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Dokumentenidentifikation DE202005004698U9 12.01.2006
Titel Kollisionsschutzvorrichtung eines Hubschraubers
Anmelder Dolch, Stefan, Dipl.-Ing. (FH), 67061 Ludwigshafen, DE
DE-Aktenzeichen 202005004698
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 12.01.2006
Registration date 16.06.2005
Information on correction Berichtigung auf Seite 01 BIS 14 der Beschreibung
Application date from patent application 23.03.2005
IPC-Hauptklasse B64C 27/20(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Hubschrauber sind Drehflüglerfluggeräte mit wenigstens einem motorisch angetriebenen Rotor. Es gibt zahlreiche Ausführungsformen mit unterschiedlich vielen Rotoren in verschiedenen Anordnungen. Auch bei der Steuerung von Hubschraubern gibt es eine große Vielfalt an technischen Lösungen.

Die Entwicklung kleiner, elektrisch angetriebener Hubschrauber ist in den letzten Jahren stetig vorangeschritten, forciert durch immer bessere elektrische Energiespeicher mit immer höherer Energie- und Leistungsdichte.

Für große (bemannte) Hubschrauber ist der Elektroantrieb wirtschaftlich jedoch derzeit noch kaum interessant. Die Anforderungen an Nutzlast und Reichweite können mit den heute verfügbaren, elektrischen Energiespeichern noch nicht befriedigend gelöst werden, auch wegen hoher Kosten.

Nutzanwendungen für kleine und leichte Elektrohubschrauber sind hauptsächlich fliegende Kameraträger und Messplattformen sowie Aufklärungsdrohnen. Das Hubschrauberkonzept bietet sich besonders dann an, wenn das Fluggerät auch in der Luft stehen bleiben können soll (Schwebeflug). Das ist bei vielen Anwendungen der Fall.

Bei konventionellen Hubschraubern bedarf der Schwebeflug jedoch besonderen fliegerischen Geschicks, was den Anwenderkreis empfindlich einschränkt. Hintergrund ist die unzureichende Flugstabilität, die den Piloten zuständigen Steuerkorrekturen zwingt. Das Problem nimmt mit abnehmender Baugröße zu.

Es wurden daher in den letzten Jahren weltweit erhebliche Anstrengungen unternommen, die Flugstabilität kleiner Hubschrauber zu verbessern – mit unterschiedlichem Erfolg.

Eine bestimmte Ausführungsformen von Hubschraubern wurde besonders intensiv beforscht: Der 4-rotorige, drehzahlgesteuerte Elektrohubschrauber, dessen Antriebe in der Draufsicht an den Ecken eines Vierecks angeordnet sind. Diese Bauart hat den Vorteil, dass für die Steuerung um alle Achsen keine mechanisch bewegten Komponenten erforderlich sind, außer drehenden Antrieben.

Und mit genau dieser Ausführungsform wurden besondere Erfolge erzielt:

Durch Einsatz spezieller Sensorik zur Erfassung der Fluggerätebewegung im Raum in Verbindung mit schneller Signalverarbeitung und hochdynamischer, elektrischer Antriebstechnik ist der „selbststabilisierte Schwebeflug" heute möglich. Damit einher geht eine erhebliche Bedienungserleicherung. Es sind jetzt außerdem die Voraussetzungen geschaffen für eine automatische oder auch autonome Flugführung.

Das zugrundeliegende Prinzip der Steuerung und Fluglagestabilisierung bedarf nicht zwangsläufig genau vier Rotoren. Der Hubschrauber kann auch mehr als vier Rotoren aufweisen, oder auch nur drei (mit Koppelung der Gier- und Rollfunktion).

Alle diese Ausführungsformen werden unter dem Begriff Mehrrotorenhubschrauber zusammengefasst. Das sind – etwas allgemeiner formuliert – Hubschrauber mit drei oder mehr Hubeinheiten. Unter Hubeinheit wird die Kombination mindestens eines Rotors mit mindestens einem den Rotor antreibenden Motor verstanden. Die Kombination von genau einem Rotor mit genau einem Motor ist die häufigste Ausführung einer Hubeinheit. Die Achsen der Rotoren stehen (näherungsweise) senkrecht. Die Rotoren dienen vornehmlich der Auftriebserzeugung – daher der Name Hubeinheit.

Dieser Hubschraubertyp soll unter anderem in urbanem Gelände eingesetzt werden, also zwischen Gebäuden und Bewuchs. Auch innerhalb von Gebäuden soll der Drehflügler operieren. Auf kompakte Abmessungen wird meist besonderer Wert gelegt, vor allem bei Lagerung und Transport (z. B. bei Aufklärungsdrohnen, die von einzelnen Personen im „Handgepäck" mitgeführt werden sollen).

Bei diesem Einsatzszenario ist das Risiko von Kollisionen deutlich erhöht. Potentielle Hindernisse sind nicht nur zahlreich und in unmittelbarer Nähe vorhanden, oft ist auch die Luft ziemlich verwirbelt (Wirbelbildung an Häuserkanten etc.). Der Schwebeflug in der Nähe von Hindernissen ist oft nicht präzise genug möglich. So kann es passieren, dass der Hubschrauber Hindernisse touchiert. Werden dabei ein oder mehrere Rotoren abgebremst oder blockiert, stürzt der Hubschrauber ab.

Eine prinzipielle Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, findet man bei einigen Modellhubschrauber, die den Mehrrotorenhubschraubern zuzuordnen sind. Das Fluggerät besteht im Wesentlichen aus einem Formteil aus Kunststoffhartschaum. Darin sind runde Aussparungen vorgesehen, in denen die Rotoren eingebaut sind. Diese Bauweise zielt vor allem darauf ab, Verletzungen durch freidrehende Rotoren zu vermeiden, weniger die Rotoren zu schützen.

Nachteile dieser Lösung im Hinblick auf die vorgesehenen Nutzanwendungen sind: hohes Gewicht, große Abmessungen, Beeinflussung der Aerodynamik, ungenügende Bruchfestigkeit, mangelnde Variabilität hinsichtlich des Crashverhaltens, Versperrung der Kamerasicht durch große Querschnitte, mangelnde Zerlegbarkeit (damit auch fehlende Option des Flugbetriebs ohne Kollisionsschutz) etc.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in vielerlei Hinsicht verbesserten, vor allem leichten und kompakten Kollisionsschutz für (vorzugsweise eher kleine) Mehrrotorenhubschrauber zu schaffen, mit dem das Fluggerät auch nach einer Kollision mit einem Hindernis flugfähig und steuerbar bleibt.

Kurzer Abriss der Erfindung

Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß am Hubschrauber lösbar befestigt. Der Hubschrauber kann daher wahlweise mit oder ohne Kollisionsschutz geflogen werden. Durch Trennung von Hubschrauber und Kollisionsschutz kann Platz bei Lagerung und Transport eingespart werden. Der Kollisionsschutz kann z. B. auch leicht gegen andere Ausführungsformen ausgetauscht werden.

Der Kollisionsschutz kann so leicht und elastisch ausgeführt werden, dass erst durch Befestigung am Hubschrauber an mehreren Stellen die erforderliche Stabilität des Schutzes eintritt. Im montierten Zustand kann das Traggerüst des Hubschraubers den Hauptteil der statischen Funktion übernehmen. Dieses Traggerüst ist ohnehin vorhanden und aus anderen Gründen hinreichend stark dimensioniert, dass es die Zusatzlasten des Kollisionsschutzes meist ohne Änderung verträgt.

Das Traggerüst eines 4-Rotoren-Hubschraubers ist oft als Kreuz mit 4 "Armen" ausgebildet. Die äußeren Enden dieser Arme sind prädestiniert als lösbare Befestigungspunkte für die Kollisionsschutzvorrichtung. Dort können die Halterungen der Vorrichtung angebracht werden, vorzugsweise in Achsrichtung der Arme (günstiger Kraftfluß ohne Umlenkung). Die Halterungen können auch relativ kurz und damit leicht ausgebildet sein, weil das Traggerüst selbst schon weit nach außen reicht.

Das Funktionsprinzip des Kollisionsschutzes kann wie folgt veranschaulicht werden: Wenn der Hubschrauber auf ein Hindernis trifft, stößt er mit Teilen der Kollisionsschutzvorrichtung an. Er wird verzögert und federt zurück. Die Rotoren drehen ungehindert weiter, werden also nicht abgebremst oder blockiert. Damit bleibt der Hubschrauber flug- und steuerfähig.

Der Hubschrauber kann mit dem Kollisionsschutz z. B. in engen Räumen eingesetzt werden oder durch enge Öffnungen fliegen, wie beispielsweise Fenster und Türen. In Kombination mit einer automatischen oder autonomen Flugführung kann sich der Hubschrauber z. B. gefahrlos an Hindernissen entlang tasten.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Kollisionschutzvorrichtung in mehrere Baugruppen aufgeteilt ausgebildet, die zumindest teilweise nicht direkt miteinander verbunden sind. So kann z. B. jeder Arm (und damit jede Hubeinheit) eines 4-Rotoren-Hubschraubers mit einem eigenen Kollisionsschutz ausgestattet sein, der lösbar am Traggerüst des Hubschraubers befestigt ist. Dieser Schutz kann ein Schutzbügel sein oder ein Ring, der die betreffende Hubeinheit umgibt.

Die Kollisionsschutzvorrichtung kann einen den Hubschrauber umgebenden, schützenden Ring beinhalten. Mit diesen Ring kann der Hubschrauber anstoßen, wenn er auf ein Hindernis trifft.

Der Ring kann – in der Draufsicht gesehen – nach allen Flugrichtungen Schutz bieten, insbesondere wenn er geschlossen ausgebildet ist. Er kann aber auch unterbrochen sein oder sich nur über bestimmte Stellen des Umfangs erstrecken, wenn z. B. nur an bestimmten Rotoren die Schutzwirkung benötigt wird. Der Ring kann auch aus einzelnen Teilen lösbar zusammengefügt sein, z. B. um das Packmaß zu reduzieren.

Der Ringquerschnitt kann klein sein. Der Kollisionsschutz kann dadurch besonders flach und flexibel ausgeführt werden. Damit kann er den Abmessungen und der Form von Transportbehältnissen angepasst werden. Wird der Hubschrauber als fliegende Kamera eingesetzt, wird – je nach Kameraanordnung – durch den Ring nur ein kleiner Teil des Bildes versperrt.

Durch den dünnen Ringquerschnitt bleibt der Luftwiderstand im Schnellflug in Grenzen. Gewicht und Massenträgheit werden durch die filigrane Ausführung nur geringfügig erhöht. Die am Ring angreifenden resultierenden Luft- und Massenkräfte liegen nahe am Schwerpunkt des Hubschraubers. Mit Kollisionsschutz bleibt das Steuerverhalten des Hubschraubers daher neutral.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Ringquerschnitt besonders dünn ausgeführt sein. Damit können positive Eigenschaften weiter verbessert werden. So kann der Kollisionsschutz durch Verdrillen (Verdrehen) des Rings auf etwa die halbe Größe oder kleiner zusammengeklappt werden. Voraussetzung ist, dass der Ring hinreichend drehweich ausgeführt ist. Damit ergibt sich ein sehr günstiges Packmaß. Zusammengeklappt kann der Kollisionsschutz viel kleiner sein als der Hubschrauber selbst.

Der Ring kann besonders leicht und gleichzeitig steif und fest ausgeführt werden, wenn er aus Werkstoffen mit hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit gefertigt ist, z. B. aus faserverstärktem Kunststoff. Als Verstärkungsfasern kommen Glas-, Aramid- und vor allem Kohlenstofffasern in Betracht.

Der Ring kann aus gebogenen Stäben bestehen, die in großer Vielfalt am Markt verfügbar sind. Besonders bewährt haben sich pultrudierte Rundstäbe aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Die vergleichsweise dünnen, hochfesten Profile bieten wenig Luftwiderstand im Schnellflug und sind aus einiger Entfernung kaum zu sehen. Das ist ein großer Vorteil, wenn das Fluggerät unentdeckt bleiben soll (wie z. B. bei Aufklärungsdrohnen).

Auch für die Halterungen der Kollisionsschutzeinrichtung am Hubschrauber können faserverstärkte Kunststoffe verwendet werden, vorzugsweise Stäbe und Rohre. Es ist auch möglich, den Querschnitt der Halterungen den jeweiligen Beanspruchungen anzupassen. So können z. B. Rohre aus Kohlefaserkunststoff teleskopartig zusammengefügt werden. Auf diese Weise kann ein "Träger gleicher Festigkeit" angenähert werden, wie aus der Technischen Mechanik bekannt.

Die Befestigungsart der Vorrichtung kann variieren. Es können Steckverbindungen oder Klippverbindungen verwendet werden. Damit kann eine schnelle Montage und Demontage der Vorrichtung am Hubschrauber mit nur wenigen Handgriffen realisiert werden, auch ohne Werkzeug.

Es kann auch von Vorteil sein, nicht nur das Fluggerät vor den Folgen einer Kollision zu schützen, sondern auch die Umgebung. Das Verletzungsrisiko bei einer Kollision mit Menschen kann mit Polsterungen mit einem leichten, weichen Material reduziert werden. Hier können insbesondere leichte Weich- oder Hartschäume verwendet werden. Ein besonders widerstandsfähiger Hartschaum ist expandiertes Polypropylen.

Je nach Hindernis kann es auch vorkommen, dass das Fluggerät heftiger als gewünscht vom Hindernis zurückprallt. Die Kollision kann Unruhe in das Flugverhalten bringen. Damit das Fluggerät eher langsam vom Hindernis zurückfedert, können gezielte Maßnahmen zu Energiedissipation beim Kollisionsvorgang ergriffen werden. Ein Teil der kinetischen Energie des Aufpralls kann somit in Wärme umgewandelt (dissipiert) werden.

Der dazu genutzte Mechanismus kann mechanische Reibung zwischen Komponenten des Hubschraubers bzw. des Kollisionsschutzes sein. Bei der Kollision kann eine reibungsbehaftete Relativbewegung zwischen bestimmten Bauteilen ausgelöst werden.

Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, eine reibungsbehaftete Relativbewegung praktisch umzusetzen. Eine Möglichkeit sind teleskopierende Bauteile, vorzugsweise Rohre verschiedenen Durchmessers. Es können auch axial verschiebliche Halterungen an Rohren des Hubschraubertraggerüsts zum Einsatz kommen, je nach konstruktiver Gestaltung der mechanischen Struktur.

Um unzulässig große Verformungen auszuschließen, kann es auch zweckmäßig sein, einen den Verformungsweg begrenzenden Anschlag vorzusehen. Damit kann verhindert werden, dass das elastische System so weit durchschlägt, dass Rotoren blockiert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können elastische Schläuche als energiedissipierende Bauteile verwendet werden, z. B. aus Silicon. Ein Schlauchabschnitt kann z. B. auf Rohren oder Stäben aufgefädelt sein, mit einer gewissen Vorspannung. Beim axialen Verschieben des Schlauchs kann Energie dissipiert werden. Mit mehreren verschieblichen Schläuchen, die im Kollisionsfall nach und nach an der Energiedissipation beteiligt werden, kann gezielt auf die Kennlinie dieses "Crash-Elements" Einfluß genommen werden.

Ähnliches kann mit Klippsen erreicht werden, die z. B. seitlich auf ein Rohr aufgesteckt werden und auf dem Rohr axial verschieblich sind. Hier sorgt die Klemmkraft des Klipp für energiedissipierende Reibung, wenn der Clip axial verschoben wird.

Mit federnd vorgespannten Bauteilen kann die Auslösekraft für die Relativbewegung den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Eine Variante funktioniert mit einer Biegefeder, z. B. mit einem gebogenen Kohlefaserstab.

Schließlich können verschiedene Elemente und Mechanismen kombiniert werden. Zur Verbesserung des Crashverhaltens kann zudem die innere Reibung elastischer Bauteile genutzt werden, z. B. des Rings oder der Halterungen. Es können auch spezielle Werkstoffe mit großer innerer Reibung zum Einsatz kommen. Desweiteren können Polsterungen aus elastischem Material an der Energiedissipation beteiligt werden. So können beispielsweise außen am Ring energieabsorbierende, elastische Puffer angebracht sein, vorzugsweise im Bereich der Halterungen. (Weite) Teile der tragenden Struktur des Vorrichtung können selbst aus stoßabsorbierendem Material bestehen.

Die Kollisionsschutzvorrichtung kann in weiten Grenzen den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. So kann die Vorrichtung z. B. für eine maximal zulässige Kraft, maximal zulässige Beschleunigung oder für maximales Energieaufnahmevermögen bei gleichzeitig geringen Abmessungen und geringem Gewicht optimiert werden.

Der Kollisionsschutz kann z. B. auf maximales Energieaufnahmevermögen optimiert sein. Dabei können eine maximal zulässige Massenkraft oder auch der Verformungsweg limitierend vorgegeben sein. Mit einem nahezu konstantem Kraftverlauf längs der reibungsbehafteten Relativbewegung, knapp unterhalb der zulässigen Maximalkraft, wird die Energieaufnahme maximiert. (Hintergrund: Die Energieaufnahme entspricht der Fläche unter dem Kraftverlauf über dem Verformungsweg.)

Untersuchungen haben gezeigt, dass dieses Optimierungsziel z. B. mithilfe der schon erwähnten, verschieblichen Schläuche mit minimalem Gewichts- und Bauaufwand mit guter Näherung erreicht werden kann. Hierzu werden mehrere (verschiedene) Schlauchabschnitte hintereinander gestaffelt an der Energiedissipation beteiligt.

Das hier vorgestellte Konzept eines Kollisionsschutzes ist besonders für kleine, leichte und eher langsame Hubschrauber interessant, vorzugsweise unter 5 kg, besonders bevorzugt unter 1 kg. Bei wesentlich größerem Abfluggewicht sind die auftretenden Kräfte im Kollisionsfall höher und daher schwerer zu beherrschen (Grund: höhere kinetische Energie).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die unter Bezugnahme der nachfolgenden Figuren erläutert werden.

1 zeigt eine Draufsicht eines 4-rotorigen Hubschraubers mit Kollisionsschutz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

2 zeigt eine Draufsicht eines 4-rotorigen Hubschraubers gemäß 1, jedoch ohne Kollisionsschutz;

3 zeigt eine Draufsicht des Kollisionsschutzes gemäß 1 ohne Hubschrauber;

4 zeigt eine Seitenansicht eines 4-rotorigen Hubschraubers mit Kollisionsschutz gemäß 1;

5 zeigt eine Seitenansicht eines 4-rotorigen Hubschraubers gemäß 4, jedoch ohne Kollisionsschutz;

6 zeigt eine Seitenansicht des Kollisionsschutzes gemäß 4 ohne Hubschrauber;

7 zeigt eine Längsschnittansicht einer Halterung des Kollisionsschutzes nach 1 gemäß einer ersten Ausführungsform;

8 zeigt eine Seitenansicht einer Halterung des Kollisionsschutzes nach einer zweiten Ausführungsform;

9 zeigt eine Querschnittansicht einer Halterung gemäß 8;

10 zeigt eine Draufsicht des zusammengeklappten Kollisionsschutzes gemäß 3;

11 zeigt eine Draufsicht eines 4-rotorigen Hubschraubers mit Kollisionsschutz gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Die 1, 2, 4 und 5 zeigen einen 4-rotorigen Hubschrauber 10, der als Mikrodrohne zu Luftaufklärung in urbanem Gelände geeignet ist. Der Hubschrauber umfasst insgesamt vier Hubeinheiten 30. Die Hubeinheiten 30 besitzen jeweils einen im Ausführungsbeispiel zweiblättrigen Rotor 1 sowie einen den Rotor antreibenden Elektromotor 2. Die Hubeinheiten 30 sind an einem Traggerüst 3 befestigt und durch dieses miteinander verbunden. Das Traggerüst 3 trägt ferner eine Nutzlast 4. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Kamera.

Die technischen Daten des Hubschraubers 10 sind wie folgt: Abflugmasse: 330 g davon Kollisionsschutz: 30 g Abmessungen über alles: 1000 mm Rotordurchmesser: 370 mm Leistungsbedarf (Schwebeflug): 16 W Flugzeit: 20 min

In den 3 und 6 ist der Kollisionsschutz eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Ring 50, gefertigt aus gebogenen Kohlefaserrundstäben 6. Dieser Ring 50 ist am Hubschrauber 10 mit insgesamt vier Halterungen 40 befestigt, und zwar mit Steckverbindungen 60, wie in den 1, 4 und 7 zu sehen. Der Ring 50 umschließt den Hubschrauber 10 ganz. Er schützt die Rotoren vor dem Blockieren oder Abbremsen bei einer Kollision mit einem Hindernis allumfassend, d. h. in der Draufsicht in alle Flugrichtungen.

Der Ring 50 ist sehr dünn ausgeführt, weist nur ca. 2 mm Durchmesser auf. Die vom Ring eingeschlossene Kreisfläche beträgt rund das 250000-fache des Ringquerschnitts.

Die Halterungen 40 bestehen aus Stäben 8 und Rohren 9, die teleskopartig ineinander gesteckt und miteinander verklebt sind. Stab 8 und Rohr 9 bilden zusammen einen nach außen (zum Ring hin) verjüngten, gewichtsgünstigen Biegeträger, dessen Querschnitt abschnittweise variiert. Mit dieser Bauausführung kann der aus der Technischen Mechanik bekannte "Träger gleicher Festigkeit" (grob) annähert werden. Eine noch bessere Näherung kann durch noch mehr Trägersegmente erreicht werden. Im Ausführungsbeispiel sind es nur 2: Stab 8 und Rohr 9.

Die Rohre 9 können am Traggerüst 3 des Hubschraubers 10 eingesteckt werden; der Kollisionsschutz kann also ohne Werkzeug montiert und demontiert werden. Flugbetrieb ist mit und ohne Kollisionsschutz möglich.

Die Steckverbindung 60 kann sehr einfach ausgeführt sein. Beim Ausführungsbeispiel besteht das Traggerüst 3 aus kohlefaserverstärkten Rohren. Der Innendurchmesser dieser Rohre ist so groß, dass die Rohre 9 gerade hineinpassen. Die Rohre 9 können also radial in die Rohre des Traggerüsts 3 eingesteckt werden. Die Stecktiefe kann durch einen Anschlag begrenzt sein. Der Anschlag kann sich innen im Traggerüst 3 oder außen am Rohr 9 befinden. Der Anschlag kann fest oder axial verschieblich sein. Als verschieblicher Anschlag kann beispielsweise ein flexibler Schlauch 12 verwendet werden, z. B. aus Silicon, der vor Montage des Kollisionsschutzes auf das Rohr 9 unter Vorspannung aufgefädelt wurde. Diese Ausführungsvariante ist in 7 zu sehen.

Die Vorspannung des Schlauchs kann dadurch erzielt werden, dass der Innendurchmesser des Siliconschlauchs kleiner als der Außendurchmesser des Rohres 9 gewählt wird. Die Vorspannung kann variiert werden durch eine ganze Reihe von Parametern: Shorehärte des Silicons, Abmessungen des Schlauchmaterials (Wandstärke, Innendurchmesser), Länge des jeweiligen Schlauchabschnitts etc. Bewährt habe sich z. B. Siliconschläuche der Dimension 4 × 2 mm auf Stäben oder Rohren mit 4 mm Außendurchmesser, oder auch Schläuche 3 × 1 mm auf Stäben mit 2 mm Durchmesser.

Durch unterschiedliche Vorspannung des Schlauchs kann die Kraft variiert werden, mit der sich der Schlauchabschnitt 12 axial auf Rohr 9 verschieben läßt. Es können auch mehrere (verschiedene) Schläuche auf dem Rohr aufgefädelt sein, axial gestaffelt und/oder konzentrisch übereinander. Damit kann das Kollisionsschutzsystem innerhalb weiter Grenzen den jeweiligen Anforderungen (Abflugmasse, Kollisionsgeschwindigkeit, zulässiger Verformungsweg etc.) angepasst werden.

Die Vorrichtung des Ausführungsbeispiels ist je nach Kollisionswinkel unterschiedlich steif, und zwar ganz gezielt, je nach den örtlichen Anforderungen. Bei einem Winkel – in der Draufsicht gesehen – von 0 bzw. 90 Grad zur Längsachse des Fluggeräts ist der Ring am weichesten, kann sich am meisten durchbiegen. Diese Durchbiegung ist weniger kritisch, weil die Blattspitzen der Rotoren weiter weg sind.

Bei einem Kollisionswinkel von ca. 45 Grad ist die Kollisionsschutzvorrichtung recht steif. Das ist gewollt, denn hier können auch kleinere Verformungswege den Rotoren gefährlich werden. Maximalkraft, Energieaufnahmevermögen und Verformungsweg bei dieser (kritischen) Beanspruchungsrichtung können in weiten Grenzen den Erfordernissen angepasst werden.

Ein Parameter ist der Abstand zwischen Rotorblattspitze und Ring, im Beispiel ca. 50 mm. Hier gilt es einen günstigen Kompromiß zu finden zwischen "ausreichend Verformungsweg ohne Rotorkontakt" und "geringen Außenabmessungen".

Im Falle einer Kollision mit einem Hindernis (Wand, Baum etc.) mit nennenswerten Kraftanteilen in Achsrichtung einer Halterung 40 kann sich die Halterung relativ zum Hubschrauber (bestimmungsgemäß) verschieben. Im Beispiel taucht das Rohr 9 tiefer in das Traggerüst 3 ein. Dabei wird der Schlauchabschnitt 12 auf dem Rohr 9 axial verschoben (reibungsbehaftete Relativbewegung). Dabei wird an der Kontaktfläche der konzentrisch angeordneten Teile Energie dissipiert, also an der Außenfläche des Rohrs 9, wie auch an der Innenfläche des Schlauchs 12. Das Fluggerät neigt weniger zum Zurückfedern vom Hindernis, weil ein Teil der kinetischen Energie in Wärme umgewandelt ist und deshalb nicht mehr für das Zurückfedern zur Verfügung steht.

Vorteilhaft an diesem System ist weiterhin, dass bei der energiedissipierenden Verschiebung keine Bauteile beschädigt oder zerstört werden. Durch Zurückschieben der Schlauchabschnitte kann der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt werden. Damit können in enger zeitlicher Folge an ein und demselben System Crashtests durchgeführt werden, bis die richtige Konfiguration gefunden ist.

Der Verschiebeweg des Schlauchabschnitts 12 kann durch einen (festen) Anschlag 11 begrenzt sein, wie in 7 dargestellt.

Der Verformungsweg kann zusätzlich angepasst werden durch (nachträgliches) axiales Verschieben der vormontierten Schlauchabschnitte. Dabei kann die Form des Ringes 50 etwas von der idealen Kreisform abweichen. Mit dieser Methode kann auch (zusätzliche) Spannkraft im Ring 50 aufgebaut werden, damit die eingesteckten Halterungen 40 auch ohne separate Sicherung der Steckung nicht aus dem Traggerüst 3 herausrutschen.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Kollisionsschutz an der Außenseite der Rohre des Traggerüsts 3 gehaltert sein, z. B. mit (unten) aufgestecktem Klipp 13. Diese Klippverbindung 70 ist in 8 zu sehen. Der Klipp kann so beschaffen sein, dass er auf dem Rohr des Traggerüsts mehr oder weniger stark klemmt. Die Klemmwirkung kann auf vielfältige Weise den jeweiligen Anforderungen angepasst werden: Als Parameter seien genannt: Werkstoff und Geometrie (Durchmesser, Wandstärke, Länge, Umschlingungswinkel). Durch axiales Verschieben des Klipp 13 kann ebenso Energie dissipiert werden, je nach Klemmwirkung und Verschiebeweg. Der Verschiebeweg kann auch hier mit einem Anschlag limitiert werden.

Es können auch mehrere Klippse an einer Halterung verwendet werden – vorzugsweise mit einem gewissen axialen Abstand, um die Reibkraft zu erhöhen oder auch um ein ungewolltes Aushebeln und Lösen der Klippverbindung bei senkrechten Kräften an der Halterung zu unterbinden.

In der beschriebenen Ausführungsvariante mit Klipp findet die Energiedissipation im Kollisionsfall wiederum an der Kontaktfläche der konzentrisch angeordneten, reibenden Teile statt, also an der Innenseite des Klipp sowie an der Außenseite des Traggerüstrohrs.

Der Reibmechanismus läßt sich in vielfältiger Weise ausnutzen. Schließlich sind auch Kombination verschiedener Lösungen möglich (z. B. Schläuche und Klippse).

Bei der vorliegenden Anwendung ist der Kollisionsschutz teilweise im Kamerabild zu sehen. Durch die filigrane Ausführung stört das jedoch wenig. Der Ring 50 ist im Bild als horizontale Linie zu sehen, mit der die Fluglage besser eingeschätzt werden kann (eine Art "künstlicher Horizont"). Schließlich trägt der unauffällige Kollisionsschutz auch noch zur Tarnung des Fluggeräts bei.

Das vorgestellte Beispiel eines Kollisionsschutzes wiegt nur 30 g, ist einfach herstellbar, in seinen Crash-Eigenschaften mit wenig Aufwand in weiten Grenzen adaptierbar und ohne Werkzeug sehr schnell montier- und demontierbar. Er kann außerdem durch Verdrillen auf etwa den halben Durchmesser (also ca. 500 mm) platzsparend zusammengefaltet werden, wie

10 zeigt (Höhe nur ca. 5 mm). Durch das niedrige Gewicht trägt der Kollisionsschutz zur Energieeffizienz des Hubschraubers bei. Die Massenträgheit des Fluggeräts wird durch den Kollisionsschutz kaum erhöht, was der Agilität des Hubschraubers zugute kommt.

11 zeigt einen 4-rotorigen Hubschrauber mit Kollisionsschutzvorrichtung nach einer anderen Ausführungsform. Die Vorrichtung ist in vier getrennte Vorrichtungsbaugruppen 80 aufgeteilt, die hier als Kreisringe um die vier Rotoren ausgebildet sind. Jede Baugruppe wird separat am Traggerüst montiert – mit energiedissipierenden Halterungen.

Einzelteile: 1Rotor 2Elektromotor 3Traggerüst 4Nutzlast 6Stab 8Stab 9Rohr 11Anschlag 12Schlauch 13Klipp Baugruppen: 10Hubschrauber 20Kollisionsschutzvorrichtung 30Hubeinheit 40Halterung 50Ring 60Steckverbindung 70Klippverbindung 80Vorrichtungsbaugruppe

Anspruch[de]
  1. Kollisionsschutzvorrichtung (20) für Rotoren (1) eines Hubschraubers (10) mit drei oder mehr Hubeinheiten (30) mit jeweils wenigstens einem Rotor (1) und wenigstens einem den Rotor antreibenden Elektromotor (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) an wenigstens drei Stellen am Hubschrauber (10) lösbar befestigt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) in mehrere Vorrichtungsbaugruppen (80) aufgeteilt ausgeführt ist und wenigstens eine Baugruppe (80) zu einer anderen nur über den Hubschrauber (10) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) einen Ring (50) beinhaltet, der den Hubschrauber (10) umgibt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Ring (50) eingeschlossene Fläche wenigstens das 2000-fache des über den Umfang des Rings gemittelten Querschnitts des Rings (50) beträgt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Ring (50) eingeschlossene Fläche wenigstens das 20000-fache des über den Umfang des Rings gemittelten Querschnitts des Rings (50) beträgt, vorzugsweise das 100000-fache.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Hubschrauber (10) demontierte Vorrichtung (20) durch Verdrillen des Rings (50) auf weniger als 60 % ihrer Größe zusammengeklappt werden kann.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (50) wenigstens ein Teil aus faserverstärktem Kunststoff enthält.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (50) einen oder mehrere gebogene Stäbe (6) enthält.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Halterung (40) der Vorrichtung (20) ein Teil aus faserverstärktem Kunststoff enthält.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Halterung (40) wenigstens einen Stab (8) und/oder wenigstens ein Rohr (9) beinhaltet.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt wenigstens einer Halterung (40) variiert.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine lösbare Befestigung als Steckverbindung (60) ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine lösbare Befestigung als Klippverbindung (70) ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) wenigstens abschnittweise mit einem weichen, leichten Material abgepolstert ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass infolge einer Kollision des Hubschraubers (10) mit einem Hindernis Energie dissipiert wird infolge reibungsbehafteter Relativbewegung zwischen Komponenten der Vorrichtung (20) und/oder des Hubschraubers (10).
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung zwischen konzentrisch angeordneten Komponenten stattfindet.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass Energiedissipation an einer zylindrischen Fläche stattfindet.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Energiedissipation an der Innen- oder Außenfläche eines Rohres stattfindet.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung durch einen Anschlag (11) begrenzt ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Energiedissipation an der Innen- oder Außenfläche eines elastischen Schlauchs (12) stattfindet.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass infolge einer Kollision mindestens ein Schlauch (12) relativ zu wenigstens einem angrenzenden Teil axial verschoben wird.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Energiedissipation an der Innen- oder Außenfläche eines elastischen Klipp (13) stattfindet.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass infolge einer Kollision mindestens ein Klipp (13) relativ zu wenigstens einem angrenzenden Teil axial verschoben wird.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Relativbewegung auslösende Kraft durch wenigstens eine federnd vorgespannte Komponente erhöht wird.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflugmasse des Hubschraubers (10) 5 kg nicht übersteigt.
Es folgen 11 Blatt Zeichnungen






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