DE3615089A1 - Aircraft having roller wings - Google Patents

Aircraft having roller wings

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00—Aircraft not otherwise provided for
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    • B64C39/005—Aircraft not otherwise provided for with wings, paddle wheels, bladed wheels, moving or rotating in relation to the fuselage about a horizontal transversal axis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Abstract

In the case of conventional drives for aircraft, such as propellers, jet propulsion or a helicopter rotor, for example, major parts are moved at high speed (approximately at the speed of sound) which results in severe noise emission and low efficiency. Driving by means of the wings avoids this, using a principle which is known from birds. However, I am not working with beating wings but with wings which rotate like rollers around a major axis which is parallel to their longitudinal axes. A design of such a "roller-wing aircraft" is sketched in the figure. It is best to use 3 wings per roller wing, and their incidence angles can then be controlled such that the propulsion and lift are constant <- vibration-free flight. This control is effected using actuating motors which are controlled using electronic data processing techniques. This concept of the roller wing can also be used for wind-driven power stations. <IMAGE>

Description

Bei herkömmlichen Fluggeräten werden für den Antrieb relativ kleine Luftmengen von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Teilen auf hohe Geschwindigkeit gebracht. Die Geschwindigkeiten liegen meist im Bereich der Schallgeschwindigkeit. (Beispiele: Die Blattspitzen von Propellern und Hubschrauberrotoren oder der Strahlaustritt von Strahltriebwerken.) Damit verbunden sind die Nachteile schlechten energetischen Wirkungsgrades und hoher Lärmemission, die dem Einsatz der Fluggeräte im Bereich von Wohngebieten enge Grenzen setzt.In conventional aircraft, the drive is relative small amounts of air circulating at high speed Bringing parts to high speed. The speeds are usually in the range of the speed of sound. (Examples: The blade tips of propellers and helicopter rotors or the jet exit from jet engines.) Associated with this are the disadvantages of poor energy efficiency and high noise emissions resulting from the use of aircraft in the area limits of residential areas.

Die Erfindung betrifft ein Fluggerät, bei dem der Antrieb durch Bewegung der Tragflächen selbst erfolgt, ähnlich wie bei Vögeln. Diese Idee ist nicht neu: Es sind schon einige Fluggeräte mit schlagenden Flügeln vorgeschlagen worden, die aber in der Praxis keinen Erfolg hatten.The invention relates to an aircraft in which the drive by moving the wings themselves, similar to Birds. This idea is not new: there are already some aircraft with flapping wings have been proposed, but the were unsuccessful in practice.

Bei meiner Erfindung erfolgt nun die Flügelbewegung in einer Weise, die technisch wesentlich besser zu realisieren ist: Es sind jeweils drei etwa waagerechte Tragflügel walzenartig um eine zu ihren Längsachsen parallele Hauptachse angeordnet, um die sie zwecks Antriebs walzenartig rotieren. (Eine solche Anordnung nenne ich im Folgenden "Walzen-Flügel".)In my invention, the wing movement now takes place in one Way that is technically much easier to achieve: There are three approximately horizontal hydrofoils arranged around a main axis parallel to their longitudinal axes, around which they rotate like a roller for the purpose of driving. (In the following I call such an arrangement "roller blades".)

Dabei werden für rüttelfreien Flug die Anstellwinkel der einzelnen Tragflügel zu der sie anströmenden Luft periodisch in der Weise gesteuert, daß Auftrieb und Vortrieb während einer Umdrehung jeweils zeitlich konstant sind (und den Befehlen des Piloten entsprechen), was wohl eine Voraussetzung für den praktischen Erfolg des Konzepts ist.The angle of attack of the individual is used for vibration-free flight Wing to the air flowing in periodically in the Way controlled that buoyancy and propulsion during one revolution are constant over time (and the commands of the pilot correspond), which is probably a prerequisite for practical Success of the concept is.

Um kleine Fehler bei der Steuerung der Anstellwinkel auszugleichen, kann man Walzenflügel samt Antriebsmotor noch schwingungsisoliert aufhängen, ähnlich wie den Rotor bei Hubschraubern.To compensate for small errors in the control of the angle of attack, you can still vibration rollers including drive motor vibration isolated hang up, similar to the rotor in helicopters.

Weil die Tragflügel groß sind, reicht für den Antrieb im Reiseflug schon eine kleine Rotationsgeschwindigkeit aus (Umfangsgeschw. « Reisegeschw.), so daß die Lärmemission gering und der Wirkungsgrad gut ist. Because the wings are large, it is enough for the propulsion in cruise a small rotation speed (Circumferential speed "travel speed"), so that the noise emission low and the efficiency is good.  

Mit etwas höherer Rotationsgeschwindigkeit als im Reiseflug ermöglicht der Walzen-Flügel auch senkrechten Start und Landung.With a slightly higher rotation speed than in cruise the roller wing also enables vertical take-off and landing.

Bei der senkrechten Landung oder auch bei der Abbremsung in der Luft wird die Antriebsleistung an der Hauptwelle der Walzen- Flügel negativ, so daß die potentielle oder kinetische Energie rückgewonnen werden kann, wenn man dafür neben dem Antriebsmotor für Reiseflug noch z. B. einen Elektromotor vorsieht, der beim Start zusätzliche Antriebsleistung zur Verfügung stellt und bei der Landung als Generator arbeitet, dessen Energieabgabe gespeichert wird z. B. in einem Kreisel aus Faserwerkstoffen.When landing vertically or when braking in the drive power on the main shaft of the roller Wing negative, so the potential or kinetic Energy can be recovered if you put it next to the drive motor for cruise still z. B. provides an electric motor, which provides additional drive power when starting and when landing works as a generator, its energy output is saved z. B. in a gyroscope made of fiber materials.

Als Drehrichtung für die Walzenflügel wählt man beim Start vorteilhaft die, bei der die Flügel nach vorn gehen, wenn sie unten sind ("rückwärts"): Dadurch wird beim Start der Bodeneffekt besser genutzt, weil die Flügel dann in der bodennahen Position die richtige Wölbung haben und, wenn das Fluggerät schon eine gewisse Horizontalgeschw. hat, eine höhere Relativgeschw. zur Strömung haben. → Mehr Auftrieb möglich. Außerdem ist dann die Flügelbelastung geringer, weil Zentrifugal- und Hauptauftriebskraft entgegengesetzte Richtung haben.You choose the direction of rotation for the roller blades at the start advantageous the one where the wings go forward when they are below ("backwards"): This will cause the bottom effect at start better used because the wings are then in the position close to the ground have the correct curvature and if the aircraft already does a certain horizontal speed has a higher relative speed. to have a current. → More buoyancy possible. Then, too the wing load is lower because of centrifugal and main buoyancy have the opposite direction.

Beim Reiseflug hingegen wählt man besser die entgegengesetzte Drehrichtung, weil dann die Flügel beim Abschlag vorn sind, also in ungestörter Strömung sind, wenn sie den größeren Auftrieb liefern sollen. Die Umkehrung der Drehrichtung ist bei ausreichender Geschwindigkeit problemlos möglich, weil die Walzen- Flügel ja auch stillstehend Segelflug ermöglichen.When cruising, on the other hand, it is better to choose the opposite Direction of rotation, because then the wings are in front when teeing off, So are in undisturbed flow when they have the greater lift should deliver. The reversal of the direction of rotation is sufficient Speed possible without any problems because the roller Allow wings to glide even when stationary.

Anordnen kann man die Walzenflügel z. B. wie die Tragflügel eines herkömmlichen Flugzeugs, wobei man insbesondere für Senkrechtstart am Heck einen oder zwei weitere Walzen-Flügel fürs Ausbalancieren um die Querachse vorsehen muß.You can arrange the roller blades z. B. like the wing of a conventional aircraft, especially for vertical takeoff at the rear one or two further roller blades for Balancing around the transverse axis must be provided.

Für größere Fluggeräte bietet sich eine Bauform an, bei der zwischen zwei parallel nebeneinander liegenden Rümpfen quer zu ihnen vorn und hinten je ein großer Walzen-Flügel angebracht ist, so daß Rümpfe und Walzen-Flügel im Grundriß ein Rechteck bilden, s. Abb. 1. Die dann nötige Informationsübertragung zwischen den beiden Rümpfen macht man vorteilhaft optisch mit Glasfaserkabeln in den Flügeln. Das Kippen oder Ausbalancieren um die Längsachse kann man dann durch leichtes Verwinden der einzelnen Flügel mittels leicht unterschiedlicher Steuerung der Flügelanstellwinkel auf den beiden Seiten der Walzen-Flügel realisieren.For larger aircraft, there is a design in which a large roller wing is attached between two fuselages lying next to each other parallel to them at the front and rear, so that the fuselage and roller wing form a rectangle in plan, see. Fig. 1. The necessary transmission of information between the two fuselages is done optically with fiber optic cables in the wings. Tilting or balancing around the longitudinal axis can then be achieved by slightly twisting the individual blades using slightly different control of the blade pitch on both sides of the roller blades.

In jedem Fall ordnet man die Hauptachsen der Walzenflügel möglichst hoch am Rumpf an, um die Flugstabilität zu fördern und um mit einem kleineren Fahrwerk auszukommen.In any case, the main axes of the roller blades should be arranged as far as possible high on the fuselage to promote flight stability and to get by with a smaller chassis.

Nun zu den Details des Walzen-Flügels:Now for the details of the roller wing:

Die Einzelflügel sind mittels Armen mit der zentralen Hauptwelle verbunden, in denen sie um ihre Längsachse drehbar gelagert sind mittels je einem Paar gegeneinander gespannter Kegelrollenlager. Die Arme sind zu einer großen Kreisscheibe verkleidet, die die Umströmung der Flügelenden und damit den induzierten Widerstand der Flügel vermindert.The single blades are connected to the central main shaft by means of arms connected in which they are rotatably mounted about their longitudinal axis by means of a pair of tapered roller bearings clamped against each other. The arms are disguised into a large circular disc, which is the Flow around the wing tips and thus the induced drag the wing diminishes.

Ein Einzelflügel ist jeweils aufgebaut um ein zentrales, tragendes Rohr aus Faserverbundwerkstoff, hart ausgeschäumt, angeordnet im Bereich des Profildruckpunktes, welches gleichzeitig die Flügelachse bildet.A single wing is built around a central, load-bearing tube made of fiber composite material, hard foamed, arranged in the area of the profile pressure point, which at the same time forms the wing axis.

Zur Verminderung der Biegebelastung der Flügel durch die Zentrifugalkräfte insbesondere beim Senkrechtstart kann man beim Fluggerättyp mit zentralem Rumpf die jeweils drei Flügelenden mit Zugseilen verbinden, indem man diese an Ringen befestigt, die auf den Enden der Flügelachsen drehbar gelagert sind.To reduce the bending load on the wings due to the centrifugal forces especially with the vertical start you can at Aircraft type with a central fuselage, the three wing ends connect with pull ropes by attaching them to rings that are rotatably mounted on the ends of the wing axes.

Beim Typ mit zwei Rümpfen muß die Abspannung in die Mitten der beiden Walzen-Flügel; hier müssen die Flügel jeweils eine bis zur Achse reichende Aussparung für die Abspannung haben. Letztere ergänzt man hier vorteilhaft zu einer vollen Kreisscheibe, um die Aussparungen der Flügel zu füllen und so Strömungsverluste durch die Aussparungen zu vermeiden.In the case of the type with two hulls, the guying must be in the middle of the two roller wings; here the wings must be one to each have a recess for guying that extends to the axis. Latter it is advantageous to add a full circular disc to to fill the recesses of the wings and thus loss of flow by avoiding the cutouts.

Die Steuerung des Anstellwinkels eines der Einzelflügel erfolgt mit einem Paar über einen Zahnriemen o. ä. gekoppelter Zahnräder gleicher Größe, von denen eines fest auf der Flügelachse sitzt und das andere drehbar auf der zentralen Hauptwelle. So ist am zentralen Zahnrad die Richtung der Profilsehne unabhängig von der Rotation des Walzenflügels einstellbar.The control of the angle of attack of one of the individual blades is carried out with a pair coupled via a toothed belt or the like Gears of the same size, one of which is fixed on the wing axis sits and the other rotates on the central main shaft. The direction of the chord is independent on the central gear  adjustable by the rotation of the roller wing.

Die Berechnung der Anstellwinkel der drei Einzelflügel für vorgegebene und zeitlich konstante Werte für Auf- und Vortrieb ist mit bekannten mathematischen Verfahren möglich: Man kann Auf- und Vortrieb des Walzen-Flügels berechnen aus der Geschwindigkeit des Fluggeräts relativ zur Luft, der Drehgeschwindigkeit v u des Walzenflügels am Umfang, dem die Stellung des Walzen-Flügels bestimmenden Winkel ϕ zwischen einem bestimmten Flügelarm und der Richtung von , den Polaren der Flügel und schließlich als variierbaren Parametern ihren Anstellwinkeln β zur sie anströmenden Luft. (Vernachlässigt man den gegenüber dem Auftrieb geringfügigen Widerstand der Flügel, so ist das Antriebsdrehmoment für den Walzen-Flügel, welches man ja ebenfalls zeitlich konstant halten muß, schon mit dem Vortrieb bestimmt und konstant.) Man hat also 2 Gleichungen für die Bestimmung der Anstellwinkel. → Im Prinzip würden für die "Einstellung" der zwei Werte Auftrieb und Vortrieb schon zwei variierbare Parameter, also zwei Flügel pro Walzen-Flügel reichen, aber dann hätte das Gleichungssystem für ϕ = 90 keine Lösung: In dieser Stellung hat die Drehbewegung der Flügel keine Komponente senkrecht zu , so daß kein Vortrieb zu erzeugen ist. Daher wählt man vorteilhaft drei Flügel und nimmt als dritte Forderung zur Bestimmung der dann drei Anstellwinkel z. B. die, daß die Quadratsumme der Anstellwinkel oder, was in etwa aufs gleiche herauskommt, die Summe der Widerstände minimal sein soll.The calculation of the angle of attack of the three individual blades for predetermined and temporally constant values for lift and propulsion is possible using known mathematical methods: The lift and propulsion of the roller wing can be calculated from the speed of the aircraft relative to the air, the rotational speed v u des Roller wing on the circumference, the angle ϕ determining the position of the roller wing between a particular wing arm and the direction of, the polar of the wing and finally, as variable parameters, their angle of attack β to the air flowing towards them. (If you neglect the slight resistance of the blades compared to the lift, the drive torque for the roller blade, which must also be kept constant over time, is already determined and constant with the advance.) So you have two equations for determining the angle of attack . → In principle, two variable parameters, ie two blades per roller blade, would be sufficient to "set" the two values of lift and propulsion, but then the system of equations for ϕ = 90 would have no solution: In this position, the rotary motion of the blades has none Component perpendicular to, so that no propulsion can be generated. Therefore, one advantageously chooses three blades and takes the third requirement for determining the then three angles of attack z. B. that the sum of squares of the angles of attack or, what comes out in approximately the same, the sum of the resistances should be minimal.

Für ein Beispiel sind die sich daraus ergebenden Anstellwinkel den Abb. 2 bis 4 zu entnehmen: Abb. 3 zeigt den Winkel α eines Flügels gegen , bei dem er in Richtung der ihn anströmenden Luft liegt, m. a. W. den Strömungswinkel für verschiedene Werte von r: = v u /v. Abb. 4 zeigt für r = 0.3 die Anstellwinkel β, wenn der Auftrieb einem Auftriebsbeiwert c a = 0.1 entsprechen soll, der Vortrieb ein zehntel dieses Wertes haben soll und die Funktion c a (β) im Bereich von 0° bis 10° linear von 0 auf 1 ansteigt.For an example, the resulting angles of attack can be seen in Figs. 2 to 4: Fig. 3 shows the angle α of a wing at which it lies in the direction of the air flowing towards it, ma W. the flow angle for various values of r : = v u / v . Fig. 4 shows the angle of attack β for r = 0.3 if the lift should correspond to a lift coefficient c a = 0.1, the drive should have a tenth of this value and the function c a ( β ) linearly in the range from 0 ° to 10 ° 0 increases to 1.

Eine sehr "starke" Drehung der Flügel wird nötig im Bereich mit r ≈ 1 (0.5 ≦ωτ r ≦ωτ 2), wie aus Abb. 3 zu ersehen ist, in der die Funktionen α(ϕ) für verschiedene r aufgetragen sind. Man kann hier aber die für die Flügeldrehung erforderliche Leistung auf praktikable Werte begrenzen, indem man die Kurven im kritischen Bereich zwischen etwa ϕ = 210° und ϕ = 330° "glättet": Weil hier die Anströmgeschwindigkeit v T der Luft zum Tragflügel sehr klein ist (s. Abb. 5; hier ist für die verschiedenen r-Werte auch (v T /v u )2 als Maß für die Strömungskräfte aufgetragen), kann man hier den Flügel stark aus der Strömung herausdrehen, ohne daß große Strömungskräfte auftreten. Man kann also ohne große Nachteile die Drehung des Flügels im ϕ-Bereich von 210° bis 330° nach kinematischen Gesichtspunkten steuern und den gewünschten Auf- und Vortrieb mit den beiden anderen Flügeln "einstellen" (s. o.). A very "strong" rotation of the wings is necessary in the range with r ≈ 1 (0.5 ≦ ωτ r ≦ ωτ 2), as can be seen from Fig. 3, in which the functions α ( ϕ ) are plotted for different r . However, the power required for the wing rotation can be limited to practicable values by "smoothing" the curves in the critical range between about ϕ = 210 ° and ϕ = 330 °: Because the inflow velocity v T of the air to the wing is very small (see Fig. 5; here, for the various r values, ( v T / v u ) 2 is also used as a measure of the flow forces), you can turn the wing out of the flow without causing large flow forces. So you can control the rotation of the wing in the ϕ range from 210 ° to 330 ° according to kinematic aspects without major disadvantages and "set" the desired lift and propulsion with the other two wings (see above).

Im Bereich mit r ≦λτ 1 (v u ≦λτ v), also z. B. beim Start, machen die Flügel nicht eine oszillierende Bewegung um die Richtung von , sondern sie drehen sich in etwa mit dem Walzen-Flügel mit. Dabei machen sie eine oszillierende Bewegung um die tangentiale Richtung. Der Winkel q zwischen der Anströmrichtung für den Flügel und der Tangente ist übrigens gleich dem Winkel α (s. o.), der bei dem Kehrwert von r auftritt. Die Verhältnisse für r ≦λτ 1 sind also weitgehend analog denen für r ≦ωτ 1, nur daß für r ≦λτ 1 die Flügel "mitdrehen".In the area with r ≦ λτ 1 ( v u ≦ λτ v ), i.e. z. B. at the start, the wings do not make an oscillating movement in the direction of, but they rotate with the roller wing. They make an oscillating movement around the tangential direction. Incidentally, the angle q between the flow direction for the wing and the tangent is equal to the angle α (see above) that occurs at the reciprocal of r . The ratios for r ≦ λτ 1 are therefore largely analogous to those for r ≦ ωτ 1, only that for r ≦ λτ 1 the wings "turn".

Das Umschalten zwischen mitdrehender und oszillierender Bewegung der Flügel erfolgt bei r = 1. Im Übrigen wird der Bereich mit r ≈ 1 schnell durchfahren, indem die Rotationsgeschwindigkeit v u gegenläufig zur Translationsgeschw. v geändert wird; dies ergibt sich auch schon daraus, daß beim Start eine schnellere Rotation erforderlich ist als im Reiseflug.Switching between co-rotating and oscillating movement of the wings takes place at r = 1. Otherwise, the area with r ≈ 1 is traversed quickly by the rotational speed v u counter to the translational speed. v is changed; this also results from the fact that a faster rotation is required at take-off than in cruise.

Realisiert wird die Drehung der Flügel mit Stellmotoren, die von einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage gesteuert werden. Die EDV verarbeitet dafür fest eingespeicherte Kennwerte, die Steuerbefehle des Piloten und Meßwerte, die geliefert werden von Sensoren für Stärke und Richtung der Strömung relativ zum Fluggerät, für die Drehwinkel der Walzen-Flügel und der Einzelflügel zum Fluggerät und für die Flügelkräfte.The blades are rotated using servomotors, controlled by an electronic data processing system will. For this purpose, the EDP processes permanently stored characteristic values, the pilot's commands and readings that are supplied by sensors for strength and direction of the Flow relative to the aircraft, for the angle of rotation of the  Roller wing and the single wing for the aircraft and for the Wing forces.

Als Stellmotoren verwendet man vorteilhaft Elektromotoren. Und zwar solche, die auch als Generator gut arbeiten, so daß man mit ihnen in den "Brems-Phasen" der Flügeldrehung die kinetische Energie rückgewinnen kann, was den Energieaufwand für die Flügeldrehung wesentlich reduziert. Besonders geeignet sind hier mittels Schaltwandlern gesteuerte Gleichstrommotoren mit eisenlosem Glockenanker.Electric motors are advantageously used as servomotors. And those that work well as a generator, so that the kinetic in the "braking phases" of the wing rotation Energy can recover what the energy expenditure for the wing rotation is significantly reduced. Particularly suitable are DC motors controlled by switching converters with ironless bell anchor.

Beim Start / bei r ≦λτ 1 kann man ihre Gehäuse mit der Hauptwelle mitdrehen lassen, so daß sie nur noch die geringere Leistung für die Oszillation der Flügel um die tangentiale Richtung aufbringen müssen.At the start / at r ≦ λτ 1 you can turn your housing with the main shaft, so that you only have to apply the lower power for the oscillation of the wings around the tangential direction.

Eine einfachere Version des Walzenflügels hat nur zwei Einzelflügel und macht statt der Rotation eine Drehschwingung über einen Winkelbereich von etwa 90°. Das hat allerdings den Nachteil, daß sich so der Vortrieb (: = Kraft in Richtung nicht zeitlich konstant bereitstellen läßt: In den Phasen der Drehschwingung, in denen der Walzenflügel stillsteht, läßt sich kein Vortrieb erzeugen.A simpler version of the roller wing has only two single wings and makes a torsional vibration instead of the rotation an angular range of approximately 90 °. However, this has the disadvantage that the propulsion (: = force in the direction not can be provided at a constant time: in the phases of the torsional vibration, in which the roller blade is stationary, no one can Generate propulsion.

Mit dem Walzenflügel läßt sich auch eine Windkraftanlage aufbauen, wobei man seine Hauptachse vorteilhaft lotrecht anordnet, s. Abb. 7. Gegenüber einem herkömmlichen Rotor hat das folgende Vorteile:With the roller wing, a wind turbine can also be built, whereby one advantageously arranges its main axis vertically, see. Fig. 7. This has the following advantages over a conventional rotor:

  • a) Die Anpassung an die Windrichtung erfolgt durch Drehung der Einzelflügel; es muß also keine größere Struktur dem Wind nachgeführt werden.a) The adjustment to the wind direction is done by rotating the Single wing; So there doesn't have to be a major structure to the wind be tracked.
  • b) Die Anstellwinkel der Flügel lassen sich unter allen Bedingungen optimal steuern; bei einem herkömmlichen Rotor hingegen kann man bei fester Drehzahl die Verwindung der Flügel nur auf eine Windgeschwindigkeit hin optimieren.b) The angle of attack of the wing can be used in all conditions optimal control; with a conventional rotor, however you can only twist the wing at a fixed speed optimize a wind speed.
  • c) Man kann bei gegebener bebauter Fläche mehr Leistung gewinnen.c) You can gain more power for a given built area.
  • d) Die Flügel lassen sich einfacher und billiger produzieren, weil sie nicht verwunden sind und überall die gleiche Querschnittsform haben.d) The wings are easier and cheaper to produce,  because they are not twisted and have the same cross-sectional shape everywhere to have.

Ein Nachteil ist, daß man nicht Profile mit fester Wölbung verwenden kann, weil die Anstellwinkel der Flügel zur sie anströmenden Luft auf der dem Wind zugewandten Seite das entgegengesetzte Vorzeichen haben müssen wie auf der dem Wind abgewandten Seite, s. Abb. 8. Man könnte aber die Flügel aus zwei längs getrennten Teilen aufbauen, wobei das hintere in einer Aussparung mit halbkreisförmigem Querschnitt im vorderen liegt und gegenüber diesem etwas drehbar ist, s. Abb. 9.A disadvantage is that you cannot use profiles with a fixed curvature, because the angle of attack of the wings to the air flowing towards them must have the opposite sign on the windward side as on the windward side, see. Fig. 8. However, the wings could be constructed from two longitudinally separated parts, the rear lying in a recess with a semicircular cross-section in the front and being somewhat rotatable relative to this, see. Fig. 9.

Nun werde ich die Durchführbarkeit des oben ausgeführten Konzepts des Walzenflüglers anhand eines Beispiels quantitativ belegen. Dieses ist etwa so dimensioniert wie das Reiseflugzeug des Typs "D. H. Dove" mit den Daten:Now I will see the feasibility of the above Concept of the roller wing based on an example quantitative occupy. This is roughly the same size as the touring plane of type "D. H. Dove" with the data:

Abflugmasse:4000 kg Passagiere:10 Startleistung:2 · 385 PS (= 566 kW) Länge:12 m Breite:17.4 m Flügelfläche:31 m2 Reisegeschw.:288 km/hTake-off weight: 4000 kg Passengers: 10 Take-off power: 2 · 385 hp (= 566 kW) Length: 12 m Width: 17.4 m Wing area: 31 m 2 Travel speed: 288 km / h

(Diese Daten wie auch einige weitere Zahlen sind dem Buch "Luftfahrzeuge" von Richter u. a., 1970 entnommen.)(This data as well as some other numbers are from the book "Aircraft" by Richter u. a., taken in 1970.)

Der analoge Walzenflügler ist ausgeführt mit einem zentralen Rumpf und zwei Walzen-Flügeln an den Seiten für Auf- und Vortrieb.The analog roller wing is designed with a central one Fuselage and two roller wings on the sides for lift and propulsion.

Belastung des Walzen-Flügels durch Zentrifugalkräfte beim Senkrechtstart: Ich wähle als Umfangsgeschw. v u für den Start 125 km/h = 35 m/sec. Dann ist bei einem mittleren Auftriebsbeiwert von c a = 1 eine Flügelfläche von 54.4 m2 erforderlich, also z. B. 6 Flügel a 8 · 1.134 m. Die Zentrifugalbeschleunigung beträgt bei einem Rotorradius von 2 m 602 m/sec2. Das bedeutet etwa das 6-fache der Flügelbelastung beim herkömmlichen Flugzeug. (Denn: Normalerweise beträgt das Flügelgewicht etwa 1/10 des Gesamtgewichts des Flugzeuges → auf ein Flächenelement des Flügels muß im Flug das 10-fache seines Gewichts als Tragkraft wirken. Gleiches ergäbe ein Zentrifugalbeschleunigung von 100 m/sec2.) Die zugehörige Biegebelastung wird um den Faktor 4 reduziert durch die Abspannung der Flügel an ihren Enden (Ergebnis der Festigkeitslehre), ist also nur noch ca. 1.5-mal so groß wie bei herkömmlichen Flugzeugen. Bedenkt man nun noch, daß dies beim Walzenflügler die Spitzenbelastung darstellt, während der Vergleichswert für herkömmliche Flugzeuge sich auf den Reiseflug bezog, so sieht man, daß man einen Walzenflügler schon mit gewöhnlicher Flügeltechnologie bauen kann.Centrifugal forces on the roller wing during vertical take-off: I choose as peripheral speed. v u for the start 125 km / h = 35 m / sec. Then, with a mean lift coefficient of c a = 1, a wing area of 54.4 m 2 is required. B. 6 wings a 8 · 1.134 m. The centrifugal acceleration at a rotor radius of 2 m is 602 m / sec 2 . That means about 6 times the wing load on a conventional aircraft. (Because: Normally, the wing weight is about 1/10 of the total weight of the aircraft → on a surface element of the wing, 10 times its weight must act as a load capacity during flight. The same would result in a centrifugal acceleration of 100 m / sec 2. ) The associated bending load becomes Reduced by a factor of 4 by bracing the wings at their ends (result of the strength theory), it is only about 1.5 times as large as with conventional aircraft. If you consider that this represents the peak load for the roller-wing aircraft, while the comparison value for conventional airplanes related to cruising, you can see that you can build a roller-wing aircraft with ordinary wing technology.

Umsetzbarkeit der Motorleistung in Vortrieb beim Reiseflug: Die maximal umsetzbare Leistung P m ist in etwa erreicht, wenn der ganze Auftrieb mit den abwärtsgehenden Flügeln erzeugt wird. (Dann gilt übrigens in etwa: Vortrieb/Auftrieb = v u /v = r) → P m = m · g · v u = 600 kW für v u = 15 m/sec. Die ganze Motorleistung läßt sich also schon umsetzen, wenn v u weniger als die Hälfte des Wertes beim Start hat (→ Zentrifugalkraft ist auf weniger als 1/4 gesunken).Feasibility of engine power in propulsion during cruise flight: The maximum feasible power P m is approximately reached when all the lift is generated with the wings going down. (Then, by the way, the following applies roughly: propulsion / buoyancy = v u / v = r ) → P m = m · g · v u = 600 kW for v u = 15 m / sec. The entire engine power can therefore be converted if v u has less than half the value at the start (→ centrifugal force has dropped to less than 1/4).

Abschätzung der für die Steuerung der Einzelflügel erforderlichen Leistung: Da die Achsen der Flügel in ihrem Druckpunkt angeordnet sind, müssen die Stellmotoren im wesentlichen nur die Massenträgheit der Flügel überwinden. Die dafür nötige Spitzenleistung pro Flügel ergibt sich für r = 0.5 etwa zu P s = n 3 · I · 248 (im SI-System), wobei n die Drehzahl des Walzen-Flügels und I das Trägheitsmoment eines Flügels ist. Das ergibt im Beispiel etwa 10 kW bei Startdrehzahl (2.8 U/sec). Das ist zwar noch wenig im Vergleich zur Antriebsleistung von ca. 566 kW, aber doch soviel, daß Energierückgewinnung sinnvoll erscheint (im zeitlichen Mittel ist die gegen die Massenträgheit verrichtete Arbeit ja null).Estimation of the power required to control the individual blades: Since the axes of the blades are arranged in their pressure point, the actuators essentially only have to overcome the inertia of the blades. The peak power required per wing for r = 0.5 is approximately P s = n 3 · I · 248 (in the SI system), where n is the speed of the roller wing and I is the moment of inertia of a wing. In the example, this results in about 10 kW at starting speed (2.8 U / sec). Although this is still little compared to the drive power of approx. 566 kW, it is still so much that energy recovery seems sensible (on average, the work done against inertia is zero).

Claims (22)

1) Fluggerät, dadurch gekennzeichnet, daß sein Auftrieb oder Vortrieb oder beides erzeugt werden durch ein oder mehrere Systeme aus jeweils einem oder mehreren Tragflügeln, die jeweils um eine zu ihren Längsachsen parallele Hauptachse walzenartig rotieren, wobei ihre Anstellwinkel zur sie anströmenden Luft periodisch mit der Periode der Rotation um die Hauptachse gesteuert werden in einer Weise, die für die aktuelle Situation günstig ist. Ein solches Flügelsystem nenne ich im Folgenden "Walzen-Flügel".1) Aircraft, characterized in that its lift or propulsion or both are generated by one or more systems each consisting of one or more wings, each rotating in a roller-like manner about a main axis parallel to their longitudinal axes, their angle of attack to the air flowing in periodically with the Period of rotation about the major axis can be controlled in a manner that is favorable for the current situation. I call such a wing system in the following "roller wing". 2) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vortrieb wie bei einem Vogel dadurch erzeugt wird, daß die Flügel beim Abschlag jeweils einen größeren Anstellwinkel zur sie anströmenden Luft und damit größeren Auftrieb haben als beim Aufschlag.2) Aircraft according to claim 1, characterized in that like a bird, propulsion is generated by the fact that the The wing has a larger angle of attack when teeing off they have inflowing air and thus greater lift than at the serve. 3) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß negativer Vortrieb (Bremsung) dadurch erzeugt wird, daß die Flügel beim Aufschlag einen größeren Anstellwinkel zur Strömung haben als beim Abschlag.3) Aircraft according to claim 1, characterized in that negative propulsion (braking) is generated in that the When opening, the wing has a larger angle of attack to the flow than on the tee. 4) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelfläche so groß gewählt ist, daß man mit einer Umfangsgeschwindigkeit auskommt, die sehr klein gegen die Schallgeschwindigkeit ist.4) Aircraft according to claim 1, characterized in that the wing area is chosen so large that one with a peripheral speed gets along, which is very small against the speed of sound is. 5) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen-Flügel jeweils mit drei Flügeln aufgebaut sind.5) Aircraft according to claim 1, characterized in that the roller blades are each constructed with three blades. 6) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Anstellwinkel der Einzelflügel gegen die Strömung so gesteuert werden, daß die Summe der Auftriebskräfte und der Vortriebskräfte und der Drehmomente jeweils über eine Umdrehung der Walzenflügel annähernd zeitlich konstant sind.6) Aircraft according to claim 1, characterized in that that's the angle of attack of the single wing against the flow like that be controlled that the sum of the buoyant forces and the Driving forces and the torques each over one revolution the roller blades are approximately constant over time. 7) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Walzenflügel samt Motor schwingungsisoliert aufgehängt sind ähnlich wie die Rotoren von Hubschraubern.7) Aircraft according to claim 1, characterized in that Roller blades and motor are suspended from vibration similar to the rotors of helicopters. 8) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelfläche pro Gewicht und die Umfangsgeschwindigkeit der Walzen-Flügel so groß gewählt werden, daß das Fluggerät senkrecht starten und landen kann.8) Aircraft according to claim 1, characterized in that the wing area per weight and the peripheral speed the roller wing can be chosen so large that the aircraft can take off and land vertically. 9) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Walzen-Flügels die Energie rückgewonnen wird, die bei Abbremsung oder Absenkung des Fluggeräts anfällt. 9) Aircraft according to claim 1, characterized in that with the help of the roller wing the energy is recovered occurs when the aircraft is braked or lowered.   10) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Rumpf an seinen Seiten mit zwei großen Walzenflügeln ausgerüstet ist für Auf- und Vortrieb und hinten mit ein oder zwei kleinen Walzenflügeln für die Steuerung, so daß sein Grundriß dem eines herkömmlichen Flugzeuges ähnelt.10) Aircraft according to claim 1, characterized in that the central fuselage on its sides with two large roller wings is equipped for buoyancy and propulsion and a rear or two small roller blades for control so that its Floor plan resembles that of a conventional airplane. 11) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einigem Abstand parallel nebeneinander angeordnete Rümpfe vorn und hinten verbunden sind mit je einem großen Walzen- Flügel, so daß Rümpfe und Flügel in etwa ein Rechteck bilden.11) Aircraft according to claim 1, characterized in that two hulls arranged parallel to each other at a certain distance front and back are connected with a large roller Wing, so that the fuselage and wing form approximately a rectangle. 12) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelflügel aufgebaut sind aus einem zentralen tragenden Rohr aus Faserverbundwerkstoff, hart ausgeschäumt, angeordnet im Bereich des Profildruckpunktes, um das herum das Flügelprofil in Leichtbauweise aufgebaut ist (s. Abb. 5).12) Aircraft according to claim 1, characterized in that the individual wings are constructed from a central load-bearing tube made of fiber composite material, hard foamed, arranged in the area of the profile pressure point, around which the wing profile is constructed in a lightweight construction (see Fig. 5). 13) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Flügel jeweils eines Walzenflügels realisiert wird dadurch, daß sie an einer oder mehreren Stellen mit einer zentralen rotierenden Hauptwelle, die auch geteilt sein kann, verbunden sind mittels einer Struktur, die starr mit der Hauptwelle verbunden ist und in der die Flügel um ihre Längsachse drehbar gelagert sind.13) Aircraft according to claim 1, characterized in that the movement of the wings of one roller wing is realized is that in one or more places with a central rotating main shaft which can also be divided are connected by means of a structure that is rigid with the main shaft is connected and in which the wing about its longitudinal axis are rotatably mounted. 14) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Anstellwinkels jeweils eines Flügels erfolgt mit zwei über einen Zahnriemen oder eine ähnliche Struktur gekoppelten Zahnrädern von gleichem Radius, von denen eines fest auf der Flügelachse sitzt, während das andere in einer Ebene mit ersterem und koaxial zu der Hauptwelle und gegenüber dieser drehbar angebracht ist, so daß die Richtung der Profilsehne unabhängig von der Rotation des Walzen-Flügels am zentralen Zahnrad einstellbar ist.14) Aircraft according to claim 1, characterized in that the The pitch angle of one wing is controlled with two via a toothed belt or a similar structure coupled gears of the same radius, one of which sits firmly on the wing axis while the other is in one Level with the former and coaxial with the main shaft and opposite this is rotatably attached so that the direction of the chord regardless of the rotation of the roller wing at the central Gear is adjustable. 15) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Einzelflügel entsprechend den aktuellen Erfordernissen mit Stellmotoren realisiert wird.15) Aircraft according to claim 1, characterized in that the rotation of the individual wings according to the current requirements is realized with servomotors. 16) Fluggerät gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmotoren Elektromotoren sind. 16) Aircraft according to claim 15, characterized in that the servomotors are electric motors.   17) Fluggerät gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Phasen der Flügel-Drehung, in denen ihre Bewegung verzögert wird, ihre kinetische Energie mittels der Stellmotoren rückgewonnen wird.17) Aircraft according to claim 15, characterized in that in the phases of wing rotation when their movement is delayed their kinetic energy by means of the servomotors is recovered. 18) Fluggerät gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmotoren von einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage gesteuert werden auf der Basis von fest eingespeicherten Kennwerten, der Steuerbefehle des Piloten, und von Meßwerten, die geliefert werden von Sensoren für Geschwindigkeit und Richtung der Strömung relativ zum Fluggerät, für die Drehwinkel der Walzen-Flügel und der Einzelflügel relativ zum Fluggerät und für die Flügelkräfte.18) Aircraft according to claim 15, characterized in that the servomotors from an electronic data processing system are controlled on the basis of permanently stored Characteristic values, the pilot's control commands, and measured values, which are supplied by sensors for speed and direction the flow relative to the aircraft, for the rotation angle of the Roller wing and the single wing relative to the aircraft and for the wing forces. 19) Fluggerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung der Walzenflügel beim Start die ist, bei der die Flügel unten nach vorn gehen und beim Reiseflug die umgekehrte.19) Aircraft according to claim 1, characterized in that the direction of rotation of the roller blades at start is that at which the wings go forward at the bottom and the reverse when cruising. 20) Fluggerät entsprechend Anspruch 1, 2, 3, 4, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzen-Flügel statt der Rotation eine Drehschwingung ausführen.20) Aircraft according to claim 1, 2, 3, 4, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 or 18, characterized in that the roller wing perform a torsional vibration instead of the rotation. 21) Windkraftanlage, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Walzen-Flügel entsprechend Anspruch 1, 5, 6, 7, 10, 13, 14, 15, 16, 17 oder 18 arbeitet.21) Wind turbine, characterized in that it has a Roller wing according to claim 1, 5, 6, 7, 10, 13, 14, 15, 16, 17 or 18 works. 22) Windkraftanlage gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse des Walzen-Flügels lotrecht steht.22) Wind power plant according to claim 20, characterized in that the main axis of the roller wing is perpendicular.
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