DE102016121102B3

DE102016121102B3 - Variabler Offset am Rotorkopf eines Tragschraubers

Info

Publication number: DE102016121102B3
Application number: DE102016121102.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Duda; Jörg Seewald; Falk Sachs
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2036-11-05

Abstract

Ein Tragschrauber (1) mit einer Hauptstruktur (4), einem Rotor (2), der gegenüber der Hauptstruktur (4) um eine in einer Längsmittelebene des Tragschraubers (1) verlaufende Rotorachse (3) drehbar gelagert ist, und einer senkrecht zu der Längsmittelebene verlaufenden Nickachse (5), um die die Rotorachse (3) gegenüber der Hauptstruktur (4) des Tragschraubers (1) verschwenkbar ist, weist eine erste Betriebskonfiguration (6) auf, in der die der Nickachse (5)in einem ersten Abstand (7) zu Rotorachse (3) verläuft, der mindestens 0,5 cm beträgt. Der Tragschrauber (1) weist außerdem eine zweite Betriebskonfiguration (10) auf, in der die der Nickachse (5) in einem zweien Abstand (11) zu Rotorachse (2) verläuft, wobei der zweite Abstand (11) nicht mehr als 1/3 des ersten Abstands (7) beträgt. Der Tragschrauber (1) kann verwendet werden, indem der Tragschrauber (1) für einen Sprungstart in die zweite Betriebskonfiguration (10) und der Tragschrauber (1) nach seinem Sprungstart im Flug in die erste Betriebskonfiguration (10) gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tragschrauber mit einer Hauptstruktur, mit einem Rotor, der gegenüber der Hauptstruktur um eine in einer Längsmittelebene des Tragschraubers verlaufende Rotorachse drehbar gelagert ist, und mit einer senkrecht zu der Längsmittelebene verlaufenden Nickachse, um die die Rotorachse gegenüber der Hauptstruktur des Tragschraubers verschwenkbar ist und die in einer Betriebskonfiguration des Tragschraubers in einem Abstand von mindestens 0,5 cm zu der Rotorachse verläuft.
Ein Tragschrauber weist einen Rotor auf, der um eine Rotorachse drehbar gegenüber einer Hauptstruktur des Tragschraubers gelagert ist. Die Rotorachse verläuft in einer Längsmittelebene des Tragschraubers.
Im Vorwärtsflug des Tragschraubers wird der Rotor nicht - wie bei einem Hubschrauber - angetrieben, sondern befindet sich in Autorotation und erzeugt so den notwendigen Auftrieb. Der Vortrieb des Tragschraubers wird durch einen Antrieb, in der Regel einen Propeller erzeugt, der Schub in einer Flugrichtung des Tragschraubers generiert, welche parallel zu seiner Längsmittelebene verläuft.
Senkrecht zu der Längsmittelebene des Tragschraubers verläuft eine Nickachse, die auch als Nicksteuerachse oder Querachse bezeichnet wird. Um die Nickachse ist der Rotor - und mit ihm die Rotorachse - an der Hauptstruktur des Tragschraubers verschwenkbar gelagert. Umgekehrt kann die Hauptstruktur im Flug des Tragschraubers gegenüber dem Rotor eine Nickbewegung um die Nickachse ausführen. Damit der Tragschrauber, der im Vorwärtsflug an dem Rotor hängt, nicht um die Nickachse kippt („nickt“), muss sich die Nickachse senkrecht oberhalb des Schwerpunktes der Hauptstruktur des Tragschraubers befinden.
Die Nickachse wird in Tragschraubern häufig durch die Position eines bestimmten Bolzens definiert, des so genannten Pitch-Pivot Bolt, um den der Rotor gegenüber der Hauptstruktur verschwenkbar gelagert ist. Dies geschieht häufig mithilfe eines Hebelelements, das an seinem einen Ende um den Pitch-Pivot Bolt verschwenkbar gelagert ist und an seinem anderen Ende ein Drehlager aufweist, in dem der Rotor in festem, insbesondere rechtem Winkel zu dem Hebelelement gelagert ist.
Im Betrieb, das heißt, wenn er durch Anströmung in Autorotation versetzt ist, erzeugt der Rotor eine Rotorkraft bzw. Auftriebskraft, die im Vorwärtsflug die Gewichtskraft des Tragschraubers kompensiert. Von dem angetriebenen Propeller wird eine Vortriebskraft erzeugt. Durch die im Vorwärtsflug anströmende Luft werden Luftwiderstandskräfte zum einen auf den Rotor und zum anderen auf die Hauptstruktur ausgeübt. An der Hauptstruktur wird die Luftwiderstandskraft durch die Vortriebskraft kompensiert. Die Luftwiderstandskraft, die auf den Rotor wirkt, wird aber - da die Hauptstruktur und der Rotor um die Nickachse gegeneinander verschwenkbar aneinander gelagert sind - nicht direkt kompensiert. Darüber hinaus führt die über den rotierenden Rotor zwischen seiner vorwärts- und seiner rückwärtslaufenden Seite unterschiedliche Auftriebskraft dazu, dass der Rotor im Vorwärtsflug präzediert und infolgedessen eine Neigung nach hinten anstrebt. Aus beiden Gründen tendiert der Rotor im Vorwärtsflug dazu, gegenüber der Hauptstruktur um die Nickachse nach hinten zu kippen. Eine gewisse Rückwärtsneigung des Rotors ist zwar erwünscht, damit der Rotor leicht von unten angeströmt wird und so in Autorotation gehalten wird. Ein zu großer Neigungswinkel des Rotors beeinträchtigt jedoch die Flugeigenschaften des Tragschraubers. Die Tendenz des Rotors, sich nach hinten zu neigen, lässt sich verringern, wenn die Nickachse in der Flugrichtung geringfügig gegenüber der Rotorachse versetzt wird, sodass die an der Nickachse angreifende Gewichtskraft der Hauptstruktur über einen kleinen Hebel auf den Rotor wirkt und damit ein entgegengesetztes Drehmoment auf den Rotor erzeugt, das der Rückwärtsneigung des Rotors entgegenwirkt.
Die Flugstabilität von Tragschraubern ist somit dann besonders hoch, wenn die Nickachse einen solchen, auch als „Offset“ bezeichneten, definierten Abstand zu der Rotorachse aufweist. Als „Abstand“ wird dabei hier und im Folgenden der kürzeste Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse bezeichnet.
Bei Tragschraubern des Stands der Technik wird der Rotor aus obigem Grund so montiert, dass die Nickachse einen festen Abstand zu der Rotorachse hat, der bei Tragschraubern bis 560 kg etwa 2 cm beträgt. Bei Tragschraubern größerer Masse ist der Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse gewöhnlich größer.
DE 693 15 427 T2 offenbart einen solchen Tragschrauber mit Abstand zwischen Nickachse und Rotorachse. Dieser Abstand ist konstruktionsbedingt fest.
Tragschrauber starten meist mit einem so genannten Rollstart, bei dem der jeweilige Tragschrauber nach einem Rollen über eine kurze Strecke mit rotierendem Rotor abhebt. Zuvor kann der Rotor durch einen Rotorantrieb, ein Umlenken des Propellerantriebs oder per Hand vorrotiert werden. Die durch das Rollen hervorgerufene Anströmung des Rotor mit angestellten Rotorblättern und leichter Rückwärtsneigung beschleunigt den Rotor weiter, bis die Rotorkraft größer wird als die Gewichtskraft des Tragschraubers und der Tragschrauber abhebt. Mit Tragschraubern ist aber auch ein sogenannter Sprungstart möglich. Hierbei wird der Rotor des jeweiligen Tragschraubers auf eine so hohe Drehzahl um seine vertikal ausgerichtete Rotorachse vorrotiert, dass die in dem Rotor gespeicherte kinetische Energie beim anschließenden Anstellen der Rotorblätter den Tragschrauber senkrecht bis auf eine Höhe über dem Boden anhebt, aus der er in seinen Vorwärtsflug übergehen kann. Somit ist ein senkrechter Start des Tragschraubers möglich.
Während des Sprungstarts liegen aber weder die Vortriebskraft noch die aerodynamischen Kräfte an der Hauptstruktur und dem Rotor an. Damit wirkt kein Drehmoment mehr, mit dem der Rotor nach hinten weichen will. Das entgegengesetzte Drehmoment, das durch den Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse aufgrund der Gewichtskraft der Hauptstruktur des Tragschraubers auf den Rotor wirkt, wird somit nicht wie im Vorwärtsflug kompensiert. Dieses entgegengesetzte Drehmoment führt daher dazu, dass sich der Rotor gegenüber der Hauptstruktur um die Nickachse nach vorne neigt, wenn es nicht durch den Piloten mit einer Handkraft auf einen um die Nickachse wirksamen Steuerknüppel ausgeglichen wird.
Eine Beispielrechnung zeigt, dass die durch den Piloten bei einem Sprungstart auf den Steuerknüppel auszuübende Handkraft sehr groß werden kann: Für einen Tragschrauber mit einer angenommenen Abflugmasse von m = 1.019 kg kann der Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse mit 4 cm angenommen werden. Die Gewichtskraft des Tragschraubers beträgt in diesem Fall M_G = m · g = 10.000 N. Die Rotorkraft F_R muss für den Sprungstart mindestens gleich der Gewichtskraft sein: F_R ≥ M_G. Daraus folgt ein Drehmoment M_R = F_R · a ≥ 400 Nm um die Nickachse. Mit einer angenommenen Übersetzung i = 2 und einer Länge des Steuerknüppels von 50 cm folgt daraus für die Handkraft F_H, dass F_H ≥ 400 N. Eine Handkraft im Bereich einiger 100 N ist für den Piloten nur sehr schwer oder gar nicht aufzubringen. Folglich ist ein Tragschrauber, bei dem die Nickachse einen Abstand zu der Rotorachse hat, zwar stabil im Vorwärtsflug, bei einem Sprungstart für den Piloten jedoch kaum zu beherrschen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tragschrauber bereitzustellen, der sowohl ein stabiles Flugverhalten aufweist, als auch bei einem Sprungstart dem Piloten keine großen Handkräfte abverlangt.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft einen Tragschrauber mit einer Hauptstruktur und einem Rotor, der gegenüber der Hauptstruktur um eine in einer Längsmittelebene des Tragschraubers verlaufende Rotorachse drehbar gelagert ist. Der Tragschrauber weist außerdem eine senkrecht zu der Längsmittelebene verlaufende Nickachse auf, um die die Rotorachse gegenüber der Hauptstruktur des Tragschraubers verschwenkbar ist. Der Tragschrauber weist eine erste Betriebskonfiguration auf, in der die Nickachse in einem ersten Abstand x_R,f zu der Rotorachse verläuft, der mindestens 0,5 cm beträgt. Der Tragschrauber weist außerdem eine zweite Betriebskonfiguration auf, in der die Nickachse in einem zweiten Abstand x_R,j zu der Rotorachse verläuft, wobei der zweite Abstand x_R,j nicht mehr als 1/3 des ersten Abstands x_R,f beträgt (x_R,j ≤ x_R,f/3). Der zweite Abstand x_R,j kann dabei auch null sein.
Der Tragschrauber in der ersten Betriebskonfiguration entspricht den Tragschraubern des Stands der Technik, bei denen der Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse für einen stabilen Vorwärtsflug sorgt. Die zweite Betriebskonfiguration hingegen vermeidet oder verringert ein Drehmoment um die Nickachse, das nur während des Vorwärtsflugs des Tragschraubers durch andere am Tragschrauber wirkende Kräfte kompensiert wird, außerhalb des Vorwärtsflugs aber durch eine Handkraft des Piloten ausgeglichen werden muss - insbesondere dann, wenn der Tragschrauber einen Sprungstart vollführt.
Der erste Abstand kann sich von der Rotorachse in der Flugrichtung des Tragschraubers zu der Nickachse erstrecken. Dies entspricht einer gewöhnlichen Konfiguration bei Tragschraubern des Stands der Technik, bei denen die Nickachse gegenüber der Rotorachse in der Flugrichtung des Tragschraubers nach vorne versetzt ist. Wie oberhalb erläutert wurde, bewirkt dieser Versatz das stabile Flugverhalten des Tragschraubers im schnellen Vorwärtsflug, da dann die Gewichtskraft der Hauptstruktur ein Drehmoment auf den Rotor bewirkt, dass das durch aerodynamische Kräfte auf den Rotor bewirkte Drehmoment ausgleicht.
In der zweiten Betriebskonfiguration kann die Rotorachse die Nickachse kreuzen. Wenn die Rotorachse die Nickachse kreuzt, wird das durch die Rotorkraft bewirkte Drehmoment um die Nickachse zu null. Wenn die Rotorachse die Nickachse in der zweiten Betriebskonfiguration aber nicht kreuzt, wird dieses Drehmoment um die Nickachse beim Sprungstart gegenüber der ersten Betriebskonfiguration trotzdem geringer, so dass immer noch ein Vorteil erzielt wird.
Der erste Abstand x_R,f kann 0,5 bis 8 cm, 0,5 bis 5 cm, 0,5 bis 1,5 cm, 1,5 bis 2,5 cm, 2,5 bis 3 cm, 1 bis 3 cm, 3 bis 5 cm oder 3 bis 8 cm betragen. Der erste Abstand x_R,f kann dabei so gewählt werden, dass für eine gegebene Masse, die der Tragschrauber aufweist, gerade ein stabiler Vorwärtsflug ermöglicht wird, wobei gegebenenfalls mögliche Fluggeschwindigkeiten des Tragschraubers mit berücksichtigt werden können.
Ein dritter Abstand zwischen der Rotorebene des Rotors und der Nickachse kann zwischen 10 und 40 cm betragen. Der dritte Abstand kann auch 10 bis 30 cm, 10 bis 15 cm, 10 bis 20 cm, 22 bis 30 cm oder 25 bis 40 cm betragen. Die Rotorebene soll dabei die Ebene bezeichnen, in der Rotorblätter an einen Rotorschaft des Rotors angesetzt sind, der um die Rotorachse drehbar ist. Somit ist die Rotorebene die Ebene, in der die Rotorblätter um die Rotorachse umliefen, wenn die Rotorblätter in einem rechten Winkel zu der Rotorachse ausgerichtet wären. Die Rotorblätter können aber, wie bei Tragschraubern des Stands der Technik üblich, in einem von 90° abweichenden Winkel an den Rotorschaft ansetzt sein, beispielsweise so, dass sie einen nach oben, also von der Hauptstruktur weg, offenen Konus beschreiben. Blattspitzen der Rotorblätter laufen dann in einer weiteren, zu der Rotorebene parallelen, Blattspitzenebene um den Rotorschaft um.
Die Nickachse kann durch einen Bolzen, einen sogenannten Pitch-Pivot Bolt, an der Hauptstruktur festgelegt sein. Um den Pitch-Pivot Bolt kann ein Hebelelement gegenüber der Hauptstruktur schwenkbar gelagert sein, wobei ein Drehlager des Rotors entlang des Hebelelements verschiebbar oder versetzbar ist, wobei ein Winkel zwischen dem Hebelelement und der Rotorachse fest bleibt. Entscheidend ist aber lediglich, dass die Nickachse und die Rotorachse zwischen der ersten und der zweiten Betriebskonfiguration gegeneinander versetzt oder verschoben werden (d. h. x_R,j = x_R,f, x_R,j < x_R,f).
Der Tragschrauber kann auch noch weitere Betriebskonfigurationen aufweisen, in denen die Nickachse in anderen Abständen zu der Rotorachse verläuft, die größer als der zweite Abstand sind. Beispielsweise können entlang einer Verschiebevorrichtung für die Rotorachse und/oder die Nickachse mehrere Rastpositionen vorgesehen sein. Dadurch kann der Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse situationsabhängig angepasst werden, wobei diese Anpassung über die Unterscheidung in (Vorwärts-)Flug und Sprungstart hinaus gehen kann. Beispielsweise kann der Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse an verschiedene Flugsituationen und insbesondere verschiedene Fluggeschwindigkeiten und/oder die sich mit seiner Beladung ändernde Masse des Tragschraubers angepasst werden. Er kann auch den unterschiedlichen Anforderungen eines Sprungstarts und eines Rollstarts angepasst werden, sodass derselbe Tragschrauber sowohl für den Sprungstart als auch für den Rollstart ideal konfiguriert werden kann.
Der Übergang von der zweiten Betriebsposition zu der ersten Betriebsposition kann bezüglich des Abstands zwischen der Nickachse und der Rotorachse stufenlos sein. Dies entspricht einer unendlichen Anzahl von weiteren Betriebskonfigurationen, in denen die Rotorachse in Abständen zu der Nickachse verläuft, die größer als der zweite Abstand sind. Hierdurch ist eine besonders feine Einstellung und Anpassung des Abstands zwischen der Nickachse und der Rotorachse möglich.
Der Tragschrauber kann einen Aktuator zum Ändern des Abstands zwischen der Nickachse und der Rotorachse und eine Steuereinheit aufweisen, die den Aktuator abhängig von einem Flugzustand des Tragschraubers automatisch auf das Ändern des Abstands ansteuert. Die Steuereinheit kann somit den Tragschrauber zum Beispiel automatisch zu seinem Sprungstart in die zweite Betriebskonfiguration und in seinem Vorwärtsflug in die erste Betriebskonfiguration bringen.
Beispielsweise kann der Tragschrauber automatisch in die zweite Betriebskonfiguration gebracht werden, wenn er sich am Boden befindet, was beispielsweise durch fehlende oder geringere Anströmung des Rotors durch die Steuereinheit selbst oder eine vorgeschaltete Einheit festgestellt werden kann oder indem die Steuereinheit oder die vorgeschaltete Einheit ermittelt oder übermittelt bekommt, dass der Rotor (zur Vorbereitung des Sprungstarts) auf eine hohe Drehzahl vorrotiert wird. Der Tragschrauber wird für seinen Sprungstart in der zweiten Betriebskonfiguration belassen und wird dann automatisch in die erste Betriebskonfiguration gebracht, sobald er sich im Vorwärtsflug befindet, was beispielsweise festgestellt werden kann, indem die Steuereinheit oder die vorgeschaltete Einheit ermittelt oder übermittelt bekommt, dass sich der Rotor, ohne angetrieben zu werden, in Rotation befindet - ermittelt etwa durch einen Drehzahlsensor und/oder durch Detektion einer Anströmung. Die Steuereinheit kann auch vordefinierte Abläufe ausführen. So kann etwa die Steuereinheit sowohl den Ablauf „Sprungstart“ als auch den Ablauf „Rollstart“ vorsehen, wobei der Tragschrauber beim „Sprungstart“ in die zweite Betriebskonfiguration gebracht wird und beispielsweise der Rotor in die notwendige Vorrotation versetzt wird, während der Ablauf „Rollstart“ einen Start mit dem Tragschrauber in der ersten Betriebskonfiguration und mit verminderter Vorrotation des Rotors vorsehen kann.
In dieser Weise kann das Einstellen des Abstands teilweise oder völlig aus dem Einfluss des Piloten des Tragschraubers hinausgenommen werden. Hierdurch können beispielsweise menschliche Fehler ausgeschlossen werden, die dazu führen könnten, dass der Pilot nach dem Start des Tragschraubers vergisst, den Tragschrauber in die erste Betriebskonfiguration zu bringen, so dass der Vorwärtsflug instabil wird oder umgekehrt versucht, den Tragschrauber in der ersten Betriebskonfiguration zum Sprungstart einzusetzen, was eine unerwartet hohe Handkraft am Steuerknüppel zur Folge hätte und folglich zu Unfällen führen könnte.
Der Tragschrauber kann eine Führungsschiene aufweisen, entlang derer das die Lage der Rotorachse definierende Drehlager des Rotors verschiebbar ist. Die Führungsschiene kann also an dem Hebelelement angeordnet sein, das um den Pitch-Pivot Bolt schwenkbar ist. Sie kann über die gesamte Länge des Hebelelements oder nur einen Teil davon verlaufen. Bei ausreichend stabiler Ausbildung kann auch die Führungsschiene selbst das Hebelelement bilden. Im einfachsten Fall weist die Führungsschiene eine oder mehrere Nuten auf, in denen Nasen oder Federn geführt sind, die an dem Drehlager oder einem das Drehlager tragenden Bauteil befestigt oder ausgebildet sind. Umgekehrt kann auch die Führungsschiene die Nasen oder Federn und das Drehlager oder Drehlagerelement die Nuten aufweisen. Alle anderen zur Parallelführung geeigneten Systeme, wie in Nuten oder entlang von Federn geführte Räder, eignen sich ebenso.
Eine solche Führungsschiene gewährleistet, dass das Einstellen des Abstands zwischen der Rotorachse und der Nickachse keine weiteren Parameter des Tragschraubers beeinflusst, wie zum Beispiel den Abstand zwischen der Rotorebene und der Nickachse. Eine Führungsschiene ist darüber hinaus nicht nur mechanisch einfach umzusetzen, sondern auch an einem vorhandenen Tragschrauber ohne Umbauten der Hauptstruktur nachrüstbar. Wenn beispielsweise bereits ein Hebelelement vorhanden ist, muss lediglich das Drehlager des Rotors von diesem gelöst werden, die Führungsschiene an dem Hebelelement nachgerüstet oder das Hebelelement ausgetauscht werden und das Drehlager direkt oder indirekt verschieblich an der Führungsschiene gelagert oder gegen ein für eine solche verschiebliche Lagerung geeignetes Drehlager ausgetauscht werden.
Die Führungsschiene kann sowohl stufenlos ausgebildet sein als auch mehrere definierte Positionen für das Drehlager des Rotors beispielsweise über Rastpositionen vorgeben, so dass die Nickachse und die Rotorachse vorgegebene Abstände einnehmen können.
Der Tragschrauber kann eine an dem Hebelelement drehbar gelagerte Gewindespindel aufweisen, auf der ein Gewindeläufer angeordnet ist, an welchem das die Lage der Rotorachse definierende Drehlager befestigt ist. Der auf der Gewindespindel gelagerte Gewindeläufer kann durch die Führungsschiene verschieblich geführt, aber an Drehungen um die Gewindespindel gehindert sein, während die Spindel drehbar, aber nicht verschieblich, d. h. ortsfest ist. In dieser Weise kann durch Drehen der Gewindespindel eine Position des Drehlagers des Rotors entlang der Gewindespindel eingestellt werden. Die Gewindespindel kann dann selbst Teil des Aktuators sein, mit dem der Abstand der Nickachse von der Rotorachse verstellbar ist oder durch den Aktuator verdreht werden.
Der Tragschrauber kann mittels der Steuereinrichtung oder von seinem Piloten derart verwendet werden, dass der Tragschrauber für einen Sprungstart in die zweite Betriebskonfiguration und nach seinem Sprungstart im Flug in die erste Betriebskonfiguration gebracht wird. In dieser Weise wird sowohl für den Sprungstart als auch im Flug des Tragschraubers jeweils optimale Steuerbarkeit des Tragschraubers erreicht.
Im Flug des Tragschraubers kann der Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse mit der Fluggeschwindigkeit des Tragschraubers erhöht werden. Dies kann sowohl stufenlos als auch in diskreten Schritten geschehen und sowohl durch den Piloten als auch durch die Steuereinrichtung vorgenommen werden. In dieser Weise kann die Konfiguration des Tragschraubers immer so an die Fluggeschwindigkeit angepasst werden, dass eine optimale Steuerbarkeit des Tragschraubers für jede Geschwindigkeit gegeben ist. Insbesondere kann der Abstand mit der zunehmender Fluggeschwindigkeit des Tragschraubers vergrößert werden.
Im Flug des Tragschraubers kann der Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse auch variiert werden, um den Tragschrauber um die Nickachse zu trimmen. In dieser Weise kann die Einstellung des Abstands weitere Maßnahmen zur Trimmung und evtl. zur Trimmung notwendige Vorrichtungen an dem Tragschrauber ersetzen, und somit seinen Aufbau und seinen Betrieb vereinfachen.
Der Abstand zwischen der Nickachse und der Rotorachse kann durch den Piloten des Tragschraubers festgelegt werden. Er kann aber auch abhängig von einem Flugzustand des Tragschraubers automatisch eingestellt werden. Beide Möglichkeiten können sich auch ergänzen, indem beispielsweise grundlegende Einstellungen wie das Überführen des Tragschraubers aus der zweiten Betriebskonfiguration in die erste Betriebskonfiguration nach dem Start automatisch vorgenommen werden, während der Pilot eine Feinabstimmung des Abstands, beispielsweise auch für das Trimmen oder angepasst an die Fluggeschwindigkeit des Tragschraubers vornehmen kann. Grundsätzlich können alle Einstellungen des Abstands automatisch vorgenommen werden, während dem Piloten eine Nachstellmöglichkeit bleibt. Es ist auch möglich, dass der Pilot frei wählen kann, wann er den Abstand selbst festlegen möchte.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Aktuator die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Aktuator, zwei Aktuatoren oder mehr Aktuatoren vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Tragschrauber in einer ersten Betriebskonfiguration.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Tragschrauber in einer zweiten Betriebskonfiguration.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Tragschrauber in einer weiteren möglichen Ausführung der ersten oder zweiten Betriebskonfiguration.
4 ist eine Detailansicht eines Rotors des erfindungsgemäßen Tragschraubers.
5 ist eine Detailansicht einer Führungsschiene mit einer Gewindespindel zur Verschiebung eines Drehlagers; und
6 ist ein Ablaufdiagramm einer erfindungsgemäßen Verwendung des erfindungsgemäßen Tragschraubers.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Tragschrauber 1 zum Vorwärtsflug in einer Flugrichtung 15. (Die „Flugrichtung“ 15 des Tragschraubers ist durch die Gestaltung des Tragschraubers 1 selbst vorgegeben - vom Heck in Richtung Nase - und ist somit auch definiert, wenn sich der Tragschrauber 1 am Boden befindet.) Der Tragschrauber 1 weist eine Hauptstruktur 4 und einen Rotor 2 auf. Der Rotor 2 weist an eine Rotornabe oder einen Rotorschaft 17 angesetzte Rotorblätter 30 auf. Der Rotorschaft 17 ist in einem Drehlager 12 gegenüber der Hauptstruktur 4 um eine Rotorachse 3 drehbar gelagert. Der Rotor 2 rotiert in einer Rotorebene 9. Dabei bezeichnet die Rotorebene 9 die Ebene, in der der Rotor 2 rotiert, wenn die Rotorblätter 30 senkrecht zu der Rotorachse 3 ausgerichtet sind. Im Vorwärtsflug wird der Tragschrauber durch einen an der Hauptstruktur angeordneten horizontalen Antrieb, hier einen Propeller 31 angetrieben, während der sich in Autorotation befindliche Rotor 2 für den nötigen Auftrieb sorgt.
Der Tragschrauber 1 weist außerdem eine Nickachse 5 auf. Die Nickachse 5 verläuft quer zu einer Längsmittelebene des Tragschraubers 1, die senkrecht zu der Blickrichtung von 1 ausgerichtet ist. Um die Nickachse 5 sind der Rotor 2 und die Hauptstruktur 4 gegeneinander verschwenkbar aneinander gelagert. Der schematischen Ansicht der 1 nicht unmittelbar zu entnehmen ist, dass die Nickachse 5 durch einen Pitch-Pivot Bolt gebildet sein kann (vgl. 4), um den ein Hebelelement verschwenkbar ist, an welchem das Drehlager in fester Orientierung gelagert ist.
Gemäß 1 ist die Nickachse 5 gegenüber der Rotorachse 3 um einen ersten Abstand 7 in der Flugrichtung 15 versetzt. Der Tragschrauber befindet sich damit in einer ersten Betriebskonfiguration 6. Der Abstand 7 zwischen der Nickachse 5 und der Rotorachse 3 sorgt für eine Kompensation eines Drehmoments, das auf den Rotor 2 wirkt, wenn zwar eine auf die Hauptstruktur 4 wirkende Luftwiderstandskraft durch eine Vortriebskraft des Propellers 31 kompensiert wird, aber auf den Rotor 2 wirkende aerodynamische Kräfte und Momente unkompensiert bleiben. Durch den Abstand 7 bewirkt die Gewichtskraft des Tragschraubers 1 ein entgegengesetztes Drehmoment auf den Rotor 2, das proportional zu dem Abstand 7 ist. Durch geeignete Wahl des Abstands 7 können sich die Drehmomente genau ausgleichen. In diesem Fall verhält sich der Tragschrauber 1 im Vorwärtsflug besonders stabil. Das durch die Gewichtskraft bewirkte Drehmoment auf den Rotor 2 bleibt aber in Abwesenheit des Drehmoments auf den Rotor 2 aufgrund von aerodynamischen Kräften - so etwa bei einem Sprungstart des Tragschraubers 1 - unkompensiert. Damit überträgt es sich mechanisch auf einen Steuerknüppel 32 und muss dann durch eine Handkraft eines Piloten des Tragschraubers 1 ausgeglichen werden. Das Drehmoment und damit die Handkraft ist proportional zu dem ersten Abstand 7. Die Handkraft wird, da die Gewichtskraft des Tragschraubers sehr groß ist, schon bei einem geringen ersten Abstand 7 sehr groß und kann daher bei einem Sprungstart des Tragschraubers 1 durch den Piloten nicht oder nur sehr schwer ausgeglichen werden.
2 zeigt den Tragschrauber 1 in einer zweiten Betriebskonfiguration 10. Zwischen der Nickachse 5 und der Rotorachse 3 liegt ein zweiter Abstand 11 vor. Der zweite Abstand 11 ist kleiner als der erste Abstand 7. In 2 ist der zweite Abstand 11 gleich null. In der zweiten Betriebskonfiguration 10 gemäß 2 kreuzt somit die Nickachse 5 die Rotorachse 3.
Auch das durch die in Richtung der Rotorachse 3 wirkende Rotorkraft beim Sprungstart um die Nickachse 5 hervorgerufene Drehmoment ist in der zweiten Betriebskonfiguration 10 somit gleich null (2) oder zumindest kleiner als in der ersten Betriebskonfiguration 6. Damit zeigt der Tragschrauber 1 nicht das oberhalb beschriebene stabile Flugverhalten, es muss aber beim Sprungstart keine oder nur eine geringere Handkraft aufgewendet werden, um das Drehmoment um die Nickachse 5 zu kompensieren.
Da 1 und 2 den gleichen Tragschrauber 1 in verschiedenen Betriebskonfigurationen 6, 10 zeigen, ist zwischen den Betriebskonfigurationen 6 und 10 die Nickachse 5 mit der Hauptstruktur 4 gegenüber der Rotorachse 3 versetzt oder verschoben worden, oder anders betrachtet der ganze Rotor 2 gegenüber der Hauptstruktur 4 versetzt oder verschoben worden. Mit Hilfe dieses Versetzens oder Verschiebens ist der Tragschrauber 1 sowohl im Vorwärtsflug als auch beim Sprungstart besonders gut zu fliegen.
Ein Abstand 8 zwischen der Rotorebene 9 und der Nickachse 5 ist zwischen den 1 und 2 konstant. Es ist aber möglich, dass der Abstand 8 mit dem Übergang zwischen der ersten Betriebskonfiguration 6 und der zweiten Betriebskonfiguration 10 oder unabhängig von diesem variiert wird.
Je nachdem, welche Größe der erste Abstand 7 in der ersten Betriebskonfiguration 6 oder der zweite Abstand 11 in der zweiten Betriebskonfiguration 10 hatten, kann die 3 eine erste Betriebskonfiguration 6 oder eine zweite Betriebskonfiguration 10 zeigen. Sie kann auch eine weitere Betriebskonfiguration zeigen, bei der ergänzend zu einer gegebenen ersten Betriebskonfiguration 6 und zweiten Betriebskonfiguration 10 ein weiterer Abstand zwischen der Nickachse 5 und der Rotorachse 3 eingenommen wird.
Der Rotor 2 ist gegenüber der Hauptstruktur 4 verkippt, sodass die Rotorebene 9 nicht mehr in der Horizontalen bzw. parallel zu einer Grundebene des Tragschraubers (orthogonal zu der Längsmittelebene) verläuft. Dabei ist aber trotzdem zwischen der Rotorachse 3 und der Nickachse 5 ein weiterer Abstand, der erste Abstand 7 oder der zweiter Abstand 11 vorhanden.
Eine leichte, als positiver Anstellwinkel bezeichnete, Rückwärtsneigung des Rotors 2 gegenüber der Hauptstruktur 4 entgegen der Flugrichtung 15 nach hinten ist deswegen für Tragschrauber 1 üblich, weil der Rotor 2 nur dann in Autorotation gehalten wird, wenn er (leicht) von unten angeströmt wird. Eine Anströmung von oben bremst den Rotor 2 ab, sodass ein negativer Anstellwinkel den Tragschrauber 1 zum Absturz bringen kann. Durch die Veränderung des Anstellwinkels kann der Tragschrauber 1 gesteuert werden. 3 kann daher den Tragschrauber gemäß 1 und 2 zeigen, wenn sich der Tragschrauber 1 im Steigflug befindet.
4 zeigt eine Detailansicht des Rotors 2 und seiner Verbindung zu dem Tragschrauber 1. Dabei ist der Rotor 2 nicht wie zuvor als vollständig in der Rotorebene 9 liegend dargestellt, sondern mit einer Konfiguration, in der die Rotorblätter 30 einen nach oben (von der Hauptstruktur 4 abgewandt) offenen Konus beschreiben. Blattspitzen der Rotorblätter 30 rotieren somit in Ebenen, die zu der Rotorebene 9 parallel sind.
Lediglich skizzenhaft dargestellt ist hier eine gegenüber der (in 4 nicht dargestellten) Hauptstruktur 4 um die Rotorachse 3 drehbare und um die Nickachse 5 schwenkbare Lagerung des Rotorschafts 17 und somit des Rotors 2. Für die schwenkbare Lagerung um die Nickachse 5, ist ein Hebelelement 28 an einem Pitch-Pivot Bolt schwenkbar gelagert, an dem das Drehlager 12 für die drehbare Lagerung um die Rotorachse 3 in fester Orientierung vorgesehen ist. An seinem von der Nickachse 5 abgewandten Ende ist das Hebelelement 28 mit einem Hebelgestänge 29 versehen (hier unvollständig dargestellt), über das von dem Piloten des Tragschraubers gegenüber der Hauptstruktur 4 verschwenkt werden kann.
In 4 liegt wiederum der Abstand 7 zwischen der Rotorachse 3 und der Nickachse 5 und somit die erste Betriebskonfiguration vor.
5 zeigt in einer skizzenhaften Darstellung eine Ausführungsform einer Lagerung des Rotors 2, bei der der Abstand 7, 11 zwischen der Rotorachse 3 und der Nickachse 5 verändert werden kann, während die Nickachse 5 gegenüber der in 5 nicht dargestellten Hauptstruktur 4 festliegt. 5 zeigt dabei einen Blick auf die Lagerung längs der Rotorachse 3.
Das Drehlager 12, in dem der Rotorschaft 17 des in 5 nicht dargestellten Rotors 2 drehbar gelagert ist, ist an einem Gewindeläufer 16 befestigt, der seinerseits auf einer Gewindespindel 13 angeordnet und gleichzeitig durch eine Führungsschiene 14 gegen Verdrehen um die Gewindespindel 13 gesichert ist. Die Gewindespindel 13 ist an dem Hebelelement 28 gegenüber der Führungsschiene 14 nicht verschieblich, sondern lediglich drehbar gelagert. Durch Drehen der Gewindespindel 13 über einen Antrieb oder mittels eines Aktuators (nicht dargestellt), wird der Gewindeläufer 16 - und mit ihm die Rotorachse 3 - gegenüber der Nickachse 5 stufenlos entlang der Gewindespindel 13 verschoben. Jeder so eingestellte Abstand der Nickachse 5 von der Rotorachse 3 kann fixiert werden, indem die Drehbewegung der Gewindespindel 13 arretiert wird.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm einer erfindungsgemäßen Verwendung 18 des Tragschraubers 1.
In einem Schritt 19 wird der Tragschrauber 1 bereitgestellt. Der Tragschrauber 1 befindet sich zu diesem Zeitpunkt in der zweiten Betriebskonfiguration 11 oder wird in die zweite Betriebskonfiguration 11 gebracht. Spätestens am Ende von Schritt 19 ist also der zweite Abstand 11 der Rotorachse 3 von der Nickachse 5 null oder beträgt höchstens 1/3 des ersten Abstands 7. Während sich der Tragschrauber 1 in der zweiten Betriebskonfiguration 11 befindet, vollführt der Tragschrauber 1 einen Sprungstart in einem Schritt 20.
Anschließend an den Sprungstart (d. h. zu Beginn seines Flugs) wird der Tragschrauber 1 in einem Schritt 21 von der zweiten Betriebskonfiguration 11 in die erste Betriebskonfiguration 6 gebracht. Die Rotorachse 2 und die Nickachse 5 nehmen nun den ersten Abstand 7 ein, der größer ist als der zweite Abstand 11, mindestens dreimal so groß wie dieser.
In der ersten Betriebskonfiguration 6 kann nun in einem Schritt 22 ein stabiler Vorwärtsflug des Tragschraubers 1 ausgeführt werden. Dabei kann die erste Betriebskonfiguration 6 während des gesamten Flugs unverändert bleiben. Es ist aber auch möglich, dass während des Flugs weitere Betriebskonfigurationen angenommen werden (oder dass die erste Betriebskonfiguration 6 variiert wird). Beispielsweise kann in einem (optionalen) Schritt 23 der Abstand zwischen der Rotorachse 3 und der Nickachse 5 mit der Fluggeschwindigkeit erhöht werden (oder der Abstand 7 variiert werden). In einem (optionalen) Schritt 24 wird der Abstand 7 zwischen der Rotorachse 3 und der Nickachse 5 variiert, um den Tragschrauber 1 um die Nickachse 5 zu trimmen. Dabei können die Schritte 23 und 24 während des Flugs (Schritt 22) beliebig oft und in beliebiger Reihenfolge wiederholt werden.
Das Annehmen der ersten Betriebskonfiguration 6 in Schritt 21 und das optionale Variieren oder Annehmen weiterer Betriebskonfigurationen in den Schritten 23 und 24 können sowohl durch einen Piloten 26 des Tragschraubers als auch durch eine Steuereinheit 27, die etwa einen Aktuator (z. B. die Gewindespindel 13) ansteuert, der den Abstand zwischen der Rotorachse 3 und der Nickachse 5 variiert, vorgenommen werden. Möglich ist auch, dass der Pilot 26 und die Steuereinheit 27 zusammenwirken.
Schließlich kann der Tragschrauber 1 in einem Schritt 25 landen. Je nach Art des Tragschraubers 1 und den Gegebenheiten der Landung kann der Tragschrauber 1 dabei eine Punktlandung vollführen oder nach der Landung einige Meter rollen, bevor er zum Stillstand kommt. Während der Landung kann sich der Tragschrauber 1 noch in der ersten Betriebskonfiguration 6 befinden. Je nach Landeverfahren können auch alle anderen Betriebskonfigurationen gewählt werden. Der Tragschrauber 1 kann nach der Landung (durch den Piloten 26 oder die Steuereinheit 27) bereits unmittelbar wieder in die zweite Betriebskonfiguration 10 gebracht werden, um für den nächsten Sprungstart vorbereitet zu sein. Er kann aber auch in der ersten Betriebskonfiguration 6 bleiben und beim nächsten Bereitstellen (d. h. dem Schritt 19 in einem neuerlichen Durchlauf der Verwendung 18) in die zweite Betriebskonfiguration 10 gebracht werden.
Bezugszeichenliste

1: Tragschrauber
2: Rotor
3: Rotorachse
4: Hauptstruktur
5: Nickachse
6: Betriebskonfiguration
7: Abstand
8: Abstand
9: Rotorebene
10: Betriebskonfiguration
11: Abstand
12: Drehlager
13: Gewindespindel
14: Führungsschiene
15: Flugrichtung
16: Gewindeläufer
17: Rotorschaft
18: Verwendung
19-25: Schritt
26: Pilot
27: Steuereinheit
28: Hebelelement
29: Hebelgestänge
30: Rotorblatt
31: Propeller
32: Steuerknüppel

Claims

Tragschrauber (1) mit - einer Hauptstruktur (4), - einem Rotor (2), der gegenüber der Hauptstruktur (4) um eine in einer Längsmittelebene des Tragschraubers (1) verlaufende Rotorachse (3) drehbar gelagert ist, und - einer senkrecht zu der Längsmittelebene verlaufenden Nickachse (5), um die die Rotorachse (3) gegenüber der Hauptstruktur (4) des Tragschraubers (1) verschwenkbar ist, - wobei der Tragschrauber (1) eine erste Betriebskonfiguration (6) aufweist, in der die Nickachse (5) in einem ersten Abstand (7) zu der Rotorachse (3) verläuft, der mindestens 0,5 cm beträgt, und - wobei der Tragschrauber (1) eine zweite Betriebskonfiguration (10) aufweist, in der die Nickachse (5) in einem zweiten Abstand (11) zu der Rotorachse (3) verläuft, wobei der zweite Abstand (11) nicht mehr als 1/3 des ersten Abstands (7) beträgt.
Tragschrauber (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Abstand (7) von der Rotorachse (3) aus in der Flugrichtung (15) des Tragschraubers (1) zu der Nickachse (5) erstreckt.
Tragschrauber (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickachse (5) in der zweiten Betriebskonfiguration (11) die Rotorachse (3) kreuzt.
Tragschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (7) 0,5 bis 8 cm beträgt.
Tragschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Abstand (8) zwischen der Rotorebene (9) des Rotors (2) und der Nickachse (5) 10 bis 40 cm beträgt.
Tragschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickachse (5) gegenüber der Hauptstruktur (4) festliegt und die Rotorachse (3) gegenüber der Nickachse (5) verschiebbar ist.
Tragschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch weitere Betriebskonfigurationen des Tragschraubers, in denen die Nickachse (5) in anderen Abständen zu der Rotorachse (3) verläuft, die größer als der zweite Abstand (11) sind.
Tragschrauber (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang von der zweiten Betriebskonfiguration (10) zu der ersten Betriebskonfiguration (6) bezüglich des Abstandes zwischen der Nickachse (5) und der Rotorachse (3) stufenlos ist.
Tragschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Aktuator zum Ändern des Abstandes zwischen der Nickachse (5) und der Rotorachse (3) und eine Steuereinheit (27), die geeignet ausgebildet und angeschlossen ist, um den Aktuator abhängig von einem Flugzustand des Tragschraubers (1) automatisch auf das Ändern des Abstands anzusteuern.
Tragschrauber (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (27) geeignet ausgebildet ist, den Tragschrauber (1) zu einem Sprungstart des Tragschraubers (1) in die zweite Betriebskonfiguration (11) und im Flug des Tragschraubers in die erste Betriebskonfiguration (6) zu bringen.
Tragschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Führungsschiene (14), entlang derer ein die Lage der Rotorachse (3) definierendes Drehlager (12) des Rotors (2) verschiebbar ist.
Tragschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an der Hauptstruktur (4) drehbar gelagerte Gewindespindel (13), auf der ein Gewindeläufer (16) angeordnet ist, an welchem ein oder das die Lage der Rotorachse (3) definierende(s) Drehlager (12) des Rotors (2) befestigt ist.
Verwendung (18) eines Tragschraubers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Tragschrauber (1) für einen Sprungstart in die zweite Betriebskonfiguration (11) und - der Tragschrauber (1) nach seinem Sprungstart im Flug in die erste Betriebskonfiguration (6) gebracht wird.
Verwendung (18) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Flug des Tragschraubers (1) der Abstand zwischen der Nickachse (5) und der Rotorachse (3) mit der Fluggeschwindigkeit des Tragschraubers (1) erhöht wird.
Verwendung (18) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Flug des Tragschraubers (1) der Abstand zwischen der Nickachse (5) und der Rotorachse (3) variiert wird, um den Tragschrauber (1) um die Nickachse (5) zu trimmen.
Verwendung (18) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Nickachse (5) und der Rotorachse (3) durch einen Piloten (26) des Tragschraubers (1) festgelegt wird.
Verwendung (18) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Nickachse (5) und der Rotorachse (3) abhängig von einem Flugzustand des Tragschraubers (1) automatisch eingestellt wird.