無(wú)人駕駛的飛機(jī)和用于無(wú)人駕駛的飛機(jī)的運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無(wú)人駕駛的飛機(jī)以及用于無(wú)人駕駛的飛機(jī)的運(yùn)行方法。
[0002]無(wú)人駕駛的飛機(jī)、也稱(chēng)為遙控飛機(jī)(D1hne)或UAV (無(wú)人機(jī))是無(wú)人駕駛的航空飛行器，其例如為了測(cè)量目的可以應(yīng)用為目標(biāo)描述遙控飛機(jī)用于監(jiān)控、偵查、勘探，或者也可以在裝備有武器的情況下尤其在戰(zhàn)區(qū)中應(yīng)用。遙控飛機(jī)可以在例如軍事、情報(bào)服務(wù)或者民用上所使用。遙控飛機(jī)無(wú)人駕駛地飛行要么自動(dòng)化地通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制要么從地面通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)或者通過(guò)衛(wèi)星傳輸來(lái)控制。根據(jù)使用和配備，遙控飛機(jī)可以承載有效載荷，如例如用于軍事上攻擊的火箭。
[0003]在通常的語(yǔ)言應(yīng)用中，針對(duì)這樣的飛機(jī)常用縮寫(xiě)UAV用于“Unmanned AerialVehicle (無(wú)人機(jī))”。另外采用縮寫(xiě)UAS用于“Unmanned Aircraft System (無(wú)人駕駛的飛行器系統(tǒng))”。該名稱(chēng)包括由飛行的遙控飛機(jī)、用于起動(dòng)和必要時(shí)降落的地面站臺(tái)以及用于引導(dǎo)和監(jiān)控飛行的站臺(tái)組成的整個(gè)系統(tǒng)。
[0004]在 Reg Austin:αUnmanned Aircraft Systems - UAVS design, developmentand deployment”，Wiley出版社，2010中全面描述UAS和不同的UAV。這里的公開(kāi)內(nèi)容建立在該文獻(xiàn)中的知識(shí)上；該文獻(xiàn)以此通過(guò)參考被并入。
【背景技術(shù)】
[0005]從DE 10 2010 021 022 Al 中已知螺旋槳飛機(jī)(Kippf luegel-Flugzeug)的形式的 UAV0
[0006]從US 8 128 019 B2以及EP 2 196 392 A2中已知帶有混合動(dòng)力系統(tǒng)的UAV。這兩個(gè)文獻(xiàn)涉及微型UAV，其可以由步兵(Fufltruppe)在戰(zhàn)場(chǎng)中隨身攜帶并且可以以非常小的功率在較低的高度中飛行。在這里以恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行內(nèi)燃機(jī)；可變地運(yùn)行附加的電動(dòng)馬達(dá)，從而在簡(jiǎn)單的和輕量的結(jié)構(gòu)中實(shí)施功率調(diào)節(jié)。
[0007]帶有從大約70 kg到大約1000 kg的最大起飛重量的較大的UAV現(xiàn)在單獨(dú)以活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其中通常使用奧托馬達(dá)(Otto-Motor)。更大的UAV通常具有燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置，從而可以產(chǎn)生相應(yīng)的功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明尤其針對(duì)這種帶有從大約70 kg起的最大起飛重量的較大的UAV，并且目標(biāo)是提供一種帶有成本合適的、但是非常多樣地可用于不同的飛行功能的驅(qū)動(dòng)器的無(wú)人駕駛的飛行器。
[0009]該目的通過(guò)帶有權(quán)利要求1的特征的無(wú)人駕駛的飛機(jī)解決。
[0010]本發(fā)明有利的設(shè)計(jì)方案是從屬權(quán)利要求的主題。在并列權(quán)利要求中說(shuō)明了有利的運(yùn)行方法。
[0011]本發(fā)明提供一種無(wú)人駕駛的飛機(jī)，其驅(qū)動(dòng)器包括構(gòu)造為柴油和/或煤油馬達(dá)的帶有用于馬達(dá)增壓(Motoraufladung)的增壓裝置(Ladereinrichtung)的內(nèi)燃機(jī)。
[0012]優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)器是混合驅(qū)動(dòng)器，其除內(nèi)燃機(jī)之外還包括電動(dòng)馬達(dá)和用以存儲(chǔ)用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)的電能的蓄能裝置。
[0013]優(yōu)選地，混合驅(qū)動(dòng)器具有可切換的離合器裝置，利用所述離合器裝置所述內(nèi)燃機(jī)和/或所述電動(dòng)馬達(dá)可以選擇性地與推力產(chǎn)生器連接。
[0014]優(yōu)選地，可以選擇性地以并聯(lián)或串聯(lián)的方式運(yùn)行所述內(nèi)燃機(jī)和所述電動(dòng)馬達(dá)。
[0015]優(yōu)選地，增壓裝置被構(gòu)造用于多級(jí)的增壓且/或至少包括尤其用于多級(jí)的增壓的第一增壓器和第二增壓器。
[0016]優(yōu)選地，增壓裝置包括至少一個(gè)通過(guò)廢氣能量可驅(qū)動(dòng)的增壓器。
[0017]優(yōu)選地，增壓裝置包括至少一個(gè)機(jī)械的增壓器。
[0018]優(yōu)選地，至少一個(gè)機(jī)械的增壓器可以通過(guò)內(nèi)燃機(jī)的輸出軸和/或通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
[0019]優(yōu)選地，機(jī)械的增壓器可以通過(guò)混合驅(qū)動(dòng)器的電動(dòng)馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
[0020]優(yōu)選地，設(shè)置有控制器，利用所述控制器可以依賴(lài)于在飛行運(yùn)行中不同的參數(shù)來(lái)控制增壓裝置和/或混合驅(qū)動(dòng)器。
[0021]優(yōu)選地，控制器構(gòu)造成依賴(lài)于高度、起動(dòng)或降落飛行相對(duì)于豎直線(xiàn)的角度、期望的速度、允許的散發(fā)熱量、允許的運(yùn)行噪聲級(jí)和/或溫度這些參數(shù)中的至少一個(gè)參數(shù)來(lái)控制增壓裝置和/或混合驅(qū)動(dòng)器、尤其馬達(dá)增壓的第一和/或第二級(jí)的接通和切斷或電動(dòng)馬達(dá)的接通和切斷。
[0022]優(yōu)選地，內(nèi)燃機(jī)是旋轉(zhuǎn)活塞馬達(dá)(Kreiskolbenmotor)。
[0023]優(yōu)選地，飛機(jī)具有大于70 kg和尤其大于250 kg的最大起飛重量。
[0024]根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種用于運(yùn)行這樣的無(wú)人駕駛的飛機(jī)的方法，其特征在于:
依賴(lài)于高度、起動(dòng)或者降落飛行相對(duì)于豎直線(xiàn)的角度、期望的速度、允許的散發(fā)熱量、允許的運(yùn)行噪聲級(jí)和/或溫度這些參數(shù)中的至少一個(gè)參數(shù)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)燃機(jī)的增壓和/或混合驅(qū)動(dòng)器的電動(dòng)馬達(dá)和內(nèi)燃機(jī)的共同作用。
[0025]優(yōu)選地，在超過(guò)或者低于用于所述至少一個(gè)參數(shù)的預(yù)設(shè)的極限值的情況下:
-第一增壓級(jí)；
-第二增壓級(jí)，
-機(jī)械的增壓器，
-電的增壓器，
-第一廢氣增壓器，
-第二廢氣增壓器或者 -除運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機(jī)之外的電動(dòng)馬達(dá)和/或
-除運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)馬達(dá)之外內(nèi)燃機(jī)被接通或者斷開(kāi)。
[0026]UAV對(duì)于最不同的應(yīng)用以不同的配置在軍事上和民用上使用。在能量效率方面純粹電的驅(qū)動(dòng)器是有利的。在熱的特征(Signatur )或者聲的特征方面純粹電的驅(qū)動(dòng)器尤其在軍事的使用中也是有利的。換句話(huà)說(shuō)在軍事的使用中用于UAV的電的驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)在于，特別安靜的飛行運(yùn)行和/或帶有較低熱排放的飛行運(yùn)行是可行的，從而減小發(fā)現(xiàn)UAV的危險(xiǎn)。
[0027]但是現(xiàn)在純粹電的驅(qū)動(dòng)器僅僅適用于低功率和短的飛行時(shí)間。例如純粹電的驅(qū)動(dòng)器可描述針對(duì)在20分鐘和最大3小時(shí)之間的飛行時(shí)間中直到大約70 kg的最大起動(dòng)重量的策略上的UAV。然后典型的驅(qū)動(dòng)器功率為在2和20kW之間。但是在此在當(dāng)前的電池的存儲(chǔ)密度中存在問(wèn)題。
[0028]為了電的驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)也可用于較大的UAV并且也可用于較高的飛行高度和其它的距離、尤其用于MALE等級(jí)(中等高度長(zhǎng)持久性)的UAV或者也用于HALE等級(jí)(高的高度長(zhǎng)持久性)的UAV，本發(fā)明設(shè)置柴油或者煤油驅(qū)動(dòng)的并且具有增壓的內(nèi)燃機(jī)的使用。
[0029]特別優(yōu)選地該內(nèi)燃機(jī)是混合驅(qū)動(dòng)器的部份，尤其設(shè)置柴油電的混合驅(qū)動(dòng)器。
[0030]柴油和煤油馬達(dá)可以普遍地使用，例如也作為航行支持的UAV的驅(qū)動(dòng)器。相應(yīng)的馬達(dá)具有相比于奧托馬達(dá)或者燃?xì)廨啓C(jī)更小的燃料需求并且具有更好的部份負(fù)荷工況。
[0031]為了在能量上和系統(tǒng)技術(shù)上的優(yōu)化，根據(jù)本發(fā)明設(shè)置了通過(guò)增壓裝置進(jìn)行增壓。
[0032]如果在這里對(duì)于增壓器使用內(nèi)燃機(jī)的廢氣能量(如例如柴油馬達(dá)的廢氣能量)，則由此可以顯著地降低熱的特征。
[0033]優(yōu)選地這樣增壓的柴油或者煤油內(nèi)燃機(jī)與電的部件在用于UAV的動(dòng)力總成系統(tǒng)中結(jié)合。這尤其提供下述優(yōu)點(diǎn):
-例如在排放區(qū)域中純粹電的運(yùn)行是可行的。在使用內(nèi)燃機(jī)的情況中可以實(shí)現(xiàn)飛行，其中在排放區(qū)域中實(shí)現(xiàn)純粹的或者盡可能電的運(yùn)行，從而降低熱和聲的特征并且這樣提高飛機(jī)的安全性。
[0034]-通過(guò)接入(Aufschaltung)電動(dòng)馬達(dá)到機(jī)械的傳動(dòng)系中可實(shí)現(xiàn)助力運(yùn)行(Boost-Betrieb)o這樣的助力運(yùn)行可以例如應(yīng)用于在嚴(yán)苛的環(huán)境條件中的起動(dòng)和/或降落階段或者應(yīng)用于逃離或者應(yīng)用于需要不尋常的高功率的其它的情況。
[0035]-這樣的驅(qū)動(dòng)器可以用于所有UAV的可行的配置。UAV可以具有例如直升飛機(jī)配置、A/C配置、傾斜翼配置(Tilt-Wing-Konfigurat1n)和/或傾轉(zhuǎn)旋翼配置(Tilt-Rotor-Konfigurat1n)。
[0036]尤其根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施形式，UAV可以利用螺旋槳驅(qū)動(dòng)器(Propellerantrieb)和/或葉輪驅(qū)動(dòng)器或者利用每單個(gè)內(nèi)燃機(jī)的功率等級(jí)30kW到400kW的轉(zhuǎn)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在需要較高功率時(shí)可以使用例如多個(gè)內(nèi)燃機(jī)。特別有利地考慮柴油/煤油旋轉(zhuǎn)活塞馬達(dá)。
[0037]這樣的旋轉(zhuǎn)活塞馬達(dá)構(gòu)造為非常緊湊并且(即使在利用柴油或者煤油的情況下)相對(duì)輕量。另外所述旋轉(zhuǎn)活塞馬達(dá)可以簡(jiǎn)單地以多個(gè)功率級(jí)來(lái)制造。對(duì)于下面的功率級(jí)可以設(shè)置例如單片旋轉(zhuǎn)活塞馬達(dá)；在較大的功率級(jí)中使用另一種片等等。
[0038]特別優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案涉及將這樣的內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)馬達(dá)和電的蓄能器結(jié)合成混合驅(qū)動(dòng)器，其優(yōu)選地設(shè)置為在針對(duì)內(nèi)燃機(jī)設(shè)置不同的增壓概念的情況中的并聯(lián)混合。
[0039]優(yōu)選地UAV設(shè)置有“重質(zhì)燃料”燃料運(yùn)行和增壓。對(duì)“重質(zhì)燃料”尤其在美國(guó)理解為柴油和/或煤油驅(qū)動(dòng)器。
[0040]雖然帶有增壓的柴油馬達(dá)當(dāng)然在汽車(chē)技術(shù)中已知。提到例如“Smart”_PKW (轎車(chē))的三缸渦輪柴油馬達(dá)作為對(duì)于已知的帶有增壓的柴油馬達(dá)的實(shí)例，三缸渦輪柴油馬達(dá)作為單個(gè)馬達(dá)也可以在市場(chǎng)上獲得。在本發(fā)明中帶有增壓的柴油馬達(dá)或者帶有增壓的煤油馬達(dá)用于無(wú)人駕駛的飛機(jī)。這尤其在UAV的航行相關(guān)的應(yīng)用中是有利的。
[0041]內(nèi)燃機(jī)的增壓是特別有利的。例如在使用廢氣能量的情況中設(shè)置增壓。在這里使用尤其與廢氣渦輪機(jī)耦合的增壓器一 “渦輪增壓器”。尤其廢氣能量二級(jí)地被相繼接通的廢氣渦輪機(jī)充分使用。通過(guò)使用廢氣能量實(shí)現(xiàn)廢氣溫度的減小。由此減小對(duì)于UAV的紅外線(xiàn)探測(cè)的特征。
[0042]利用柴油或者煤油待運(yùn)行的馬達(dá)的另外的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)奧托馬達(dá)或者燃?xì)廨啓C(jī)的較好的效率以及較好的部份負(fù)荷工況；此外這樣的馬達(dá)是較耐用的。柴油馬達(dá)在較低的轉(zhuǎn)速情況下輸出其額定功率。
[0043]特別優(yōu)選地至少設(shè)