DE212006000012U1

DE212006000012U1 - Helikopter

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Publication number: DE212006000012U1
Application number: DE212006000012U
Authority: DE
Original assignee: SILVERLIT TOYS Inc; Silverlit Toys Inc Walnut
Current assignee: Silverlit Toys Manufactory Ltd Hk
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2016-12-16
Also published as: US7494397B2; EP1893314B1; EP1843944B8; DE112006002349B4; GB2444390B; DE112006002349A1; US20070221781A1; EP1843944A2; WO2007084234A3; GB0723269D0; GB0723265D0; SG134230A1; WO2007126426A3; EP1893314B8; EP1893314A2; CA2569609A1; JP2007191144A; US20080085653A1; US20070272794A1; GB2446248B

Abstract

Helikopter, umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Heck (3); einen Hauptrotor (4) mit zwei Propellerblättern (12), der durch eine Rotorwelle (8) angetrieben wird, an der die Propellerblätter (12) angebracht sind; einen Heckrotor (6), der durch eine zweite, quer zur Rotorwelle (8) des Hauptrotors (4) gerichteten Rotorwelle (17) angetrieben wird; einen durch die Rotorwelle (18) des Hauptrotors (4) im Rotationssinn des Hauptrotors (4) angetriebenen Hilfsrotor (5), wobei der Hilfsrotor (5) so angebracht ist, dass eine erste Längsachse (29) des Hilfsrotors (5) im Wesentlichen parallel oder in einem spritzen Winkel von 25° oder weniger relativ zu einer zweiten Längsachse (13) eines der Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) ausgerichtet ist, wobei der Hilfsrotor (5) schwenkbar an einer im Wesentlichen quer zur Rotorwelle (8) des Hauptrotors (4) vorgesehenen Pendelwelle (30) angebracht und die Schwenkbewegung relativ aufwärts und abwärts um die Pendelwelle (30) ist, wobei der Hauptrotor (4) und der Hilfsrotor (5) miteinander durch eine...

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenlegung betrifft einen verbesserten Helikopter.
Die Offenlegung betrifft allgemein einen Helikopter. Im Besonderen, aber nicht ausschließlich, bezieht sie sich auf einen Spielzeughelikopter und im Besonderen auf einen ferngesteuerten Modellhelikopter oder einen Spielzeughelikopter.
Zusammenfassung
Es ist bekannt, dass ein Helikopter eine komplexe Maschine ist, die instabil und demzufolge schwierig zu steuern ist, so dass viel Erfahrung nötig ist, solche Helikopter sicher ohne Mißgeschick zu betreiben.
Typischerweise enthält ein Helikopter ein Gehäuse, einen Hauptrotor und einen Heckrotor.
Der Hauptrotor stellt eine Aufwärtskraft zur Verfügung, um den Helikopter in der Luft zu halten, sowie eine Seitkraft oder Vorwärtskraft oder Rückwärtskraft, um den Helikopter in benötigte Richtungen zu steuern. Dies kann durch eine zyklische Veränderung des Anstellwinkels der Propellerblätter des Hauptrotors bei jeder Umdrehung des Hauptrotors gemacht werden.
Der Hauptrotor hat eine natürliche Tendenz, von seiner Position abzuweichen, was zu unkontrollierten Bewegungen und zu einem Absturz des Helikopters führen kann, wenn der Pilot die Kontrolle über die Steuerung des Helikopters verliert.
Lösungen zur Abschwächung dieses Effekts wurden bis jetzt bereits zur Verfügung gestellt, enthaltend die Anwendung von Stabilisierungsstangen und -gewichten an den Flügelspitzen der Propellerblätter.
Alle diese Lösungen machen vom bekannten Phänomen der Kreiselbewegung Gebrauch, welche durch die Coreoliskraft und die Zentrifugalkräfte verursacht werden, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Der Heckrotor ist nicht ganz unempfindlich gegen dieses Phänomen, da er verhindern muss, dass sich das Gehäuse um die Antriebsachse des Rotors infolge des Widerstandsdrehmoments des Rotors auf das Gehäuse dreht.
Dazu ist der Heckroter so aufgerichtet, dass er eine seitliche Schubkraft entwickelt, die dem oben erwähntem Widerstandsdrehmoment des Rotors entgegenwirkt, und der Helikopter wird mit Mitteln ausgestattet, die es dem Piloten ermöglichen sollen, die seitliche Schubkraft so zu steuern, dass die Flugposition um die vertikale Achse bestimmen werden kann.
Da das Heck des Helikopters dazu tendiert, sich um die Antriebsachse des Hauptrotors zu drehen, auch in dem Fall geringer Veränderungen beim Antriebsdrehmoment des Hauptrotors, werden viele Helikopter mit einem separatem und autonomen mechanischem oder elektromechanischem System ausgestattet, wie z.B. einem Kreisel oder dergleichen, der automatisch die Schubkraft des Heckrotors bei unerwarteten Rotationen ausgleicht.
Allgemein beinhaltet die Stabilität eines Helikopters das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen:
der Rotation der Rotorblätter; den Bewegungen jeder möglichen Stabilisierungsstangen; dem Ausgleich des Widerstandsdrehmoments des Hauptrotors mittels des Heckrotors;
dem System, wie z.B. einem Kreisel oder dergleichen, um kleine unerwünschte Veränderungen im Widerstandsdrehmoment des Hauptrotors auszugleichen; und
der Steuerung des Helikopters, welche die Rotationsgeschwindigkeit des Hauptrotors und des Heckrotors steuert.
Wenn diese Elemente im Wesentlichen in der Balance sind, sollte der Pilot fähig sein, den Helikopter wie gewünscht zu steuern.
Das bedeutet jedoch nicht, dass der Helikopter selbst fliegen kann und daher eine gewisse Flugposition oder Manöver einhalten kann, z.B. Schweben oder Durchführen langsamer Bewegungen ohne den Eingriff eines Piloten.
Überdies erfordert das Fliegen eines Helikopters üblicherweise ein intensives Training und viel Erfahrung des Piloten sowohl das eines original großen betriebsbereiten echten Helikopters wie auch das eines Spielzeughelikopters oder eines ferngesteuerten Modellhelikopters.
Die vorliegende Offenlegung beabsichtigt, einen oder mehrere der oben erwähnten und anderer Nachteile zu minimieren, indem eine einfache und billige Lösung zur Verfügung gestellt wird, den Helikopter automatisch zu stabilisieren, so dass das Betreiben des Helikopters einfacher wird und möglicherweise die Notwendigkeit für langjährige Erfahrung des Piloten reduziert wird.
Der Helikopter sollte die folgenden Anforderungen mehr oder weniger erfüllen:

(a) er kann im Falle von unerwarteten Störungen der Flugbedingungen in eine stabile Schwebeposition zurückkehren. Solche Störungen können in der Form von einer Windböe, Turbulenzen, eines mechanischen Lastwechsels des Gehäuses oder des Rotors, einem Positionswechsel des Gehäuses infolge einer Anpassung an die zyklische Veränderung der Steigung oder des Anstellwinkels der Propellerblätter des Hauptrotors oder einer Steuerung des Heckrotors oder dergleichen mit einem ähnlichem Effekt, auftreten; und
(b) die benötigte Zeit, um in die stabile Position zurückzukehren, sollte relativ kurz sein, und die Bewegung des Helikopters sollte relativ gering sein.

Daher betrifft die Offenlegung einen verbesserten Helikopter, enthaltend ein Gehäuse mit einem Heck; einen durch eine Rotorwelle angetriebenen Hauptrotor mit Propellerblättern, die schwenkbar an der Rotorwelle mittels eines Scharniers angebracht sind. Der Winkel zwischen der Fläche der Rotation des Hauptrotors und der Rotorwelle können sich verändern. Ein Heckrotor wird durch eine zweite Rotorwelle angetrieben, die quer zu der Rotorwelle des Hauptrotors ausgerichtet ist.
Der Helikopter ist mit einem Hilfsrotor ausgestattet, der durch die Welle des Hauptrotors angetrieben wird, und der mit zwei Flügeln versehen ist, die sich im Wesentlichen in Ausrichtung mit ihren Längsachsen erstrecken. Die "Längs„-achse wird im Rotationssinn des Hauptrotors gesehen, und ist im Wesentlichen parallel zur Längsachse von wenigstens einem der Propellerblätter des Hauptrotors oder ist mit einem relativ kleinen spitzen Winkel zur Achse des letzteren Propellerblatts angeordnet. Dieser Hilfsrotor ist in einer schwingen den Weise an einer Pendelwelle angebracht, die im Wesentlichen quer zu der Rotorwelle des Hauptrotors angebracht ist. Dieser ist im Wesentlichen quer zur Längsachse der Flügel ausgerichet. Der Hauptrotor und der Hilfsrotor sind miteinander durch eine mechanische Verbindung verbunden, so dass die Schwenkbewegungen des Hilfsrotors den Anstellwinkel von wenigstens einem der Propellerblätter des Hauptrotors steuern.
In der Praxis ist ein derart verbesserter Hubschrauber stabiler und stabilisiert sich selbst relativ schnell mit oder ohne einen beschränkten Eingriff des Nutzers.
Gemäß einem anderen Aspekt der Offenlegung wird der Helikopter durch Aufhängen des Heckrotors mit seiner Rotorwelle in einer Schaukel, die um eine Schaukelachse rotieren kann, stabiler gemacht. Die Schaukelachse erstreckt sich im Wesentlichen in der Längsrichtung relativ zum Gehäuse des Helikopters.
Im Fall einer Fehlfunktion oder dergleichen, bei welcher der Helikopter anfängt, sich um die Rotorwelle des Hauptrotors in einer ungewünschten Art zu drehen, sollte der Heckrotor wegen der auf den rotierenden Heckrotor infolge der Rotation um die Rotorwelle des Hauptrotors wirkenden Kreiselbewegung sich um die Schaukelachse des Heckrotors in einem gewissen Winkel neigen.
Durch Messen der relativen Winkelverschiebung der Schaukel und durch Verwendung des gemessenen Signals als ein Eingangssignal für einen Mikroprozessor, welcher den Antrieb des Hauptrotors und den Antrieb des Heckrotors als eine Funktion eines Regelungsalgorithmus steuert, kann die Schubkraft des Heckrotors so eingestellt werden, dass dem unerwünschten Effekt der Störung entgegenwirkt und damit automatisch die stabilen Flugbedingungen für den Helikopter mit einem minimalem oder irgendeinem Eingriff des Pilotens wieder hergestellt werden können.
Der Hauptrotor mit Propellerblättern wird durch eine Rotorwelle angetrieben, an der die Blätter befestigt sind. Der Hilfsrotor wird durch die Rotorwelle des Hauptrotors angetrieben und ist mit Flügeln von der Rotorwelle in Richtung der Rotation des Hauptrotors versehen.
Der Hilfsrotor ist schwenkbar bezüglich einer Pendelwelle befestigt und die Schwenkbewegung ist relativ aufwärts und abwärts bezüglich der Hilfswelle. Die Hilfswelle ist im Wesentlichen quer zur Rotorwelle des Hauptrotors angeordnet. Der Hauptrotor und der Hilfsrotor sind miteinander durch eine mechanische Verbindung verbunden, so dass die Schwenkbewegung des Hilfsrotors den Anstellwinkel von wenigstens einem der Propellerblätter des Hauptrotors kontrolliert.
Der Anstellwinkel des Rotors in der Rotationsebene des Rotors und der Rotorwelle können sich verändern; und ein mit der Rotorwelle rotierbarer Hilfsrotor ist für relative Pendelbewegung gegenüber der Rotorwelle. Unterschiedliche relative Postionen sind so, dass der Hilfsrotor bewirkt, dass der Anstellwinkel des Hauptrotors verschieden ist. Eine Verbindung zwischen dem Haupt- und Hilfsrotor bewirkt, dass Positionsänderungen des Hilfsrotors in Änderungen in dem Anstellwinkel übersetzt werden.
Die Propellerblätter des Hauptrotors bzw. die Flügel des Hilfsrotors sind miteinander mit einer mechanischen Verbindung verbunden, welche die Relativbewegung zwischen den Blättern des Propellers und der Flügel des Hilfsrotors erlaubt.
Es gibt quer einer Längsachse des Helikoptergehäuses ausgerichtete Tragflügel, quer und abwärts ausgerichtet, und einen abwärts ausgerichteten Stabilisator am Heck des Helikopters. Dies fördert Stabilität vor Ort.
Zeichnungen
Um weiter die Charakteristiken der Offenlegung zu erklären, sind die folgenden Ausführungsformen eines verbesserten Helikopters gemäß der Offenlegung nur als ein Beispiel angeführt, ohne in irgendeiner Weise einschränkend zu sein, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
1 schematisch einen Helikopter gemäß der Offenlegung in Perspektive zeigt;
2 eine Draufsicht gemäß dem Pfeil F2 in 1 zeigt;
3 und 4 Schnittansichten gemäß den Linien II-II und III-III in 2 zeigen;
5 eine Ansicht eines in 1 durch F5 gezeigten hinteren Rotorteils in vergrößertem Maßstab zeigt;
6 eine Rückansicht gemäß Pfeil F6 in 5 ist;
7 eine Variante von 1 zeigt;
8 eine Variante von 5 zeigt;
9 eine andersartige Ansicht des Heckrotors von 8 zeigt;
10 einen Schnitt des Helikopters zeigt;
11 schematisch eine alternative Ansicht des Helikopters gemäß der Offenlegung in Perspektive zeigt;
12 eine perspektivische Ansicht des Hauptrotors und der Hilfswelle ist;
13 eine perspektivische Ansicht des Heckrotors und Heckstabilisators in einer zweiten Ausführungsform des Helikopters ist;
14 eine seitliche Schnittansicht in der zweiten Ausführungsform des Helikopters zeigt;
15 eine perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters zeigt;
16 eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters zeigt;
17 eine Rückansicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters ist;
18 eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des Helikopters entlang Linie 18-18 von 16 zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Der in den Figuren beispielhaft gezeigte Helikopter 1 ist ein ferngesteuerter Helikopter, der im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2 mit einem Fahrgestell und einem Heck 3, einem Hauptrotor 4, einem synchron mit der Letzteren angetriebenen Hilfsrotor 5 und einem Heckrotor 6 besteht.
Der Hauptrotor 4 ist mit Mitteln versehen, die als Rotorkopf 7 auf einer ersten aufwärts gerichteten Rotorwelle 8 bezeichnet werden, die in dem Gehäuse 2 des Helikopters 1 in einem Lager rotierbar montiert und die mittels eines Motors 9 und einer Transmission 10 angetrieben wird, wobei der Motor 9 z.B. ein elektrischer Motor ist, der durch eine Batterie 11 versorgt wird.
In diesem Fall hat der Hauptrotor 4 zwei Propellerblätter 12, die in Linie oder so gut wie in Linie sind, aber der genauso gut aus einer höheren Anzahl von Propellerblättern 12 zusammengesetzt sein kann.
Die Neigung oder der Anstellwinkel A der Propellerblätter 12, mit anderen Worten der Winkel A, den die in 6 gezeigten Propellerblätter 12 mit der Rotationsebene 14 des Hauptrotors 4 bilden, kann eingestellt werden, da der Hauptrotor 4 schwenkbar an dieser Rotorwelle 8 mittels eines Anschlussstücks angebracht ist, so dass der Winkel zwischen der Rotationsebene des Hauptrotors und der Rotorwelle frei variieren kann.
In dem Fall des Beispiels eines Hauptrotors 4 mit zwei Propellerblättern 12 wird das Anschlussstück durch eine Stange 15 des Rotorkopfs 7 gebildet.
Die Achse 16 dieser Stange 15 ist quer zu der Rotorwelle 8 gerichtet und erstreckt sich im Wesentlichen in der Richtung der Längsachse 13 eines der Propellerblätter 12 und bildet bevorzugt, wie in 2 gezeigt ist, einen spitzen Winkel B mit dieser Längsachse 13.
Der Heckrotor 6 wird über eine zweite Rotorwelle 17 mittels eines zweiten Motors 18 und einer Transmission 19 angetrieben. Motor 16 kann ein elektrischer Motor sein. Der Heckrotor 6 mit seiner Rotorwelle 17 und seinem Antrieb 18-19 ist in einer Schaukel 20 aufgehängt, die um eine Schaukelachse 21 rotieren kann; die am Heck 3 des Helikopters 1 durch zwei Halterungen 22 und 23 fixiert ist.
Die Schaukel 20 ist mit einem Verlängerungsstück 24 in Richtung der Unterseite ausgestattet, das mittels einer Feder 25 im Ruhezustand, bei dem die zweite Rotorwelle 17 in dieser Position horizontal ist und kreuzweise zur ersten Rotorwelle 8 gerichtet ist, in einer zentralen Position gehalten wird.
Am unterem Ende des Verlängerungsstücks 24 der Schaukel 20 ist ein Magnet vorgesehen, wohingegen gegenüber der Position des Magneten 26 in dem oben erwähntem Ruhezustand der Schaukel 20 ein Magnetsensor 27 am Heck 3 fixiert ist, der es ermöglicht, die relative Winkelverschiebung der Schaukel 20 und damit die des Heckrotors 6 um die Schaukelachse 21 zu messen.
Es ist klar, dass diese Winkelverschiebung der Schaukel 20 auch auf andere Weise gemessen werden kann, z.B. mittels eines Potentiometers.
Das gemessene Signal kann so als ein Eingangssignal für ein Steuergerät verwendet werden, welches in den Figuren nicht gezeigt ist, welches die Antriebe des Hauptrotors 4 und des Heckrotors 6 steuert, und das mit einem Stabilisieralgorithmus versehen ist, der einen Gegensteuerbefehl geben wird, wenn eine plötzliche unerwünschte Winkelverschiebung des Heckrotors 6 um die Schwingachse 21 gemessen wird, die aus einer unerwünschten Rotation des Helikopters 1 um die Rotorwelle 8 resultiert, um die Position des Helikopters 1 wiederherzustellen.
Der Helikopter 1 ist auch mit einer Hilfswelle 5 ausgestattet, die im Wesentlichen synchron mit dem Hauptrotor 4 durch dieselbe Rotorwelle 8 und den Rotorkopf 7 angetrieben wird.
In diesem Fall hat der Hilfsrotor zwei Flügel 28, die im Wesentlichen in Linie mit ihren Längsachsen 29 sind, wobei die Längsachse 29, gesehen im Rotationssinn R des Hauptrotors 4, im Wesentlichen parallel zu der Längsachse 13 der Propellerblätter 12 des Hauptrotors 4 ist oder einen relativ kleinen spitzen Winkel C mit der Letzteren einschließen, so dass sich beide Rotoren 4 und 5 mehr oder weniger parallel übereinander mit ihren Propellerblättern 12 und Flügeln 28 erstrecken.
Der Durchmesser des Hilfsrotors 5 ist vorzugsweise kleiner als der Durchmesser des Hauptrotors 4, da die Flügel 28 eine geringere Spannweite als die Propellerblätter 12 aufweisen und die Flügel 28 sind im Wesentlichen starr miteinander verbunden. Dieses starre Gesamtgebilde, das den Hilfsrotor 5 bildet, wird schwenkbar auf einer Pendelwelle 30 angebracht, die an dem Rotorkopf 7 der Rotorwelle 8 fixiert ist. Diese ist quer zu der Längsachse der Flügel 28 und quer zu der Rotorwelle 8 gerichtet.
Der Hauptrotor 4 und der Hilfsrotor 5 sind durch eine mechanische Verbindung untereinander verbunden, welche derart bezüglich des Hilfsrotors ist, dass der Anstellwinkel A von wenigstens einem der Propellerblätter 12 des Hauptrotors 4 ist. In dem gegebenen Beispiel wird diese Verbindung durch einen Stab 31 gebildet.
Dieser Stab 31 ist gelenkig an einem Propellerblatt 12 des Hauptrotors 4 mit einem Befestigungspunkt 32 mittels eines Anschlussstücks 33 und einem Hebelarm 34, und mit einem anderen zweiten Befestigunspunkt 35, mit Abstand zu dem Letzterem gelegen, angebracht, er ist gelenkig an einem Flügel 28 des Hilfsrotors 5 mittels eines zweiten Anschlussstücks 36 und eines zweiten Hebelarms 37 angebracht.
Der Befestigungspunkt 32 auf dem Hauptrotor 4 ist in einem Abstand D von der Achse 16 der Stange 15 der Propellerblätter 12 des Hauptrotors 4 gelegen, wobei der andere Befestigungs punkt 35 auf dem Hilfsrotor 5 in einem Abstand E von der Achse 38 der Pendelwelle 30 Hilfsrotors 5 gelegen ist.
Der Abstand D ist vorzugsweise größer als der Abstand E, und ungefähr das Doppelte dieses Abstands E, und beide Befestigunspunkte 32 und 35 des Stabs 31 sind, gesehen im Rotationssinn R, auf derselben Seite der Propellerblätter 12 des Hauptrotors 4 oder der Flügel 28 des Hilfsrotors 5 gelegen, mit anderen Worten sind beide auf der Vorderseite oder der Rückseite der Propellerblätter 12 und Flügel 28, gesehen im Rotationssinn, gelegen.
Auch schließt die Längsachse 29 der Flügel 28 des Hilfsrotors 5, gesehen im Rotationssinn R, vorzugsweise einen Winkel F mit der Längsachse 13 der Propellerblätter 12 des Hauptrotors 4 ein, deren eingeschlossener Winkel F in einer Größenordnung um die 10 Grad liegt, wodurch die Längsachse 29 der Flügel 28 der Längsachse 13 der Propellerblätter 12, gesehen im Rotationssinn R, voreilt. Unterschiedliche Winkel im Bereich von z.B. 5 bis 25 Grad können auch in Ordnung sein.
Der Hilfsrotor 5 ist mit zwei Stabilisierungsgewichten 39 ausgestattet, von denen jedes an einem Flügel 28 in einem Abstand zu der Rotorwelle 8 fixiert ist.
Des Weiteren ist der Helikopter mit einem Empfänger ausgestattet, so dass er aus einer Entfernung mittels einer nicht gezeigten Fernbedienung gesteuert werden kann.
Als eine Funktion der Helikopterausführung ist es möglich, durch Experimentieren die am Besten geeigneten Werte und Beziehungen der Winkel B, F und G, der Beziehung zwischen den Distanzen D und E, der Größe der Gewichte 39 und der Beziehung der Durchmesser zwischen dem Hauptrotor 4 und dem Hilfsrotor 5 zu suchen, um ein Maximum an Autostabilität zu gewährleisten.
Der Betrieb des verbesserten Helikopters 1 gemäß der Offenlegung ist wie folgt:
Im Flug werden die Rotoren 4, 5 und 6 mit einer bestimmten Geschwindigkeit angetrieben, wodurch eine relative Luftströmung in Bezug zu den Rotoren erzeugt wird, wodurch der Hauptrotor 4 eine Aufwärtskraft erzeugt, so dass der Helikopter 1 aufsteigt oder absteigt oder eine gewisse Höhe behält, und der Heckrotor 6 entwickelt eine seitlich gerichtete Kraft, die dazu verwendet wird, den Helikopter 1 zu steuern.
Es ist für den Hauptrotor 4 unmöglich, sich selbst abzugleichen, und er wird sich in der Ebene 14, in der er gestartet wurde, für gewöhnlich die horizontale Ebene, drehen. Unter dem Einfluss von Kreiselbewegung, Turbulenzen und anderen Faktoren wird er eine willkürliche unerwünschte Position einnehmen, wenn er nicht gesteuert wird.
Die Rotationsfläche des Hilfsrotors 5 kann eine andere Neigung in Bezug zu der Rotationsfläche 14 des Hauptrotors 8 einnehmen, wodurch beide Rotoren 5 und 4 andere Neigung zur Rotorwelle 8 einnehmen können.
Diese Neigungsdifferenz kann durch jede innere oder äußere Kraft oder Störung oder was auch immer entstehen.
In einer Situation, durch die der Helikopter 1 stabil auf einem Fleck in der Luft ohne jede störenden internen oder externen Kräfte schwebt, fährt der Hilfsrotor 5 fort, sich in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu der Rotorwelle 8 ist, zu drehen.
Wenn allerdings das Gehäuse 2 aufgrund irgendeiner Störung oder was auch immer aus der Balance gedrückt wird und die Rotorwelle 8 aus ihrer Gleichgewichtsposition abschwenkt, folgt der Hilfsrotor 5 nicht unmittelbar dieser Bewegung, da der Hilfsrotor 5 sich frei um die Pendelwelle 30 bewegen kann.
Der Hauptrotor 4 und der Hilfsrotor 5 sind in Bezug zu einander so angeordnet, dass eine Schwenkbewegung des Hilfsrotors 5 beinahe unmittelbar in die Steigung oder den Anstellwinkel A der einzustellenden Propellerblätter 12 übersetzt wird.
Für einen zweiblättrigen Hauptrotor 4 bedeutet dies, dass die Propellerblätter 12 und die Flügel 28 von beiden Rotoren 4 und 5 im Wesentlichen parallel sein müssen oder im Rotationssinn R gesehen einen spitzen Winkel miteinander von z.B. 10 Grad in dem Fall eines großen Hauptrotors 4 und eines kleineren Hilfsrotors 5 einschließen.
Dieser Winkel kann berechnet werden oder durch Experimentieren für jeden Helikopter 1 oder für Helikoptertyp ermittelt werden.
Wenn die Rotationsachse 8 eine andere Neigung einnimmt als diejenige, welche zu der oben erwähnten Gleichgewichtsposition in einer Situation korrespondiert, in der der Helikopter 1 schwebt, passiert Folgendes:
Ein erster Effekt ist, dass der Hilfsrotor 5 zuerst versuchen wird, seine absolute Neigung einzuhalten, wodurch sich die relative Neigung der Rotationsfläche des Hilfsrotors 5 in Bezug zu der Rotorwelle 8 verändert.
Demzufolge wird der Stab 31 den Anstellwinkel A der Propellerblätter 12 so einstellen, dass die Aufwärtskraft der Porpellorblätter 12 auf einer Seite des Hauptrotors 4 ansteigen wird und auf der diametral entgegengesetzten Seite dieses Hauptrotors abnehmen wird.
Daher ist die relative Position des Hauptrotors 4 und des Hilfsrotors 5 so ausgewählt, dass ein relativ unverzüglicher Effekt auftreten wird. Diese Änderung in der Aufwärtskraft stellt sicher, dass die Rotorwelle 8 und das Gehäuse 21 in ihre ursprüngliche Gleichgewichtsposition zurück gezwungen werden.
Ein zweiter Effekt ist, dass, da der Abstand zwischen den weit entfernten Enden der Flügel 28 und der Rotationsfläche 14 des Hauptrotors 4 nicht länger gleich ist, und da auch die Flügel 28 eine Aufwärtskraft hervorrufen, ein größerer Druck zwischen dem Hauptrotor 4 und dem Hilfsrotor 5 auf einer Seite des Hauptrotors 4 als auf der diametral entgegengesetzten Seite erzeugt wird.
Ein dritter Effekt spielt eine Rolle, wenn der Helikopter beginnt, nach vorne, nach hinten oder seitlich aufgrund von Störungen zu kippen. Genau wie in dem Fall eines Pendels wird der Helikopter dazu neigen, zurück in seine ursprüngliche Position zu gehen. Dieser Pendeleffekt generiert keine destabilisierenden Kreiselkräfte wie bei den bekannten Helikoptern, die mit einer quer zu den Propellerblättern des Hauptrotors gerichteten Stabilisatorstange ausgerüstet sind. Es bewirkt, dass der erste und zweite Effekt verstärkt werden.
Die Effekte haben unterschiedliche Ursprünge, aber analoge Eigenschaften. Sie verstärken sich gegenseitig so, um automatisch die Gleichgewichtsposition des Helikopters 1 ohne jeden Eingriff eines Piloten zu korrigieren.
Der Heckrotor 6 ist in einer schwingenden Art angebracht und stellt eine zusätzliche Stabilisierung zur Verfügung und er möglicht es dem Heckrotor 6, die Funktion des Kreisels anzunehmen, der oft in existierenden Helikoptern, wie z.B Modellhelikoptern, verwendet wird.
Im Fall einer Störung kann das Gehäuse 2 anfangen, sich um die Rotorwelle 8 zu drehen. Demzufolge dreht sich der Heckrotor 6 in einem Winkel in einem oder anderem Sinn um die Schaukelachse 21. Dies ist aufgrund der Kreiselbewegung, die auf den rotierenden Heckrotor 6 infolge der Rotation des Heckrotors 6 um die Rotorwelle 8 einwirkt. Die Winkelverschiebung ist eine Funktion der Amplitude der Störung und daher der Rotation des Gehäuses 2 um die Rotorwelle 8. Dies wird durch den Sensor 27 gemessen.
Das Signal des Sensors 27 wird durch ein Steuergerät eines Computers verwendet, um der Fehlfunktion entgegenzuwirken und um die Schubkraft des Heckrotors 6 so anzupassen, dass die auftretende Winkelverschiebung des Heckrotors 6 aufgrund der Störung aufgehoben wird.
Dies kann durch Einstellen der Geschwindigkeit des Heckrotors 6 und/oder durch Einstellen der Anstellwinkel der Propellerblätter des Heckrotors 6 gemacht werden, abhängig vom Helikoptertyp 1.
Falls notwendig, kann dieser Aspekt der Offenlegung separat angewendet werden, genauso wie der Aspekt des Hilfsrotors 5 separat angewendet werden kann, wie es z.B. mittels von 7 veranschaulicht wird, die einen Helikopter 1 gemäß der Offenlegung zeigt, bei dem ein Hauptrotor 4 mit einem Hilfsrotor 5 kombiniert ist, aber dessen Heckrotor 6 von der konventionellen Art ist, d.h. dessen Achse sich nicht mit einer Schaukel dreht, die aber in einem Lager in Bezug zum Heck 3 angebracht ist.
Praktisch macht es die Kombination beider Aspekte möglich, einen Helikopter herzustellen, der sehr stabil in jeder Richtung und in jeder Flugsituation ist und der einfach zu steuern ist, auch durch Personen, die wenig oder keine Erfahrung haben.
Es ist klar, dass der Hauptrotor 4 und der Hilfsrotor 5 nicht unbedingt als ein starres Ganzes gemacht werden müssen. Die Propellerblätter 12 und die Flügel 28 können auch so am Rotorkopf 7 vorgesehen sein, dass sie angebracht sind und relativ separat rotieren können. In diesem Fall z.B. können zwei Stäbe 31 verwendet werden, um jederzeit ein Propellerblatt 12 mit einem Flügel 28 zu verbinden.
Es ist auch klar, dass, falls notwendig, die Anschlussstücke und die gelenkigen Anschlussstücke auch auf andere Weise als die Gezeigten realisiert werden können, z.B. durch Zuhilfenahme eines flexiblen Torsionselements.
In dem Fall eines mehr als zwei Propellerblätter 12 aufweisenden Hauptrotors 4 sollte man vorzugsweise sicherstellen, dass wenigstens ein Propellerblatt 12 im Wesentlichen parallel zu einem der Flügel 28 des Hilfsrotors ist. Das Anschlussstück des Hauptrotors 4 wird vorzugsweise als ein Kugelgelenk oder als eine Stange 15 gemacht, welche im Wesentlichen quer zur Achse der Pendelwelle 30 des Hilfsrotors 5 gerichtet ist und welche sich im Wesentlichen in die Längsrichtung des einen Propellerblatts 12 erstreckt, welches im Wesentlichen parallel zu den Flügeln 28 ist.
In einer anderen Ausführung umfasst der Helikopter ein Gehäuse mit einem Heck, einen Hauptrotor mit Propellerblättern, der durch eine Rotorwelle angetrieben wird, an welcher die Blätter angebracht sind. Ein Heckrotor wird durch eine zweite quer zu der Rotorwelle des Hauptrotors gerichtete Rotorwelle angetrieben. Ein Hilfsrotor wird durch die Rotorwelle des Hauptrotors angetrieben und wird mit Flügeln von der Rotorwelle im Rotationssinn des Hauptrotors versehen.
Der Hilfsrotor ist schwenkbar an einer Pendelwelle angebracht und die Schwenkbewegung ist relativ aufwärts und abwärts um die Hilfswelle gerichtet. Die Hilfswelle ist im Wesentlichen quer zur Rotorwelle des Hauptrotors vorgesehen. Der Hauptrotor und der Hilfsrotor sind miteinander durch eine mechanische Verbindung verbunden, so dass die Schwenkbewegung des Hilfsrotors den Anstellwinkel von wenigstens einem der Rotorblätter des Hauptrotors steuert.
Der Anstellwinkel des Rotors in der Rotationsebene des Rotors und der Rotorwelle kann variieren. Ein mit der Rotorwelle rotierbarer Hilfsrotor ist für relative Pendelbewegung um die Rotorwelle. Unterschiedlich relative Positionen sind so, dass der Hilfsrotor bewirkt, dass der Anstellwinkel des Hauptrotors unterschiedlich ist. Eine Verbindung zwischen dem Hauptund dem Hilfsrotor bewirkt, dass Positionsänderungen des Hilfsrotors in Änderungen im Anstellwinkel übersetzt werden.
Die Propellerblätter des Hauptrotors bzw. die Flügel des Hilfsrotors sind jeweils miteinander mit einer mechanischen Verbindung verbunden, welche die relative Bewegung zwischen den Propellerblättern und den Flügeln des Hilfsrotors erlaubt. Ein Anschlussstück des Hauptrotors zu den Propellerblättern wird durch eine Stange gebildet, die an der Rotorwelle des Hauptrotors fixiert ist.
Die mechanische Verbindung beinhaltet einen gelenkig mit Flügeln des Hilfsrotors an einem Befestigungspunkt angebrachten Stab und ist gelenkig an einem anderen Befestigungspunkt an dem Propellerblatt des Hauptrotors angebracht.
Das Gehäuse beinhaltet quer zu einer Längsachse des Helikoptergehäuses gerichtete Tragflächen. Die Tragflächen sind 100 und 102, die quer und abwärts gerichtet sind, wobei die spitzen 104 und 106 der Tragflächen es ermöglichen, das Helikoptergehäuse auf dem Boden zu stabilisieren.
Es gibt einen abwärts gerichteten Stabilisator 108 am Heck des Helikopters. 15 zeigt auch eine Fernbedienung zum Betrieb des Helikopters. Diese Einheit kann geeignete computergesteuerte Bedienelemente zur Signalisierung des Betriebs der Motoren haben, welche die Rotoren und ihre relativen Positionen betreiben.
Die vorliegende Offenlegung ist nicht auf die beispielhaften und in den beiliegenden Figuren repräsentierte Ausführungsformen eingeschränkt. Viele unterschiedliche Variationen in der Größe und im Anwendungsgebiet und in Funktionen sind möglich. Z.B. sind statt zur Verfügung gestellten elektrischen Motoren andere Formen von motorisierter Kraft möglich. Eine unterschiedliche Anzahl von Blättern kann an den Rotoren angebracht sein.
Ein Helikopter gemäß der Offenlegung kann in allen Formarten und Dimensionen gemacht sein, während er noch im Anwendungsbereich der Offenlegung bleibt. In diesem Sinn können, obwohl der Helikopter in manchen Sinnen als Spielzeug- oder Modellhelikopter beschrieben wurde, die beschriebenen und aufgezeigten Funktionen teilweise oder ganz in einem originalgroßem Helikopter Verwendung finden.

Claims

Helikopter, umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Heck (3); einen Hauptrotor (4) mit zwei Propellerblättern (12), der durch eine Rotorwelle (8) angetrieben wird, an der die Propellerblätter (12) angebracht sind; einen Heckrotor (6), der durch eine zweite, quer zur Rotorwelle (8) des Hauptrotors (4) gerichteten Rotorwelle (17) angetrieben wird; einen durch die Rotorwelle (18) des Hauptrotors (4) im Rotationssinn des Hauptrotors (4) angetriebenen Hilfsrotor (5), wobei der Hilfsrotor (5) so angebracht ist, dass eine erste Längsachse (29) des Hilfsrotors (5) im Wesentlichen parallel oder in einem spritzen Winkel von 25° oder weniger relativ zu einer zweiten Längsachse (13) eines der Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) ausgerichtet ist, wobei der Hilfsrotor (5) schwenkbar an einer im Wesentlichen quer zur Rotorwelle (8) des Hauptrotors (4) vorgesehenen Pendelwelle (30) angebracht und die Schwenkbewegung relativ aufwärts und abwärts um die Pendelwelle (30) ist, wobei der Hauptrotor (4) und der Hilfsrotor (5) miteinander durch eine mechanische Verbindung verbunden sind, so dass die Schwenkbewegung des Hilfsrotors (5) den Anstellwinkel zumindest eines der Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) steuert.
Helikopter nach Anspruch 1, wobei die Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) im Wesentlichen in einer Linie miteinander ausgerichtet sind.
Helikopter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Hilfsrotor (5) zwei sich im Wesentlichen in Übereinstimmung mit der ersten Längsachse (29) sich erstreckende Rotorelemente, vorzugsweise Flügel (28), aufweist.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Längsachse (29) der Rotorelemente, vorzugsweise der Flügel (28), im Rotationssinn (R) der zweiten Längsachse (13) der Propellerblätter (12) vorauseilt.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hilfsrotor (5) ein schwenkbar um die Pendelwelle (30) angebrachtes starres Gesamtgebilde ist.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) an einem an durch eine Stange (15) gebildeten Anschlussstück angebracht sind, welches an der Rotorwelle (8) des Hauptrotors (4) fixiert ist.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Verbindung einen Stab (31) enthält, der an einem Befestigungspunkt (32) an einem Propellerblatt (12) des Hauptrotors (4) gelenkig angebracht ist, und der an einem anderen Befestigungspunkt (35) an einem Rotorelement, vorzugsweise einem Flügel (28), des Hilfsrotors (5) gelenkig angebracht ist.
Helikopter nach Anspruch 7, wobei der eine Befestigungspunkt (32) des Stabs (31) am Hauptrotor (4) in einem Abstand von der Achse der Stange (15) der Propellerblätter (12) gelegen ist, und der anderere Befestigungspunkt (35) des Stabs (31) auf dem Hilfsrotor (5) in einem Abstand von der Achse der Pendelwelle (30) des Hilfsrotors (5) gelegen ist.
Helikopter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Abstand zwischen dem einen Befestigungspunkt (32) des Stabs (31) am Hauptrotor (4) und der Achse der Stange (15) der Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) größer ist als der Abstand zwischen dem anderen Befestigungspunkt (35) des Stabs (31) am Hilfsrotor (5) und der Achse der Pendelwelle (30) des Hilfsrotors (5).
Helikopter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Abstand zwischen dem einen Befestigungspunkt (32) des Stabs (31) am Hauptrotor (4) und der Achse der Stange (15) der Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) ungefähr das Doppelte des Abstands zwischen dem anderen Befestigungspunkt (35) am Hilfsrotor (5) und der Achse der Pendelwelle (30) des Hilfsrotors (5) ist.
Helikopter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Stab (31) an Hebelarmen befestigt ist, die am Hauptrotor (4) bzw. am Hilfsrotor (5) vorgesehen sind.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Längsachse (29) der Rotorelemente, vorzugsweise der Flügel (28), des Hilfsrotors (5) im Rotationssinn (R) in einem Winkel von 5° bis 25°, vorzugsweise ungefähr 10 Grad, mit der zweiten Längsachse (13) eines der Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) gelegen ist.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Längsachse (13) eines der Propellerblätter (12) des Hauptrotors (5) im Rotationssinn (R) in einem spitzen Winkel oder im wesentlichen parallel mit der Achse der Stange (15) angeordnet ist.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Durchmesser des Hilfsrotors (5) kleiner als ein Durchmesser des Hauptrotors (4) ist.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hilfsrotor (5) mit Stabilisierungsgewichten (39) ausgestattet ist.
Helikopter nach Anspruch 15, wobei die Stabilisierungsgewichte in einem Abstand zur Rotorwelle (8) an jeweils einem Rotorelement, vorzugsweise einem Flügel (28), fixiert sind.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) Tragflächen (100, 102) enthält, die quer zu einer Längsachse des Gehäuses (2) ausgerichtet sind.
Helikopter nach Anspruch 17, wobei die Tragflächen (100, 102) quer und abwärts ausgerichtet sind, und wobei Spitzen (104, 106) der Tragflächen (100, 102) eine Stabilisierung des Gehäuses (2) am Boden ermöglichen.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Heck (3) ein abwärts gerichteter Stabilisator vorgesehenen ist.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine unterschiedliche Relativposition des Hilfsrotors (5) und des Hauptrotors (4) eine Änderung des Anstellwinkels der Propellerblätter (12) des Hauptrotors (4) bewirkt.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Verbindung zwischen dem Haupt- (4) und dem Hilfsrotor (5) die Änderungen im Anstellwinkel auf die Propellerblätter (12) übersetzt.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Heckrotor (6) mit seiner Rotorwelle (17) in einer um eine Schaukelachse (21) rotierbaren Schaukel (20) aufgehängt ist, wobei die Schaukelachse (21) sich im Wesentlichen in der Längsrichtung des Gehäuses (2) erstreckt.
Helikopter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei er mit einem Empfänger ausgestattet ist, so dass er als Spielzeughelikopter mit einer Fernsteuerung steuerbar ist.