DE4417144A1 - Rotor mit Tangentialantrieb zur Auftriebserzeugung an Flugzeugen - Google Patents

Description

STAND DER TECHNIK

Drehflügler besitzen gegenüber Flugzeugen mit starren Tragflügel den Vorteil, daß die zur Überwindung der Schwer­ kraft zur Verfügung stehende Triebwerksleistung nur einem Bruchteil der Gewichtskraft entsprechen muß. Zur Auftriebs­ erzeugung muß bei ihnen nicht die Gesamtmasse des Flugzeugs sondern nur die Masse der Drehflügel beschleunigt werden. Die bisher zur Auftriebserzeugung an Flugzeugen gebauten Rotoren haben den gemeinsamen Nachteil, daß der Kräfte­ ausgleich zwischen Gewichtskraft und Auftriebskraft immer über einen zentralen Rotorkopf erfolgt, dessen geometrische Ausdehnung wesentlich kleiner als die Rotorkreisfläche ist und dessen mechanische Belastbarkeit nur relativ kleine Drehflügelflächen zuläßt.

Dabei haben die Bauformen, welche die Drehbewegung der Trag­ flächen mittels tangential angreifender Kräfte bewirken, den Vorteil, daß sie den Umweg der Antriebskraft über Getriebe, Achse und Rotorkopf vermeiden und durch Wegfall der Torsionskräfte eine Steigerung der Auftriebskraft er­ möglichen. Aber auch diese Bauformen sind nicht geeignet für den schnellen Massentransport über weite Strecken, da ihr Widerstandsbeiwert für den Geradeausflug zu groß und der Aufwand für eine aerodynamische Anpassung anscheinend zu teuer ist. Entsprechend konstruierte Verwandlungs­ flugzeuge konnten sich jedenfalls nicht am Markt behaupten.

PROBLEMSTELLUNG

Mit der hier offenbarten Erfindung sollen folgende Probleme gelöst werden:
Der Vorteil des Hubschraubers, bei verhältnismäßig geringer Triebwerksleistung Start und Landung senkrecht durchführen zu können soll mit der Fähigkeit des Tragflächenflugzeugs zum schnellen Geradeausflug zu einer neuen Bauart vereinigt werden. Der Einsatz elektrischer Antriebe sollte zugunsten einer Verringerung der Schadstoff- und Geräusch- Emission gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren bevorzugt in Betracht gezogen werden.

Die LÖSUNG

könnte in der nach Anspruch 1 bis 4 definierten Ausführung eines Ringrotors liegen, dessen Vorteil darin zu sehen ist, daß bei ihm die notwendige Rotorblattfläche auf viele Einzelflächen verteilt und im Unterschied zu bisherigen tangential angetriebenen Rotoren der Kräfteausgleich zwi­ schen den auftretenden Kräften nicht mehr über das Zentrum erfolgt sondern entlang einer großen Wirklinie verteilt verteilt werden kann.

Die Mindestausdehnung des Ringrotors ist dabei durch die mechanische Belastbarkeit der Materialien abhängig und durch die Gesetzmäßigkeit der proportionalen Fliehkraft­ abnahme mit zunehmender Entfernung vom Rotationszentrum.

Der beim konventionellen Rotor vorhandene ungünstige Luft­ widerstand während des Geradeausflugs wird beim Ring-Rotor nicht im gleichen Ausmaß wirksam, da die Rotorflächen im Verhältnis zur gesamten Tragfläche besonders bei Ausgestal­ tung der Erfindung nach Anspruch 2 eine untergeordnete Rolle spielen.

Um die benötigte Rotorfläche klein zu halten, muß der Ring- Rotor auf die maximal zulässige Umlaufgeschwindigkeit be­ schleunigt werden (evtl. Schallgeschwindigkeit ?). Dabei dürfte eine mechanische Kraftkopplung über Getriebe und herkömmliche Lager versagen. Eine Lösung für dieses neue Problem könnte die elektromagnetische Lagerung sein, wie sie bei der Magnetschwebebahn zur Anwendung kommt, wobei sich die Erwägung eines elektromotorischen Antriebs anbietet, der auch die Antriebstechnik der Magnet­ schwebebahn übernimmt, adaptiert auf die in Anspruch 3 definierte Bauart.

Die notwendige elektrische Energie kann in einem Kombi­ nationstriebwerk erzeugt werden, welches für den Geradeaus­ flug als Schubtriebwerk umfunktioniert wird. (Der Ring- Rotor soll während des Geradeausflugs antriebslos sein) Alternativ zum elektrischen Antrieb könnte der Antrieb über tangential wirkende Staustrahltriebwerke diskutiert werden, analog zum Reaktionsantrieb bei Hubschraubern. Min­ destens die für den Start benötigten Treibstoffvorräte müßten dann in mitrotierenden Tanks untergebracht sein, welche man während des Geradeausflugs notfalls wieder für den Bedarf der Landung, die auch wieder senkrecht und mit Hilfe des Ring-Rotors durchgeführt werden soll, nachbetanken kann. Dieser Lösungsansatz soll hier nicht weiter erörtert werden. Statt dessen soll ein Gleichstrom-Antrieb gemäß Anspruch 4 nachfolgend beschrieben werden, von dem eine effizientere Beschleunigung als vom Wechselstromantrieb erwartet wird:
Der Rotor-Ring sei an der Außenseite einer Ringscheibe befestigt, die in den horizontalen Luftspalt eines Stators eintaucht, der entlang des Randes der in Anspruch 1 erwähn­ ten Kreisfläche angeordnet ist. Der Stator liefert ein senkrechtes, homogenes Magnetfeld, welches die Ring­ scheibe orthogonal, beispielsweise von oben nach unten durchdringt, zeitlich konstant ist und entlang des Umfangs keine Schwächung aufweist.

Die Ringscheibe hat die Funktion des Läufers und ist, in Umlaufrichtung gesehen, fortlaufend abwechselnd mit Leiterstäben und Spulen bepackt, die jeweils radial ausge­ richtet sind. Die geraden Leiterstäbe führen den Läufer­ gleichstrom beispielsweise von außen nach innen während die Rückführung in den Außenbereich von den Spulen besorgt wird. Auf die geraden Leiterstäbe wirkt unter dem Einfluß des Stator-Magnetfeldes die Lorentz-Kraft mit dem Resultat einer tangentialen Beschleunigung, während auf die Spulen keine Kraftwirkung durch das Statorfeld er­ folgen soll. Eine weitgehende Neutralität des magnetischen Verhaltens dieser Rückleiterspulen sollte durch die Anwen­ dung zweier gegensinniger Wicklungen in einer Spule etwa durch Umkehr des Wicklungssinns auf halber Baulänge zu erreichen sein, wobei vor allem das Entstehen einer tangentialen Bremskraft verhindert werden muß.

Da entlang des Umlaufweges überall gleiche Bedingungen vor­ liegen, ist somit eine Umlaufwegkonstante Tangentialbe­ schleunigung zu erreichen, deren Stärke über das Statorfeld und den Läuferstrom geregelt werden kann und nur durch die induzierte Gegenspannung und mechanische Widerstände wie dem Luftwiderstand der Rotorblätter gebremst wird. Den benö­ tigten Gleichstrom können grundsätzlich alle Stromquellen liefern, die auch zur Versorgung des Antriebs von Elektro­ kraftfahrzeugen geeignet sind, wobei solche Systeme beson­ ders geeignet erscheinen, die relativ leicht sind und durch Umschalten des Rotors in den Generatorbetrieb nach der Start- bzw. Lande-Phase eine Rückumwandlung von elektr. En­ ergie in elektrochemische Speicherenergie zulassen.

Die Einbindung eines Ring-Rotors nach Anspruch 1 in ein flugtaugliches Gesamtkonzept könnte so aussehen, daß dort, wo schwerste Lasten auf rel. kurzen Entfernungen transportiert werden sollen, die Ausgestaltung nach Anspruch 2 nicht er­ folgen muß, sondern der Kreisinhalt weitgehend leer bleibt und die Konstruktion sich auf eine Versteifung der Ring­ struktur beschränkt, von der aus die Verbindung zu einer tiefer liegenden Lastaufnahmevorrichtung hergestellt wird. Für den Einsatz als schnelles Verkehrsflugzeug erfolgt die Ausgestaltung nach Anspruch 2, die zweckmäßig so aussieht, daß der Rumpf auch wieder den Kreis als Grundform besitzt, und über einen großzügigen Verbindungsteil im Zentrum des Kreisflügels nach Anspruch 2 mit diesem verbunden ist, wobei der Kreisflügel Teile der Rumpf-Funktion übernehmen kann und der Rumpf wiederum tragflächenartig profiliert wird und mit dem oberen Kreisflügel optisch zu einer Einheit ver­ schmilzt.

Der Schwerpunkt des Gesamtflugzeugs sollte so gewählt wer­ den, daß bei Start und Landung ein selbsttätiges Einpendeln in die Horizontale erfolgt.

Die zum Vortrieb bestimmten Triebwerke sollen, wenn möglich elektrisch arbeiten, um für alle Flugphasen einen umwelt­ freundlichen Antrieb zu gewährleisten.

Das Landegestell soll so beschaffen sein, daß es wie bei an­ deren Flugzeugen üblich eingezogen werden kann und eine Landung auch auf natürlichem Gelände zuläßt, um eine Ent­ flechtung des Flugverkehrs zu ermöglichen.

Claims (6)

1. Rotor mit Tangential-Antrieb zur Auftriebserzeugung an Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Kreisfläche, die nicht Bestandteil des Rotors ist, ein Ringsystem umläuft mit radial nach außen gerich­ teten Rotorblättern (kurz "Ring-Rotor").

2. Kreisflügel mit umlaufendem Ring-Rotor nach Anspruch 1, dessen Kreisfläche vollständig oder teilweise mit Tragflächen ausgefüllt ist, die für den Geradeausflug in eine bestimmte Vorzugsrichtung profiliert sind.

3. Ring-Rotor nach Anspruch 1, bei dem der Antrieb ent­ lang des Umfangs des Kreisflügels nach Anspruch 2 elektromotorisch über eine Ringscheibe erfolgt, die als Läufer fungiert und in Wechselwirkung mit dem Magnet­ feld eines Stators eine tangentiale Beschleunigung erfährt.

4. Gleichstrom-Motor, der die allgemeine Bauart nach Anspruch 3 aufweist mit der Besonderheit, daß

• - in die Ringscheibe radial ausgerichtete Spulen einge­ bettet sind, die den Läuferstrom magnetisch neutral in die Ausgangszone zurückleiten und so
• - entlang des Umfangs eine konstante Wechselwirkung zwischen den gleichstromdurchflossenen radialen Läufer­ stäben der Ringscheibe mit einem homogenen Stator-Magnetfeld erfolgen kann ohne daß die Stromrichtung durch Kommutatoren ge­ ändert werden muß.

5. Gleichstrom-Motor nach Anspruch 4, adaptiert an andere Anwendungen, abgeleitet aus der beschriebenen Bauart

• - durch Streckung in eine lineare Form oder
• - durch Kippung der Ringscheibe samt Stator zur Zylinderform oder zu einer innenliegenden Ringscheibe oder dazwischen liegende geometrische Anordnungen.

6. Gleichstromgeneratoren, die sich durch Umkehrung des Motorprinzips zum Generatorprinzip aus den nach den Ansprüchen 4 oder 5 beschriebenen Motor­ bauarten ableiten lassen.