Hochgeschwindigkeits-Hubschrauber

Gewichtsklasse       4,0 to
Besatzung 1 + 9
Geschwindigkeit   500 km/h  (270 kts)
Reichweite 2.400 km  (1,300 nm)
Rotoren Durchmesser  870 cm  -   400cm
Antrieb Brennkraftmaschine       Motoren (inkl. Getriebe)
Leistung 1.450 kW  (1.972 PS)        2 x 838 kW  (2 x 1.140 PS)
Gewicht 148 kg                               2 x 82 kg
Abmessungen 70 cm x 63 cm x 44 cm     Ø 25 cm x 39 cm

Hubschrauber sind derzeit für hohe Geschwindigkeiten und große Reichweiten weniger geeignet. Die geforderten wesentlich höheren Flugleistungen (Geschwindigkeit, Reichweite, Nutzlast) erfordern geringere Luftwiderstände und Gewichte die wirtschaftlich nur mit Flächenflugzeugen erreicht werden.

Konventionelle Hubschrauber erzielen Geschwindigkeiten von ca. 320 km/h da bei zunehmenden Geschwindigkeiten das rückläufige Rotorblatt Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzt ist die nicht mehr den erforderlichen Auftrieb erzeugen. Gegenläufige Koaxial-Rotoren vermeiden die Auswirkungen dieses Effektes, sind jedoch schwerer, mechanisch aufwendig und erhöhen den Luftwiderstand, den Verbrauch und die Kosten erheblich. Flugzeuge mit schwenk-baren Antrieben erfordern Rotor/Propeller Einheiten die einen sehr weiten Operationsbereich (Geschwindigkeit, Schub) abdecken. Die einzugehenden Kompromisse resultieren in große, komplexe Rotor/ Propeller Antriebe die für jeden Flugzustand (Abheben, Transition, Reiseflug) nicht optimal und auch für konventionelle, mehr leistungsfähigere Start- und Landevorgänge kaum geeignet sind.

VTOL position

Fortschrittliche hydrostatische Antriebe besitzen die Flexibilität und sehr hohe Leistungsdichte die für das Konzept des neuen Hoch-geschwindigkeits-Hubschraubers erforderlich sind. Rotor und Pro-peller erzeugen hier den Schub für das vertikale Abheben und die Transition. In der vertikalen Phase ist die Propellerachse auf die Landefläche gerichtet und seitlich leicht ausgelenkt um das Moment des Rotors auszugleichen. Im Reiseflug erzeugen kurze Flügel den Auftrieb und der in eine horizontale Lage schwenkbare Propeller im Heck den Vortrieb.

Das Konzept ermöglicht einen kleineren, vereinfachten Rotor der nur für das Abheben und geringe Fluggeschwindigkeiten ausgelegt ist. Mit zunehmender horizontaler Geschwindigkeit erhöht sich der Auftrieb der Tragflächen und der Rotor wird stillgelegt, die Blätter in Parallelposition gebracht und der gesamte Rotor-Mechanismus im Rumpf versenkt. Die Auslenkung des Propellers wird aufgehoben, dient aber während des Reisefluges der Richtungsänderung. Der Luftwiderstand des Hubschraubers wird dadurch um bis zu 50% reduziert. Falls erforderlich kann ein vereinfachtes Leitwerk vorgesehen werden.

Der aerodynamische Widerstand des Hubschraubers erreicht damit, unter Berücksichtigung des geringeren Luftwiderstandes der Antriebsmaschine und der kleineren Tragwerke, nahezu den eines Flächenflugzeuges und dadurch dessen höhere Geschwindigkeiten und Reichweiten. Die Geräuschentwicklung und der Flugkomfort (Vibrationen) sind ebenso erheblich besser.

Die 3-zylindrige Frei-Kolben Maschine erzielt eine drastische Verbesserung des Leistungsgewichtes und eine Reduzierung der Strömungsschwankungen, vorteilhaft für den Antrieb ohne Ener-giespeicher. Das Gewicht der neuen Antriebsmaschine ist um 35% geringer als das einer Wellenturbine und der niedrige Verbrauch reduziert das Gewicht des mitzuführenden Kraftstoffes um nahezu 50%. Die Gewichtsangaben basieren auf Gehäusen in Titan Ausführung. (Siehe Tabelle: Vergleich - Brennkraftmaschinen)

U.S. Patent angemeldet.

Die Darstellungen zeigen den Hubschrauber in Reiseflug und Vertical Take-Off and Landing (VTOL) Position. Die Antriebs-komponenten sind maßstabsgetreu dargestellt.

High-Speed Helicopter

 

Weight class      

 

4.0 to

Occupants 1 + 9
Speed 270 kt.      (310 mph)
Travel 1,300 nm  (1,500 miles)
Rotors Ø 28’ 6”      Ø13’
Powertrain             Engine                            Motors  (incl. gears)
Power 1,972 hp                           2 x 1.140 hp 
Weight 325 lbs.                            2 x 180 lbs.   
Dimensions 28” x 25“ x 17“                 Ø 10” x 15”

Currently, helicopters are not well suited for high speeds and long travel distances. Significantly higher performances (speed, distance, pay load) require a lower air drag and weight, economically obtainable only with winged aircraft.

Conventional helicopters reach speeds of about 175 kt. (200 mph), limited by the reduced speed at the tip of the retreating rotor blade, creating air velocities not capable of providing the required lift forces. Counter-rotating coaxial rotors prevent the effect of declining lift forces, but are mechanically complex and heavy, increasing the air drag, costs, and fuel consumption significantly. Aircrafts with a tiltable propeller drive/wing system require rotor/propeller units with a very wide opera-ting range (speed, thrust), resulting in large, complex rotor/propeller drives which are not optimal for neither horizontal nor vertical flight. They are also not practical for the more economical conventional start and landing.

 

Flight position

Advanced hydrostatic drives have the flexibility and very high power density required for the concept of the new High-Speed Helicopter. The rotor and propeller deliver here the thrust for vertical take-off and the transition. In the vertical phase the propeller points toward the landing pad and is slightly tilted sideways to counter the moment of the rotor. During horizontal flight and higher speeds, the short wings provide the lift forces and the tiltable propeller in the rear the thrust.

The concept allows for a smaller, simplified rotor, designed only for vertical take-off and low horizontal speeds. At higher speeds, the lifting forces of the wing increase and the rotor will be shut down, the blades brought into parallel position, and the whole rotor mechanism sub-merged into the fuselage. The sideways tilting of the propeller is dis-continued, but used to change the direction of flight. This reduces the air drag of the helicopter by up to 50%. A simple tail plane can be added if needed.

The aerodynamic drag of the helicopter achieves, considering the lower air drag of the new hydrostatic drive and smaller wings, nearly that of winged aircraft and its high speeds and travel distances. The noise level and comfort (vibrations) will also be significantly improved.

The 3-cylinder free-piston engine achieves significant improvements in specific power (kW/kg) and a reduction in flow pulsation, advantageous for operations without a larger accumulator. The weight is ca. 35% lower than that of a turboshaft engine and the lower fuel consumption reduces the weight of the fuel by nearly 50%. The weight is based on Titanium housings. (See table: Comparison – Combustion Engines)

U.S. Patent pending.

The pictures show the helicopter in cruise and Vertical Take-Off and Landing (VTOL) position. The drivetrain components are shown in scale.

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