}/\text{Batt}}\sim \frac{1}{A_{e\text{VTOL}}}\sim \sqrt{{\left(M_{e\text{VTOL}}+M_{\text{Batt}}\right)}^3.}$$

  
• Wenn die Batterie aus dem Luftfahrzeug entfernt wird, gilt für die zu dessen Abheben benötigte Leistung P_eVTOL $$P_{e\text{VTOL}}\sim \frac{1}{A_{e\text{VTOL}}}\sim \sqrt{M_{e\text{VTOL}}}.$$

  
• Eine Batterie mit eigenen Rotoren hätte eine Masse M_Batt + M_overhead und eine Rotorfläche A_Batt. Für die zum Abheben benötigte Leistung gilt in diesem Fall $$P_{\text{Batt}}\sim \frac{1}{A_{\text{Batt}}}\sim \sqrt{{\left(M_{\text{Batt}}+M_{\text{overhead}}\right)}^3}.$$

  
• Wenn die folgende Gleichung erfüllt ist, wird somit die zum Schweben insgesamt erforderliche Leistung reduziert, sodass ein elektrisch angetriebenes VTOL mit einer gekoppelten autonomen Flugbatterie von Vorteil wäre: $$\frac{A_{e\text{VTOL}}+A_{\text{Batt}}}{A_{e\text{VTOL}}}>\frac{{\left(M_{e\text{VTOL}}+M_{\text{Batt}}+M_{\text{overhead}}\right)}^3}{{\left(M_{e\text{VTOL}}+M_{\text{Batt}}\right)}^3}$$

  
• Die Erfindung stellt daher ein Luftfahrzeug, insbesondere ein vollelektrisches, im obigen Sinne senkrecht start- und landefähiges Luftfahrzeug, sowie eine Stromversorgung für ein solches Luftfahrzeug nach den unabhängigen Ansprüchen bereit.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann das Luftfahrzeug etwa mit abgeknickten oder gar wahlweise abknickbaren Tragflächen ausgestattet sein. Eine entsprechende Variante vergrößert die im Horizontalflug wirksame Flügelfläche, ohne aber die Standfläche des Luftfahrzeuges auszudehnen.
• Ferner mag das Luftfahrzeug über ein schnell ladbares Batteriesystem verfügen, welches die Antriebsenergie für Senkrechtstart und -landung sowie Horizontalflug bereitstellt und eine kurzfristige Aufladung des Luftfahrzeuges im Stand ermöglicht.
• Zum Antrieb des Luftfahrzeuges können hierbei anstelle freifahrender Rotoren mehrere Mantelpropeller (ducted fans) auch unterschiedlicher Größe zum Einsatz kommen, wie sie abseits der Luftfahrttechnik etwa von Luftkissenfahrzeugen oder Sumpfbooten bekannt sind. Das den Propeller umgebende zylindrische Gehäuse vermag in einer derartigen Ausführungsform die Schubverluste infolge von Verwirbelungen an den Blattspitzen beträchtlich zu reduzieren. Geeignete Mantelpropeller mögen horizontal oder vertikal ausgerichtet, zwischen beiden Stellungen schwenkbar ausgeführt oder aus aerodynamischen Gründen im Horizontalflug durch Lamellen (louvers) abgedeckt sein. Zudem ist eine reine Horizontalschuberzeugung mittels feststehender Mantelpropeller denkbar.
• Schließlich kommt - neben einem vorzugsweise vollautonomen Betrieb des Luftfahrzeuges - bei hinreichender Qualifikation auch die Einräumung einer manuellen Kontrolle an den menschlichen Piloten in Betracht, was der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größtmögliche Flexibilität in der Handhabung verleiht.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
• 1 zeigt das Abheben eines erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges.
• 2 zeigt das Luftfahrzeug vor seinem Übergang in den Reiseflug.
• Die 1 und 2 illustrieren in ihrer Zusammenschau die konstruktiven und funktionalen Merkmale einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftfahrzeuges (10).
• Während des in 1 dargestellten Starts heben die mittels einer Nachrichtenverbindung (18) zwischen Luftfahrzeug (10) und Drohne (12) aufeinander abgestimmten Rotorsysteme (11, 13) gemeinsam ab. Das Luftfahrzeug (10) ist hierbei Leitgerät (master) und die mit einer eigenen Batterie (15) ausgestattete Drohne (12) das Folgegerät (slave). Beide Batterien (15) sind aneinander angeschlossen und versorgen sowohl das Luftfahrzeug (10) als auch die Rotoren (13) der Drohne (12). Ein Gleichspannungswandler (DC-to-DC converter, 14) an Bord der Drohne (12) stellt sicher, dass die Spannungen übereinstimmen und steuert den Energiefluss.
• Wenn die Übergangshöhe erreicht ist, wird die autonome Batterie-Drohne (12) freigegeben und fliegt zurück auf den Boden. Das Luftfahrzeug (10) setzt den Flug sodann ausschließlich mit seiner eigenen Bord-Batterie (15) fort.
• 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
• WO 2010/031384 A2 [0004]
• DE 102016219473 A1 [0005]
• DE 102007003458 A1 [0006]

Claims (10)

1. Stromversorgung für ein Luftfahrzeug (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Stromversorgung umfasst eine flugfähige Drohne (12) mit Rotoren (13), einem Gleichspannungswandler (14), einer Batterie (15) zum Antreiben der Rotoren (13) und einer Verriegelungseinrichtung (17) zum Sichern einer Steckverbindung (16) zwischen der Drohne (12) und dem Luftfahrzeug (10), - die Drohne (12) ist dazu eingerichtet, die Steckverbindung (16) mittels der Verriegelungseinrichtung (17) zu sichern, bis das Luftfahrzeug (10) eine vorgegebene Flughöhe erreicht und - die Stromversorgung ist derart konfiguriert, dass die Batterie (15) das Luftfahrzeug (10) mittels des Gleichspannungswandlers (14) mit Strom versorgt, solange die Steckverbindung (16) besteht.
2. Stromversorgung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Drohne (12) ist ferner dazu eingerichtet, selbsttätig in Bodennähe zurückzukehren, wenn die Flughöhe erreicht ist.
3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Drohne (12) ist ferner dazu eingerichtet, eine Nachrichtenverbindung (18) mit dem Luftfahrzeug (10) zum Abstimmen eines gemeinsamen Flugverhaltens einzugehen.
4. Luftfahrzeug (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug (10) weist eine Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf und - das Luftfahrzeug (10) weist einen vollelektrischen Antrieb auf.
5. Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst abgeknickte oder abknickbare Tragflächen.
6. Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst ein schnell ladbares Batteriesystem.
7. Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst waagerecht feststehende Mantelpropeller (11) für Start und Landung.
8. Luftfahrzeug (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Luftfahrzeug (10) weist Lamellen auf und - die waagerechten Mantelpropeller (11) sind mittels der Lamellen wahlweise abdeckbar.
9. Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) umfasst senkrecht feststehende Mantelpropeller zum Erzeugen eines Vortriebes.
10. Luftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Luftfahrzeug (10) ist wahlweise vollautonom steuerbar.

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