DE102008014404B4

DE102008014404B4 - Unbemanntes Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008014404B4
Application number: DE102008014404A
Authority: DE
Inventors: Tim Moser; Lars Zander
Original assignee: SWISS UAV GmbH
Current assignee: Ums Skeldar Ag Ch
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2028-03-15
Also published as: DE102008014404A1

Abstract

Unbemanntes Luftfahrzeug mit einem Hybrid-Antrieb, wobei ein Brennstoffmotor (20) einen Generator (30) zur Stromerzeugung antreibt, und der Strom aus dem Generator mit einem Gleichrichter (32) gleichgerichtet wird, und der Strom einen als Primärantrieb fungierenden Elektromotor (42) und Pufferbatterien (40) speist, wobei der Elektromotor (42) auch mit Strom aus den Pufferbatterien (40) gespeist werden kann, wobei der Strom aus dem Gleichrichter über eine Antriebssteuereinheit (54) dem Elektromotor (42) zugeführt wird, wobei über die Antriebssteuereinheit (54) auch Strom aus den Pufferbatterien (40) dem Elektromotor (42) zugeführt werden kann, und die Antriebssteuereinheit (54) die Stromeinspeisung in den Elektromotor (42) und die Pufferbatterien (40) sowie die Umschaltung auf Speisung des Elektromotors (42) mit Strom aus den Pufferbatterien (42) steuert, und der Antrieb derart gesteuert ist, daß bei einem Ausfall des Brennstoffmotors (20) der Elektromotor (42) mit Strom aus den Pufferbatterien (42) betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft unbemannte Luftfahrzeuge, insbesondere solche, die senkrecht starten und Fanden, insbesondere unbemannte Hubschrauber. Derartige Luftfahrzeuge haben ein Abfluggewicht von bis zu ca. 100 kg und werden beispielsweise zum Transport von Meß- und Beobachtungsgeräten eingesetzt, insbesondere in Situationen, in denen der Einsatz von bemannten Luftfahrzeugen bzw. Hubschraubern zu gefährlich erscheint.
Vorbekannte Luftfahrzeuge dieser Art sind mit Antrieben ausgestattet, die über keinerlei Redundanz verfügen. Ein Ausfall des Antriebs führt bei diesen Luftfahrzeugen unweigerlich zum Absturz, was einerseits mit einem Verlust des Fluggeräts samt Beladung und andererseits mit einem erheblichen Sicherheitsrisiko verbunden ist.
Aus der WO 02/053403 A2 ist eine Motoranordnung unter anderem für Luftfahrzeuge bekannt, bei der eine Hauptantriebswelle von mehreren unabhängigen Motoreinheiten angetrieben ist. Die unabhängigen Motoreinheiten umfassen sowohl Brennstoffmotoren als auch Elektromotoren, die direkt bzw. parallel auf die Hauptantriebswelle wirken.
Die DE 195 25 267 C2 beschreibt einen Antrieb mit einer Wärmekraftmaschine mit Generator und nachgeschaltetem Elektromotor und einer Batterie als kurzzeitigem Zwischenspeicher für überschüssige Generatoren- oder Bremsenergie. Dieser Antrieb weist keine Notkapazität bei Ausfall des Wärmekraftmaschine auf.
Die US 2003/0075643 A1 beschreibt ein Luftfahrzeug mit einem Hybridantrieb, wobei Strom mit einer Brennstoffzelle erzeugt und einem elektrischem Primärantrieb zugeführt wird. Das Luftfahrzeug verfügt auch über Batterien zur Speicherung von elektrischer Energie. Die Brennstoffzelle ist allerdings technisch aufwendig.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb für Luftfahrzeuge der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere eine höhere Ausfallsicherheit bietet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Luftfahrzeug nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist der Antrieb als Hybrid-Antrieb ausgestaltet, der einen Brennstoffmotor mit einem Elektromotor kombiniert. Mit dem Brennstoffmotor wird ein Generator angetrieben, der Strom erzeugt. Dieser Strom wird in einen Elektromotor gespeist, der als Primärantrieb des Luftfahrzeugs fungiert, also diejenigen Komponenten antreibt, die für den Vortrieb gegenüber der Luft sorgen, z. B. die Rotorblätter bei einem Hubschrauber oder die Propeller bei einem Propellerflugzeug. Des weiteren wird der Strom aus dem Generator auch in Pufferbatterien gespeist. Die Speisung der Pufferbatterien kann gleichzeitig mit der Speisung des Elektromotors erfolgen, oder auch dann, wenn kein Strom in den Elektromotor gespeist wird. Darüber hinaus ist der Antrieb so ausgestaltet, daß der Elektromotor aus den Pufferbatterien gespeist bzw. mit Strom aus den Pufferbatterien betrieben werden kann. Diese Betriebart wird vorzugsweise dann gewählt, wenn der Brennstoffmotor ausfällt. Geeigneter Weise wird die Speicherkapazität der Pufferbatterien derart ausgestaltet, daß stets ein sicheres Landen des Luftfahrzeuges gewährleistet ist. Vorteilhafterweise werden die Batterien so ausgelegt, daß die Restflugzeit ca. 15 Minuten beträgt, was in der Regel ausreicht, um das Luftfahrzeug sicher zu laden.
Der vom Generator erzeugte Strom wird mit einem Gleichrichter gleich gerichtet. Der Antrieb wird von einer Antriebssteuereinheit gesteuert. Diese steuert die Stromeinspeisung in Elektromotor und Pufferbatterien, sowie die Umschaltung auf Speisung des Elektromotors mit Strom aus den Pufferbatterien.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem unbemannten Luftfahrzeug um ein Luftfahrzeug, das senkrecht starten und landet, insbesondere um einen unbemannten Hubschrauber. Bei derartigen Luftfahrzeugen kommen die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen, da diese bei einem etwaigen Antriebsausfall ihren Flug nicht als Gleit-/Segelflug fortsetzen, sondern mehr oder weniger senkrecht abstürzen.
Als Brennstoffmotor, der den Generator antreibt, kann jeder Motor verwendet werden, der mit der Verbrennung eines Kraftstoffes arbeitet, z. B. Verbrennungsmotoren mit Zylindern oder auch Verbrennungsturbinen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als Brennstoffmotor eine Wellenleistungs-Turbine verwendet. Derartige Wellenleistungs-Turbinen zeichnen sich durch eine hohe Laufruhe aus und vermeiden damit Vibrationen, die feinfühlige Sensoren an Bord des Luftfahrzeuges beeinträchtigen könnten.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der 1 erläutert. Dabei zeigt:
1: Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Antriebes.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt der erfindungsgemäße Antrieb einen Kraftstofftank 10. Aus dem Kraftstofftank 10 wird der Kraftstoff mittels einer Pumpe 12 über ein oder mehrere Ventile 14, 15 der Wellenleistungs-Turbine 20 zugeführt. Kraftstoffpumpe 12, Ventile 14 und 15 und Wellenleistungs-Turbine 20 werden über eine erste Antriebssteuereinheit 52, die von einer Controller-Einheit 50 gesteuert wird, gesteuert. Die Wellenleistungs-Turbine 20 treibt über eine Kupplung 22 den Generator 30 an. Der mit dem Generator 30 erzeugte Strom wird mit dem Gleichrichter 32 gleichgerichtet. Der Strom aus dem Gleichrichter wird der Pufferbatterie 40 und über eine zweite Antriebssteuereinheit 54 dem als Primärantrieb fungierenden Elektromotor 42 zugeführt. Daneben kann auch Strom aus der Pufferbatterie 40 über die zweite Antriebssteuereinheit 54 dem Elektromotor 42 zugeführt werden. Die Zuführung des Stroms vom Gleichrichter zu den Pufferbatterien bzw. zum Elektromotor wird von der zweiten Antriebssteuereinheit gesteuert. Diese Steuerung erfolgt derart, daß die Pufferbatterien in geeigneten Betriebsphasen aufgeladen werden und bei einem Ausfall der Wellenleistungs-Turbine der Elektromotor mit Strom aus den Pufferbatterien gespeist wird.
Der Elektromotor treibt über eine Kupplung 60 und ein 90°-Getriebe 62 und eine Rotorwelle 64 den Hubschrauberrotor 66 an. Gleichermaßen wird ein nicht gezeigter Heck- bzw. Stabilisierungsrotor angetrieben.
Mit der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erreicht, daß ein Absturz wegen Antriebsausfall weitgehend vermieden werden kann, da ein Ausfall des als Primärantrieb fungierenden Elektromotors äußerst unwahrscheinlich ist.

Claims

Unbemanntes Luftfahrzeug mit einem Hybrid-Antrieb, wobei ein Brennstoffmotor (20) einen Generator (30) zur Stromerzeugung antreibt, und der Strom aus dem Generator mit einem Gleichrichter (32) gleichgerichtet wird, und der Strom einen als Primärantrieb fungierenden Elektromotor (42) und Pufferbatterien (40) speist, wobei der Elektromotor (42) auch mit Strom aus den Pufferbatterien (40) gespeist werden kann, wobei der Strom aus dem Gleichrichter über eine Antriebssteuereinheit (54) dem Elektromotor (42) zugeführt wird, wobei über die Antriebssteuereinheit (54) auch Strom aus den Pufferbatterien (40) dem Elektromotor (42) zugeführt werden kann, und die Antriebssteuereinheit (54) die Stromeinspeisung in den Elektromotor (42) und die Pufferbatterien (40) sowie die Umschaltung auf Speisung des Elektromotors (42) mit Strom aus den Pufferbatterien (42) steuert, und der Antrieb derart gesteuert ist, daß bei einem Ausfall des Brennstoffmotors (20) der Elektromotor (42) mit Strom aus den Pufferbatterien (42) betrieben wird.
Luftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Luftfahrzeug zum senkrechten Starten und Landen, insbesondere einen Hubschrauber, handelt.
Luftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffmotor eine Wellenleistungs-Turbine ist.