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机翼-转子装置、飞行器和用于运行飞行器的方法与流程

机翼-转子装置、飞行器和用于运行飞行器的方法
1.本发明涉及一种机翼-转子装置、一种飞行器和一种用于运行飞行器的方法。
2.能够垂直起飞和着陆的飞行器(vtol-vertical take off and landing(垂直起降))以多种不同的实施方式为人所知。这种飞行器的主要优点在于，对起飞和着陆的场地需求较小，并且不需要着陆跑道。同时，水平定向的驱动器可以实现具有较之例如直升飞机明显更高的行驶速度。
3.例如，具有涡轮驱动器的合适的飞行器可以通过喷气转向来引导推进器推力向下指向，以便进行起飞和着陆。在文献de 2924504 a1中规定了一种燃气涡轮发动机，该发动机借助推力偏转装置将推力沿垂直方向向下引导，并且由此使飞行器能够垂直起降。这种方案的缺点是只适用于涡轮推进器，其中，噪音和废气排放使得它几乎不可能在城市地区使用。
4.而且在文献de 42 37 873 a1中也规定了一种适用于垂直起飞和降落的飞行器。为此，至少一个推进器的气流通过飞行器的机翼上的空气控制系统被引导，从而产生为垂直起飞和降落所必需的升力。其弊端在于，这种解决方案也使用涡轮喷气推进器的气流，因此在城市地区使用似乎不太可能。
5.此外还在文献de 1 935857 u中规定了一种飞行器或航天器，其中气流被风机压入腔室，空气可以借助在相逆的方向之后交替开放和关闭的通道能够使空气从腔室中吹出。通道然后也用于在高速飞行中控制飞行器。涡轮推进器或具有反冲装置的推进器被推荐作为所述风机。不利地，这些也不能在居住区使用。
6.此外，具有所谓的倾斜旋翼的螺旋桨驱动的飞行器也是已知的，其中转子可以旋转，以实现从垂直飞行到水平飞行的过渡，即所谓的过渡阶段，从而通过所述转子能够生成用于起飞和着陆的相垂直推力以及用于飞行运行的水平方向的推力。倾转旋翼的缺点是对转子的叶片控制和转子的可移动连接装置的技术要求很高。
7.在文献de 299 16203 u1中规定了一种飞行器，其中转子集成在机翼中，所述转子能产生垂直推力。由此，飞行器能够垂直起飞或着陆。在向飞行运行过渡时，启动飞行器尾部上的水平的、也即沿机翼的风向定向的转子。机翼上用于转子的开孔通过盲帘装置封闭，以用于飞行运行，并且机翼然后提供足够的升力，并能够按照传统的固定翼飞行器的方式进行飞行流程。
8.这种技术方案在于当盲帘装置关闭时机翼的空气动力学特性较差。由于通过盲帘装置造成的在机翼表面上的间隙和不平整，有利于从平流至湍流的流体力学边界层的过渡，并且由此减低机翼的升力并提高了流体阻力。更不利的是，转子在盲帘装置关闭时不被使用，并且仅用于飞行器的更高的重量。
9.当前，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种机翼-转子装置、一种飞行器和用于运行飞行器的方法，其克服现有技术的上述弊端。
10.根据本发明的机翼-转子装置包括布置在机翼中的转子。转子的推进方向在此基本上垂直于机翼的风向定向。机翼-转子装置的机翼在此用于飞行运行，在所述飞行运行中，飞行器通过机翼的入流(或者说迎流)获得其升力。在起飞和着陆运行中，飞行器通过根
据本发明的机翼-转子装置的布置在机翼中的转子的空气流获得必要的升力。
11.根据本发明，在机翼中的转子具有可被封闭件封闭的进入口和可被封闭件封闭的排出口。在此，封闭件在关闭状态下是部分透气的。
12.在转子运转且封闭件关闭的情况下，这一透气性能够有针对性地影响机翼的空气动力学性质。那么可以通过在机翼中的转子的进入口区域中的负压实现在机翼顶侧上的空气的抽吸。有利地，由此在机翼顶侧上的被减速的边界层可以在进入口的区域中由于抽吸减少其厚度，并且可以将更高能的外层应用在机翼的形廓上。同时在机翼的底侧上吹出空气，由此有利地实现边界层的稳定化，从而能够明显增加机翼的升力。更有利地，可以降低机翼的空气阻力并且提高其升力，这实现了具有根据本发明的转子-机翼装置的飞行器的更好的飞行特性和更高的能效。特别有利地实现在转子的进入口的封闭件的区域中的抽吸，否则在所述区域中会因为由封闭件导致的表面上的不平整而形成更厚的边界层。
13.特别有利地，通过根据本发明，通过少量的、极其成本低廉的改变而提供一种转子-机翼装置，所述转子-机翼装置不仅克服现有技术中的弊端，也即具有封闭件的机翼-转子装置的较差的空气动力学性质，还同时实现了对机翼-转子装置的空气动力学性质的有目的的控制。
14.根据本发明，实现了在机翼的表面上、也即在转子的进入口的区域中抽吸空气，并且实现了在其底侧在转子的排出口的区域中吹出空气。也即转子在进入口和排出口的封闭件关闭的情况下在飞行运行中仍以垂直向下的推力方向工作，并且由此在转子的进入口的区域中在机翼的顶侧上形成负压，并且在转子的排出口的区域中在机翼的底侧上形成过压。因此，进入口与转子之间的区域也被称为过压室，并且排出口与转子之间的区域也被称为负压室。
15.在机翼-转子装置的一种优选的设计方式中，封闭件或机翼的表面的区域(在该区域中布置有封闭件)具有面状分布的多个开孔。在此，所述开孔建立了在转子与机翼表面上的进入口的封闭件之间的间隙间的流体力学的连接。由此，开孔与通过转子的运行生成的负压流体力学地连接，并且抽吸机翼的表面上的空气。有利地，面状分布的开孔同时面状地抽吸边界层。在此，开孔的具体数量、其尺寸、间距和方向与机翼的设计和飞行器的设计相关，并且可以通过本领域技术人员在实验或模拟的范围内确定。优选地，开孔在此是柱形孔，因为开孔应简单且成本低廉地开设。所述开孔还可以是锥形孔或具有倾斜角。
16.优选地，封闭件在此具有每平方米3至100之间、进一步优选在4至50之间并且特别优选在5至20之间个开孔。所述开孔在此优选具有0.01至5mm之间、进一步优选0.03至1mm之间并且特别优选0.05至0.2mm之间的直径。有利地，具有该类型设计的机翼-转子装置的飞行器能被出地控制。
17.在一种备选的设计方式中，封闭件至少部分多孔地构造。孔隙率在此例如可以通过制造封闭件时的烧结过程引入。有利地，可以通过表面的孔隙率实现抽吸孔的特别好的均匀分布，并且由此还实现均匀的抽吸和/或吹出区域。
18.在另一种备选的设计方式中，封闭件的透气性通过其因结构所致的间隙和开孔得到。例如这可以是盲帘(或称为百叶窗)的间隙。在此，可以有利地通过构成间隙的边缘的设计，将空气抽吸和/或吹出的方向用于有目的地控制机翼-转子装置的空气动力学性质，并通过开孔和间隙的尺寸，将空气流的大小用于有目的地控制机翼-转子装置的空气动力学
性质。
19.在此，构成间隙的边缘的设计可以改变，以影响空气抽吸和/或空气吹出的方向，和/或封闭件内部的开孔和间隙的尺寸可以改变，以便进一步优化飞行运行期间机翼的空气动力学性质。
20.在此，根据飞行器的具体空气动力学设计的要求，可以在机翼-转子装置内使用确保透气性的不同设计，例如用于抽吸空气的柱形孔和用于吹出空气的烧结盲帘，或相反亦然。
21.在封闭件的一种优选的设计方式中，封闭件具有至少一个用于调节至少一个开孔的吹出和/或抽吸方向的装置。优选地，多个或所有开孔具有用于调节吹出和抽吸空气的装置。有利地，通过吹出和/或抽吸方向的调节能够在飞行运行过程中根据当前飞行状态的具体要求差异化地调节机翼的空气动力学性质。这有利地实现了在飞行器的过渡阶段期间良好的可控性。
22.在机翼-转子装置的另一种优选的设计方式中，封闭件的至少一个开孔构造为可封闭的。特别优选地，在此多个开孔或所有开孔构造为可封闭的。为此，所述开孔具有封闭装置，其例如呈开孔的流体通道中的叶片或可膨胀封闭元件的形式。有利地，由此提供转子-机翼装置的空气动力学性质的其他控制措施。
23.在机翼-转子装置的一种优选的设计方式中，转子是双转子。双转子在此是两个转子叶片对中地上下依次布置的转子。两个转子叶片通常为补偿转矩而沿相反旋转方向运行。有利地，由此改进转子的效能，并且由此还提高在抽吸和吹出空气时的空气量。
24.在机翼-转子装置的另一种优选的设计方式中，在封闭件与转子之间布置至少一个用于压力调节的装置。用于压力调节咋装置可以例如是具有可调整空气量的空气通道。空气通道在此可以例如从转子的进入口的区域导引至排出口的区域和/或导引至机翼的特定区域，例如沿风向前方或后方的机翼区域。通过用于压力调节的装置，可以借助对压力的影响控制待抽吸和/或待吹出的空气量。有利地，机翼-转子装置的可控性得到进一步改进。
25.特别优选地，在转子的两个侧面上在转子与封闭件之间布置至少一个用于压力调节的装置。有利地，由此待抽吸的或待吹出的空气流还能被更准确地控制。
26.在机翼-转子装置的另一种优选的设计方式中，机翼还在封闭元件之外具有开孔，所述开孔与转子之前或之后的区域、也即进入口或排出口的区域流体力学地连接。有利地，本发明的优点、也即有目的地影响边界层不仅可用在封闭元件的区域中，还可用在机翼的整个表面上。可通过简单的方式和方法通过流体通道实现，所述流体通道优选具有阀。
27.根据本发明的飞行器具有至少一个根据本发明的机翼-转子装置。优选地，所述飞行器具有两个、三个或四个根据本发明的机翼-转子装置。有利地，飞行器能够被出地控制，即使在过渡阶段。
28.在飞行器的一种优选的设计方式中，飞行器具有一个或多个传感器，所述传感器用于检测用来确定飞行状态的参数。控制装置可以通过将传感器数据与已存储的实验数据的比较有目的地针对每个飞行状态优化地调整至少一个机翼-转子装置的空气动力学性质。为此，飞行器优选具有控制装置和存储装置，在所述存储装置中存储有对应于不同飞行状态的用于例如空气量、吹出或吹入方向和必要时在机翼和/或封闭件的顶侧上的吹入位置和/或吹出位置的控制数据。
29.本发明的特别的优点在于，可以使用简单的改变来提供转子-机翼装置，该转子-机翼装置不仅克服了现有技术的缺点，即在封闭元件的区域中对机翼的空气动力学性质的不利影响，而且还补偿、甚至进一步改善了空气动力学性质。
30.所述用于运行飞行器的方法涉及一种该飞行器，其包括：
[0031]-至少一个机翼，其具有集成式转子，其中，所述转子具有垂直于机翼的风向的推力方向。
[0032]-驱动器，其具有沿机翼的风向的推力方向，
[0033]-用于封闭转子的进入口的封闭件和用于封闭排出口的封闭件，其中，所述封闭件在关闭状态下至少部分是透气的。
[0034]
根据本发明的用于运行飞行器的方法的特征在于，在机翼-转子装置的转子的进入口和/或排出口的封闭件的区域中有目的地抽吸和吹出空气。优选地，空气的抽吸和吹出通过飞行运行期间转子-机翼装置的转子的运行实现。
[0035]
在所述方法的另一种优选的设计方式中，所述方法包括其他方法步骤，例如：
[0036]-具有进入口和/或排出口的开放的封闭件的飞行器垂直起飞和/或着陆，
[0037]-开启驱动器并且通过沿至少一个机翼的风向的运动开始从起飞和/或着陆运行向飞行运行的过渡；
[0038]-关闭封闭件。
[0039]
针对所述方法的另一种优选的设计方式，飞行器具有控制装置、存储装置和用于检测当前飞行状态的传感器装置。在此，在所述存储装置中存储了有关大量飞行状态的数据和有关对应于空气量、吹出或吹入方向和必要时在机翼和/或封闭件的顶侧上的吹入位置和/或吹出位置的控制数据的关联数据。
[0040]
本发明的另外的优选设计方案由在说明书中提到的其余特征得出。
[0041]
如果未另作说明，在本技术中转子-机翼装置、飞行器和用于运行飞行器的不同的实施方式和设计方式能够有利地相互组合。
[0042]
以下在实施例中根据附图阐述本发明。在附图中：
[0043]
图1示出机翼-转子装置的俯视图，
[0044]
图2示出具有开放的封闭件的机翼-转子装置的俯视图，
[0045]
图3示出机翼-转子装置的剖视图，
[0046]
图4示出具有开放的封闭件的机翼-转子装置的剖视图，
[0047]
图5示出封闭件的叶片的放大视图，
[0048]
图6示出封闭件的叶片的剖视图，并且
[0049]
图7示出具有开孔的不同实施方式的封闭件的叶片的剖视图。
[0050]
图1示出转子-机翼装置1的俯视图，其具有机翼11和转子的进入口21。在此，转子的进入口21借助封闭件3封闭，该封闭件由具有叶片31的盲帘构成。
[0051]
图2示出根据图1的视图，其带有开放的封闭件3，也就是说封闭件3的叶片31翻开，并且转子可以将空气穿过封闭件(3)吸入。
[0052]
图3示出转子-机翼装置1的剖视图。机翼11具有机翼的普遍的横截面形状，该横截面形状在空气流具有风向12的情况下构成向上的力、也即升力。在机翼11内部布置有转子22。进入口21和排出口25被封闭件3封闭。在转子22与排出口25的封闭件3之间通过转子的
旋转构成过压室24，并且在转子与进入口21的封闭件3之间构成负压室23。
[0053]
封闭件3的叶片31处于关闭位置。叶片31为开放而具有带有旋转轴线311的铰链。此外，叶片31还具有柱形孔形式的开孔312，所述柱形孔具有在负压室23或过压室24与封闭件3的表面之间的连接。因此构成在进入口21处抽吸的空气和在排出口处吹出的空气。根据图3的视图示出飞行运行中的转子-机翼装置1，封闭件3关闭，并且转子22在飞行运行中接通运转并且通过运行构成负压室23和过压室24。
[0054]
图4示出根据图3的具有开放的封闭件3的剖视图。为此，叶片31围绕旋转轴线311旋转，从而使得进入口21和排出口25开放。转子22处于运行中，并且此时能够使空气流顺利地或者说无阻碍地运动，该空气流对于垂直起飞和着陆是必要的。
[0055]
图5示出叶片31的详细视图。叶片3具有在其表面上分布的多个开孔312，通过所述开孔将空气抽吸和吹出。在视图左侧示出在叶片31的表面上均匀分布的多个开孔312的放大视图。
[0056]
图6示出叶片31的剖视图。柱形孔构成所述开孔312。在视图的上部区域中示出两个图表，所述图表显示与距机翼的表面的距离相关的流体速度v和相对应的边界层厚度δg。边界层厚度δg在此被定义为与机翼的间距，在所述间距内能达到无干扰流体速度vo的至少99％。在此，左侧的图表显示在叶片31中无根据本发明的开孔312的情况下在封闭件3的区域中构造的边界层，而右侧的图表显示在叶片31中具有根据本发明的开孔312的情况下在机翼11上的边界层。在所述图标中可以看出，边界层厚度δg通过经由开孔312的空气抽吸而明显减小。这实现了更高的升力和更低的空气阻力，并且由此带来显著的能量节约并且通过飞行器的改善的可控性带来飞行安全性的更明显提升。
[0057]
图7示出封闭件3的叶片31。示例性地示出不同形式的开孔312。所有示出的开孔312都能够用于抽吸和吹出空气。因此示出锥形的开孔312、315。利用该类型的开孔能够根据流体方向加速或减缓空气流。倾斜的开孔313、314能够确定吹出或抽吸方向，通过使用倾斜的开孔同样能够调整机翼11的空气动力学性质。
[0058]
附图标记清单
[0059]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
机翼-转子装置
[0060]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
机翼
[0061]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
风向
[0062]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
进入口
[0063]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
排出口
[0064]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
转子
[0065]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
负压室
[0066]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过压室
[0067]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
封闭件
[0068]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
叶片
[0069]
311
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旋转轴线
[0070]
312、315
ꢀꢀꢀꢀꢀ
锥形的开孔
[0071]
313、314
ꢀꢀꢀꢀꢀ
倾斜的开孔
[0072]
δgꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
边界层的厚度
[0073]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
与机翼的表面的间距
[0074]vꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
流体速度
[0075]
v0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
无干扰的流体速度

技术特征：

1.一种具有转子(22)的机翼-转子装置(1)，所述转子布置在机翼(11)中，从而使得转子(22)的推力方向垂直于机翼(11)的风向定向，其中，转子(22)在机翼(11)中具有可被封闭件(3)封闭的进入口(21)和可被封闭件(3)封闭的排出口(25)，其中，所述封闭件(3)在关闭状态下是部分透气的。2.根据权利要求1所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，所述封闭件(3)具有面状分布的开孔。3.根据权利要求1所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，所述封闭件(3)至少部分是多孔状的。4.根据权利要求1所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，封闭件(3)的间隙和开孔确保透气性。5.根据权利要求2所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，所述封闭件(3)包括用于调节至少一个开孔(312)的方向的装置。6.根据上述权利要求中任一项所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，至少一个开孔(312)是可封闭的。7.根据上述权利要求中任一项所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，所述转子(22)是双转子。8.根据上述权利要求中任一项所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，在封闭件(3)与转子(22)之间布置至少一个用于压力调节的装置。9.根据权利要求7所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，在所述转子(22)的两侧在转子(22)与封闭件(3)之间分别各布置有用于压力调节的装置。10.根据上述权利要求中任一项所述的机翼-转子装置(1)，其特征在于，所述机翼(11)在封闭件(3)外部在其顶侧和/或底侧上具有开孔，其中，顶侧上的开孔与在转子(22)和进入口(21)的封闭件(3)之间的空间相连，和/或底侧上的开孔与在转子(22)和排出口(25)的封闭件(3)之间的空间相连。11.一种飞行器，其具有至少一个根据权利要求中任一项所述的机翼-转子装置(1)。12.一种用于运行飞行器的方法，所述飞行器具有至少一个机翼(11)连同集成式的转子(22)，转子具有垂直于机翼(11)的风向(12)的推力方向，所述飞行器具有驱动器，驱动器具有沿机翼(11)的风向的推力方向，其中，所述机翼(11)具有转子(22)的可被封闭件(3)封闭的进入口(21)和可被封闭件(3)封闭的排出口(25)，其中，所述封闭件(3)在关闭状态下至少部分是透气的，其特征在于，在机翼-转子装置(1)的转子(22)的进入口(21)和/或排出口(25)的封闭件(3)的区域中有目的地抽吸和吹出空气。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还额外实施至少一个以下步骤：a)垂直起飞具有开放的封闭件(3)的飞行器；b)开启驱动件并且过渡至沿至少一个机翼(11)的风向(12)运动的飞行运行；c)关闭封闭件(3)。14.根据权利要求11或12所述的用于运行飞行器的方法，其特征在于，飞行器具有控制装置、存储装置和传感器装置，其中，传感器装置检测当前的飞行状态并将当前的飞行状态通过控制装置与存储装置的数据比较，并且实施用于抽吸和吹出空气的相应的控制数据。

技术总结

在机翼(11)中机翼-转子装置(1)的转子(22)具有可被封闭件(3)封闭的进入口(21)和可被封闭件(3)封闭的排出口(25)。在此，封闭件(3)在关闭状态下是部分透气的。在转子(22)运转且封闭件(3)关闭的情况下，这一透气性能够有针对性地影响机翼(11)的空气动力学性质。由此，通过在机翼(11)内转子(22)的进入口(21)的区域中的负压，能够实现对机翼的顶侧上的空气的抽吸，并且同时通过在排出口(25)的区域中的过压能够实现对机翼的底侧上的空气的吹出。有利地，由此在机翼顶侧上的减速的边界层可以在进入口(21)的区域中通过抽吸减少其厚度(δG)，并且可以将更高能的外层应用在机翼(11)的形廓上。更有利地，可以降低机翼(11)的空气阻力并且提高其升力，这实现了具有根据本发明的转子-机翼装置(1)的飞行器的更好的飞行特性和更高的能效。特别有利地实现在转子(22)的进入口(21)的封闭件(3)的区域中的抽吸，否则在所述区域中会因为由封闭件(3)导致的表面上的不平整而形成更厚的边界层(δ