DE102010052150A1

DE102010052150A1 - Rotational energy adjustment device, emergency generator and aircraft

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Publication number: DE102010052150A1
Application number: DE201010052150
Authority: DE
Inventors: Dr. Steinwandel Jürgen; Johannes Stuhlberger; Dr. Kurth Guido; Dr. Jänker Peter
Original assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Bayern Chemie Gesellschaft fuer Flugchemische Antriebe mbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-05-24
Also published as: WO2012069348A1

Abstract

Ein Luftfahrzeug (10) ist für den Fall eines Ausfalls der Hauptenergiequelle (36) mit einem Notstromaggregat (38) ausgestattet, welches eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) sowie einen Generator (48) aufweist, welcher aus der erzeugten Rotationsenergie elektrische Energie für ein Bordnetz (33) des Luftfahrzeuges (10) bereit stellt. Die Rotationsenergie in der Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) wird durch Zündung eines Feststofftreibsatzes (44) und nachfolgendem Antrieb einer Turbine (46) durch die durch Verbrennung des Feststofftreibsatzes (44) freigesetzten Schubgase (57) erzeugt.An aircraft (10) is equipped in the event of failure of the main energy source (36) with an emergency generator (38) having a Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung (58) and a generator (48), which from the rotational energy generated electrical energy for a vehicle electrical system (33 ) of the aircraft (10). The rotational energy in the rotational energy providing device (58) is generated by firing a solid propellant charge (44) and then driving a turbine (46) through the propellant gases (57) released by combustion of the solid propellant charge (44).

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Rotationsenergie aus chemischer Energie. Weiter betrifft die Erfindung ein Notstromaggregat mit einer Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung und mit einem Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie aus der Rotationsenergie und ein damit ausgestattetes Luftfahrzeug.The invention relates to a rotational energy supply device and a method for generating rotational energy from chemical energy. Furthermore, the invention relates to an emergency generator with a rotational energy supply device and with a generator for generating electrical energy from the rotational energy and an aircraft equipped therewith.

Wenn eine Hauptenergiequelle eines Luftfahrzeuges, wie beispielsweise eines Flugzeuges oder eines Hubschraubers, kurzfristig oder endgültig ausfällt, ist eine Aufrechterhaltung der Bordfunktionen von Vorteil, da so die Flugfähigkeit sichergestellt wird und die Hauptenergiequelle entweder wieder gestartet oder das Luftfahrzeug sicher gelandet werden kann. Die Bordfunktionen können jedoch nur aufrecht erhalten werden, wenn über das Bordnetz elektrische Energie zur Verfügung steht. Je nach gewünschtem Manöver – entweder Neustart der Hauptenergiequelle oder Landung – ist dazu eine elektrische Energiezufuhr in einem Zeitraum von wenigen Sekunden bis zu mehreren Minuten nötig.Maintaining on-board functions is advantageous when a major source of power of an aircraft, such as an airplane or helicopter, fails, either, to ensure airworthiness and either re-start the main power source or safely land the aircraft. However, the on-board functions can only be maintained if electrical energy is available via the vehicle electrical system. Depending on the desired maneuver - either restarting the main energy source or landing - an electrical energy supply in a period of a few seconds to several minutes is necessary.

Für solche Fälle besteht die Möglichkeit, Batterien oder auch Brennstoffzellen einzusetzen. Diese Systeme sind jedoch vergleichsweise schwer und sie sind daher nur bedingt für ein fliegendes Gerät geeignet. Bei Brennstoffzellen ist zudem ein zusätzlicher Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, erforderlich. Außerdem ist bei beiden Systemen zu berücksichtigen, dass sie eine ständige Wartung zum Erhalt der Funktionalität benötigen.For such cases, it is possible to use batteries or fuel cells. However, these systems are relatively heavy and therefore they are only partially suitable for a flying device. For fuel cells, an additional fuel, usually hydrogen, is also required. In addition, both systems need to be aware that they require constant maintenance to maintain functionality.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie zur Versorgung der Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges vorzuschlagen, wobei die Vorrichtung ein geringes Gewicht aufweist und weitgehend wartungsfrei ist.The object of the invention is to propose a device for providing electrical energy for supplying the on-board functions of an aircraft, wherein the device has a low weight and is largely maintenance-free.

Diese Aufgabe wird mit einer Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie, ein Luftfahrzeug mit einem solchen Notstromaggregat sowie ein Verfahren zum Bereitstellen von Rotationsenergie sind Gegenstand der Nebenansprüche.This object is achieved with a rotational energy supply device according to claim 1. An emergency generator for providing electrical energy, an aircraft with such emergency generator and a method for providing rotational energy are the subject of the additional claims.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung zum verzögerungsfreien Bereitstellen von Rotationsenergie für einen Generator weist einen zündbaren Feststofftreibsatz zum Freisetzen von kinetischer Energie bei Zündung und eine Turbine zum Umwandeln der von dem Feststofftreibsatz freigesetzten kinetischen Energie in Rotationsenergie auf.A rotary energy supply apparatus for providing rotational energy to a generator instantaneously includes an ignitable solid propellant for releasing kinetic energy upon ignition and a turbine for converting the kinetic energy released from the solid propellant into rotational energy.

Wird der Feststofftreibsatz gezündet, wird dadurch die Aktivierungsenergie erzeugt, die nötig ist, um die in dem Feststofftreibsatz gespeicherte chemische Energie freizusetzen und in kinetische Energie umzuwandeln. Eine in der Nähe des Feststofftreibsatzes angeordnete Turbine wird durch Wechselwirkung der kinetischen Energie mit den Schaufeln der Turbine angetrieben und beginnt, sich zu drehen. Durch diesen Vorgang wird die von dem Feststofftreibsatz freigesetzte kinetische Energie in Rotationsenergie umgewandelt. Die derart erzeugte mechanische Energie kann zum Erzeugen von elektrischer Energie und somit zum Versorgen von Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges verwendet werden. Die Größe und das Gewicht der Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung hängt lediglich von den in dem Feststofftreibsatz verwendeten Substanzen und deren gespeicherter chemischer Energie ab. Somit kann ein kompakter, leichter Aufbau zum Erzeugen von Rotationsenergie zur Verfügung gestellt werden.When the solid propellant is ignited, it generates the activation energy needed to release the chemical energy stored in the solid propellant and convert it into kinetic energy. A turbine located near the solids propellant is driven by interaction of the kinetic energy with the blades of the turbine and begins to rotate. This process converts the kinetic energy released from the solid propellant into rotational energy. The mechanical energy generated in this way can be used to generate electrical energy and thus to supply on-board functions of an aircraft. The size and weight of the rotational energy delivery device depends only on the substances used in the solid propellant and their stored chemical energy. Thus, a compact, lightweight structure for generating rotational energy can be provided.

Vorzugsweise ist der Feststofftreibsatz derart ausgebildet, dass er nach Zündung in einem Zeitraum von 10 s bis 300 s Schubgas in Richtung der Turbine freisetzt und somit die Turbine antreibt. Ein explosionsartiges Freisetzen von kinetischer Energie ist im Falle eines Ausfalles der Hauptenergiequelle eines Luftfahrzeuges nur von geringem Vorteil, da somit nur kurzzeitig, wenn auch in hohem Maße, Energie erzeugt werden kann. Ist der Feststofftreibsatz jedoch vorzugsweise derart ausgebildet, dass er über einen längeren Zeitraum kinetische Energie in Form von sich bewegendem Gas – Schubgas – freisetzt, kann die Turbine zur Erzeugung der Rotationsenergie über einen längeren Zeitraum angetrieben werden und somit auch über einen längeren Zeitraum elektrische Energie erzeugt werden. Damit steht vorteilhaft eine ausreichende Zeitspanne zur Verfügung, um die Hauptantriebsquelle des Luftfahrzeuges wieder zu starten bzw. um das Luftfahrzeug zu landen.Preferably, the solid propellant is designed such that it releases after ignition in a period of 10 s to 300 s thrust gas in the direction of the turbine and thus drives the turbine. An explosive release of kinetic energy is in the case of a failure of the main energy source of an aircraft only of little advantage, since thus only a short time, albeit to a large extent, energy can be generated. However, if the solid propellant is preferably designed to release kinetic energy in the form of moving gas - propellant gas for a prolonged period of time, the turbine may be driven to generate the rotational energy over an extended period of time and thus generate electrical energy over a longer period of time become. This is advantageously a sufficient amount of time available to restart the main drive source of the aircraft or to land the aircraft.

Vorteilhaft weist der Feststofftreibsatz wenigstens ein anorganisches Oxidationsmittel und wenigstens eine metallische Brennstoffkomponente auf.Advantageously, the solid propellant at least one inorganic oxidizing agent and at least one metallic fuel component.

Die anorganischen Oxidationsmittel zerfallen vorteilhaft beim Verbrennen in Substanzen, die die metallische Brennstoffkomponente verbrennen, wobei große Hitze entsteht und damit eine große Energie freigesetzt wird. Die Energie wird vorzugsweise durch Ausstoß von Reaktionsgasen auf die Schaufeln einer Turbine übertragen, die aus der so freigesetzten kinetischen Energie Rotationsenergie erzeugt.The inorganic oxidizing agents decompose advantageously when burned into substances that burn the metallic fuel component, whereby large heat is generated and thus a large energy is released. The energy is preferably transferred to the blades of a turbine by the emission of reaction gases, which generates rotational energy from the kinetic energy thus released.

Das anorganische Oxidationsmittel ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die NH₄ClO₄, NH₄NO₃, K, Na, Li, CaO₂, BaO₂ und Na₂O₂ enthält, ausgewählt.The inorganic oxidizing agent is preferably selected from a group containing NH ₄ ClO ₄ , NH ₄ NO ₃ , K, Na, Li, CaO ₂ , BaO ₂ and Na ₂ O ₂ .

Die wenigstens eine metallische Brennstoffkomponente ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die Mg, Mg-Al-Legierungen, Al, Ti, Zr, Fe, B und Si enthält, ausgewählt. The at least one metallic fuel component is preferably selected from a group containing Mg, Mg-Al alloys, Al, Ti, Zr, Fe, B, and Si.

Organische Bindemittel weisen molekulargebundenen Wasserstoff auf, der nach Zündung des Feststofftreibsatzes als freies Wasserstoffgas freigesetzt wird. Infolge der hohen Wärmeabgabe des oxidierten Metalls wird das Wasserstoffgas auf eine hohe Temperatur erhitzt. Wasserstoffgas weist ein sehr geringes Molekulargewicht auf, weswegen es unter hoher Temperatur eine sehr wirksame Schuberzeugungskomponente bildet.Organic binders comprise molecularly hydrogen which is liberated as free hydrogen gas upon ignition of the solid propellant. Due to the high heat emission of the oxidized metal, the hydrogen gas is heated to a high temperature. Hydrogen gas has a very low molecular weight, which is why it forms a very efficient thrust generation component under high temperature.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist der Feststofftreibsatz wenigstens ein organisches Bindemittel auf.In a particularly preferred embodiment, the solid propellant at least one organic binder.

Das organische Bindemittel ist vorzugsweise aus einer Gruppe, die Polyether, Polysulfid, Polyurethan und mit Celluloseacetat, Celluloseether, Polyvinylchlorid oder Asphalt vernetzte Butadien-Acrylsäure-Mischpolymere und/oder Butadien-Acrylmethacrylsäure-Mischpolymere enthält, ausgewählt.The organic binder is preferably selected from a group comprising polyethers, polysulfide, polyurethane, and butadiene-acrylic acid mixed polymers and / or butadiene-acrylic methacrylic acid copolymers intermixed with cellulose acetate, cellulose ethers, polyvinyl chloride or asphalt.

Vorzugsweise weist der Feststofftreibsatz NH₄ClO₄ und Aluminium auf. Das Ammoniumperchlorat wirkt als Oxidator für das Aluminium und gleichzeitig als Treibstoff, denn es zerfällt vorteilhaft beim Verbrennen unter anderem in Sauerstoff und Chlor. Diese Gase verbrennen weiter Aluminium und tragen zu einer Erhöhung der Temperatur der Reaktionsgase bei. Durch die Oxidation des Aluminiums entsteht weiter eine große Hitze, wodurch Aktivierungsenergie zum Aufrechterhalten der Verbrennungsreaktionen bereit gestellt wird.Preferably, the solid propellant NH ₄ ClO ₄ and aluminum. The ammonium perchlorate acts as an oxidizer for the aluminum and at the same time as a fuel, because it decomposes advantageous when burning, inter alia, in oxygen and chlorine. These gases continue to burn aluminum and contribute to an increase in the temperature of the reaction gases. The oxidation of the aluminum continues to generate a great deal of heat, thereby providing activation energy to maintain the combustion reactions.

Vorzugsweise weist der Feststofftreibsatz Aluminium mit einem Massenanteil von bis zu 30 Gew.-% auf.Preferably, the solid propellant aluminum with a mass fraction of up to 30 wt .-% on.

In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Feststofftreibsatz eine Zündvorrichtung auf, wobei eine Steuerung zum Ansteuern der Zündvorrichtung vorgesehen ist und wobei die Steuerung eine eigene unabhängige Energieversorgung aufweist. So ist es vorteilhaft möglich, den Feststofftreibsatz über die Zündvorrichtung durch Betätigung der Steuerung zu zünden, ohne dass Energie von der Hauptenergiequelle zur Verfügung stehen muss. Beispielsweise kann die Steuerung über handelsübliche Batterien, Akkumulatoren und/oder leistungsfähigen Kondensatoren wie z. B. Goldcaps mit Energie versorgt werden.In an advantageous embodiment, the solid propellant to an ignition device, wherein a controller is provided for driving the igniter and wherein the controller has its own independent power supply. Thus, it is advantageously possible to ignite the solid propellant via the igniter by operating the controller without having to have energy from the main source of energy available. For example, the control of commercially available batteries, accumulators and / or powerful capacitors such. B. Goldcaps be supplied with energy.

Ein Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie bei einem Ausfall einer Hauptenergiequelle in Luftfahrzeugen weist eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung auf sowie einen Generator zum Umwandeln von Rotationsenergie in elektrische Energie. Wird durch eine kleine, kompakte und leichte Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung Rotationsenergie aus chemischer Energie erzeugt, kann diese durch Vorsehen eines Generators einfach in elektrische Energie verwandelt werden, welche dann zum Erhalt der Bordfunktionen eines Luftfahrzeuges zur Verfügung steht.An emergency generator for providing electrical energy in the event of failure of a main power source in aircraft comprises a rotational energy supply device and a generator for converting rotational energy into electrical energy. By generating rotational energy from chemical energy by a small, compact and lightweight rotational energy providing device, by providing a generator, it can be readily converted into electrical energy, which is then available to maintain the on-board capabilities of an aircraft.

Dazu ist vorzugsweise die Turbine mit dem Generator gekoppelt, wobei der Generator ein Gleichstrom- oder Wechselstrom-Generator sein kann.For this purpose, the turbine is preferably coupled to the generator, wherein the generator may be a DC or AC generator.

Vorzugsweise ist das Notstromaggregat zum Bereitstellen von elektrischer Energie mit einer Leistung von 30 kW bis 60 kW ausgebildet. Eine solche Leistung reicht aus, um die Bordfunktionen zur Sicherstellung der Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeuges aufrecht zu erhalten.Preferably, the emergency generator is designed to provide electrical energy with a power of 30 kW to 60 kW. Such power is sufficient to maintain the on-board functions to ensure the maneuverability of the aircraft.

Vorzugsweise ist ein Luftfahrzeug mit einem solchen Notstromaggregat ausgestattet, wobei der Generator über einen Wandler an ein Bordnetz des Luftfahrzeuges angeschlossen ist, um dieses Bordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Wandler verhindert hierbei vorzugsweise, dass Energiespitzen die Bordfunktionen zum Ausfall bringen bzw. sorgt für eine konstante Zufuhr elektrischer Energie für das Bordnetz.Preferably, an aircraft is equipped with such a backup generator, the generator is connected via a converter to a vehicle electrical system of the aircraft to supply this electrical system with electrical energy. In this case, the converter preferably prevents energy peaks from causing the on-board functions to fail or ensures a constant supply of electrical energy for the vehicle electrical system.

In einem Verfahren zum verzögerungsfreien Bereitstellen von Rotationsenergie für einen Generator wird zunächst ein Feststofftreibsatz gezündet, der kinetische Energie freisetzt und danach diese freigesetzte kinetische Energie mittels einer Turbine in Rotationsenergie umwandelt. Durch das Zünden des Feststofftreibsatzes steht unmittelbar kinetische Energie zur Verfügung, die nach Umwandlung in elektrische Energie den Bordfunktionen zugeführt werden kann. Es kann so ohne Zeitverlust sicher gestellt werden, dass das Luftfahrzeug manövrierfähig bleibt, bis entweder die Hauptenergiequelle wieder gestartet worden ist bzw. bis das Luftfahrzeug gelandet worden ist.In a method of providing rotational energy to a generator instantaneously, a solid propellant is first ignited which releases kinetic energy and then converts this released kinetic energy into rotational energy by means of a turbine. By igniting the solid propellant is directly kinetic energy available, which can be supplied to the board functions after conversion into electrical energy. It can thus be ensured without loss of time that the aircraft remains manoeuvrable until either the main power source has been restarted or until the aircraft has landed.

Vorzugsweise wird ein Generator angetrieben, um die Rotationsenergie in elektrische Energie zu wandeln und die elektrische Energie einem Bordnetz eines Luftfahrzeuges zur Verfügung zu stellen.Preferably, a generator is driven to convert the rotational energy into electrical energy and to provide the electrical energy to a vehicle electrical system of an aircraft.

Bevorzugt wird der Feststofftreibsatz nur im Notfall gezündet, um lediglich beim Ausfall einer Hauptenergiequelle den Bordfunktionen des Luftfahrzeuges elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.Preferably, the solid propellant is ignited only in an emergency, only to provide the board functions of the aircraft electrical energy in case of failure of a main energy source.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 ein erstes Luftfahrzeug – Flugzeug – mit verschiedenen Steuerelementen; 1 a first aircraft - aircraft - with various controls;

2 ein zweites Luftfahrzeug – Hubschrauber –; 2 a second aircraft - helicopter -;

3 ein Cockpit der Luftfahrzeuge aus 1 bzw. 2 mit einer Hauptenergiequelle und einem Notstromaggregat; und 3 a cockpit of the aircraft 1 respectively. 2 with a main power source and a backup generator; and

4 das Notstromaggregat aus 3 im Detail. 4 the emergency generator off 3 in detail.

1 zeigt ein Luftfahrzeug 10 in Form eines Flugzeugs 11, das mit Querrudern 12, Höhenrudern 14 und einem Seitenruder 16 als Steuerelemente 17 ausgestattet ist. Die Querruder 12 sorgen für die Flugsteuerung um die Längsachse 18 des Flugzeuges 11, die Höhenruder 14 dienen zur Drehung des Flugzeuges 11 um seine Querachse 20 und das Seitenruder dient zum Drehen des Flugzeuges 11 um seine Hochachse 22. Mittels dieser Drehungen lässt sich das Flugzeug 11 in der Luft sicher manövrieren. Die Steuerelemente 17 werden im Allgemeinen von einem Cockpit 24 des Flugzeuges 11 aus über Bordinstrumente 25 angesteuert und überwacht. 1 shows an aircraft 10 in the form of an airplane 11 that with ailerons 12 , Elevators 14 and a rudder 16 as controls 17 Is provided. The ailerons 12 provide the flight control around the longitudinal axis 18 of the plane 11 , the elevator 14 serve for the rotation of the aircraft 11 around its transverse axis 20 and the rudder is used to turn the aircraft 11 around its vertical axis 22 , By means of these turns, the aircraft can be 11 maneuver safely in the air. The controls 17 are generally from a cockpit 24 of the plane 11 from on board instruments 25 controlled and monitored.

In 2 ist ein weiteres Luftfahrzeug 10 in Form eines Hubschraubers 26 dargestellt. Der Hubschrauber 26 macht sich die Motorkraft eines oder mehrerer Rotoren 28 für Auftrieb und Vortrieb zu Nutze. Die zweidimensionale Horizontalbewegung des Hubschraubers 26 wird durch Neigung der Hauptrotorebene 30 beeinflusst. Die Ansteuerung erfolgt dabei zumeist über eine Taumelscheibe 31. Die Taumelscheibe 31 wird dabei, wie auch beim Flugzeug 11, vom Cockpit 24 aus angesteuert.In 2 is another aircraft 10 in the form of a helicopter 26 shown. The helicopter 26 makes the engine power of one or more rotors 28 for buoyancy and propulsion to use. The two-dimensional horizontal movement of the helicopter 26 is due to tilt of the main rotor plane 30 affected. The control is usually done via a swash plate 31 , The swash plate 31 will be there, as well as the plane 11 , from the cockpit 24 from controlled.

Beide hier als Luftfahrzeuge 10 nutzen Fly-by-Wire oder Fly-by-Light, wobei Steuerbewegungen des Piloten nicht durch mechanische Systeme, sondern durch Signalübertragung (z. B. elektrisch, elektromagnetisch oder optisch) übertragen werden.Both here as aircraft 10 use fly-by-wire or fly-by-light, whereby control movements of the pilot are not transmitted by mechanical systems, but by signal transmission (eg electrical, electromagnetic or optical).

3 zeigt ein Cockpit 24 des Flugzeuges 11 aus 1 oder des Hubschraubers 26 aus 2 mit zugehöriger Energieversorgung 32 eines Bordnetzes 33 und den Bordinstrumenten 25. 3 shows a cockpit 24 of the plane 11 out 1 or the helicopter 26 out 2 with associated power supply 32 of a vehicle electrical system 33 and the onboard instruments 25 ,

Die Energieversorgung 32 weist eine Hauptenergiequelle 36 und ein Notstromaggregat 38 auf. Sowohl von der Hauptenergiequelle 36 als auch vom Notstromaggregat 38 kann elektrische Energie in das Bordnetz 33 eingespeist werden. Das Bordnetz 33 versorgt sowohl die Bordinstrumente 25 als auch die Steuerelemente 17 des Luftfahrzeuges 10, beispielsweise die Quer-, Höhen- und das Seitenruder 12, 14, 16 des Flugzeuges 11 oder die Taumelplatte des Hubschraubers 26, über einen Anschluss 42 mit elektrischer Energie. Fällt die Hauptenergiequelle 36 aus, wird nur in diesem Fall das Notstromaggregat 38 zugeschaltet, um die Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeuges 10 zu gewährleisten.The energy supply 32 has a major source of energy 36 and an emergency generator 38 on. Both from the main energy source 36 as well as from the emergency generator 38 can electrical energy in the electrical system 33 be fed. The electrical system 33 supplies both the onboard instruments 25 as well as the controls 17 of the aircraft 10 For example, the ailerons, elevators and rudders 12 . 14 . 16 of the plane 11 or the swash plate of the helicopter 26 , via a connection 42 with electrical energy. Falls the main energy source 36 off, only in this case, the emergency generator 38 switched to the maneuverability of the aircraft 10 to ensure.

Das Notstromaggregat 38 ist im Detail in 4 gezeigt. Es weist einen Feststofftreibsatz 44, eine Turbine 46, einen Generator 48 und einen Wandler 50 auf. Der Feststofftreibsatz 44 ist mit einer Zündvorrichtung 52 verbunden, welche über eine Steuerung 54 angesteuert wird. Die Steuerung 54 weist eine eigene unabhängige Energieversorgung 56 auf, die von der Energieversorgung der Hauptenergiequelle 36 abgekoppelt und somit unabhängig ist. Das Notstromaggregat 38 ist über den Wandler 50 direkt mit der Energieversorgung 32 verbunden und liefert so elektrische Energie für die Bordinstrumente 25 und die Steuerelemente 17.The emergency generator 38 is in detail in 4 shown. It has a solid propellant 44 , a turbine 46 , a generator 48 and a converter 50 on. The solid propellant 44 is with an igniter 52 connected, which has a control 54 is controlled. The control 54 has its own independent energy supply 56 on, that of the power supply of the main energy source 36 disconnected and thus independent. The emergency generator 38 is over the converter 50 directly with the power supply 32 connected and thus provides electrical energy for the onboard instruments 25 and the controls 17 ,

Die Funktionsweise des Notstromaggregates 38 wird im Folgenden beschrieben.The operation of the emergency generator 38 is described below.

Wenn die Hauptenergiequelle 36 des Luftfahrzeuges 10 ausfällt und somit die Bordinstrumente 25 sowie die Steuerelemente 17 nicht mehr mit Energie versorgt werden, aktivieren der Pilot oder eine Automatik über die Steuerung 54, die sich in dem Cockpit 24 befindet, die Zündvorrichtung 52 und zündet somit den Feststofftreibsatz 44. In dem Feststofftreibsatz 44, der in der vorliegenden Ausführungsform ein Gemisch aus Ammoniumperchlorat und 30 Gew.-% Aluminium aufweist, starten die Substanzen einen Verbrennungsvorgang und setzen dabei Verbrennungsgase frei, die als Schubgase 57 in Richtung der Turbine 46 geleitet werden und diese antreiben. Nach Start des Verbrennungsvorgangs brennt der Feststofftreibsatz 44 in einem Zeitraum von 10 s bis 300 s und treibt in diesem Zeitraum durch die freigesetzten Schubgase 57 die Turbine 46 an. Die Turbine 46 nimmt die kinetische Energie der Schubgase 57 über Schaufeln (nicht gezeigt) auf und wandelt sie in Rotationsenergie. Somit bilden der Feststofftreibsatz 44 und die Turbine 46 gemeinsam eine Rotationsenergiebereitstellungsvorrichtung 58.If the main energy source 36 of the aircraft 10 fails and thus the onboard instruments 25 as well as the controls 17 no longer be powered, activate the pilot or an automatic via the controller 54 that are in the cockpit 24 located, the ignition device 52 and thus ignites the solid fuel charge 44 , In the solid propellant 44 , which in the present embodiment, a mixture of ammonium perchlorate and 30 wt .-% aluminum, the substances start a combustion process, thereby releasing combustion gases, which are used as propellant gases 57 in the direction of the turbine 46 be guided and drive these. After the start of the combustion process, the solid fuel charge burns 44 in a period of 10 s to 300 s and drives in this period by the released thrust gases 57 the turbine 46 at. The turbine 46 takes the kinetic energy of the propellant gases 57 over blades (not shown) and converts them into rotational energy. Thus form the solid propellant 44 and the turbine 46 together a rotational energy supply device 58 ,

Die von der Turbine 46 aus der kinetischen Energie erzeugte Rotationsenergie wird über eine Welle 60 auf den Generator 48 übertragen. Dieser wandelt in üblicher Weise die Rotationsenergie in elektrische Energie um. Die so erzeugte elektrische Energie wird über den Wandler 50 an das Bordnetz 33 weiter gegeben und steht somit den Bordinstrumenten 34 sowie den Steuerelementen 17 zur Verfügung. Somit ist es möglich, in der Zeit, in der der Feststofftreibsatz 44 brennt und Schubgase 57 freisetzt, dem Bordnetz 33 elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, um so die Manövrierfähigkeit des Luftfahrzeuges 10 zu erhalten. Das Luftfahrzeug 10 kann dann wahlweise gelandet werden oder Versuche gestartet werden, um die Hauptenergiequelle 36 wieder zu starten.The from the turbine 46 rotational energy generated by the kinetic energy is transmitted through a wave 60 on the generator 48 transfer. This converts the rotational energy into electrical energy in the usual way. The electrical energy generated in this way is transmitted through the converter 50 to the electrical system 33 passed on and is thus the aircraft instruments 34 as well as the controls 17 to disposal. Thus, it is possible in the time in which the solid propellant 44 burns and gases 57 releases the on-board network 33 provide electrical power, so as to enhance the maneuverability of the aircraft 10 to obtain. The aircraft 10 can then be landed or experiments started to be the main source of energy 36 to start again.

Dies wird durch das dargestellte System zur Stromerzeugung erreicht, das aus einer Turbine 46 mit einem gekoppelten elektrischen Generator 48 besteht. Der Antrieb der Turbine 46 erfolgt dabei mit Feststoffbrennelementen.This is achieved by the illustrated power generation system, which consists of a turbine 46 with a coupled electric generator 48 consists. The drive of the turbine 46 takes place with solid fuel elements.

Im Luftfahrtbereich besteht in verschiedenen Sektionen der Bedarf von Aggregaten, die für einen begrenzten Zeitraum (ca. 10 bis 300 s) elektrische Energie (30 bis 60 kW) zur Verfügung stellen können. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Hauptenergiequelle 36, z. B. elektrische Generatoren gekoppelt an Antriebsmaschinen bei Flugzeugen 11 oder Hubschraubern 26, kurzfristig oder endgültig ausfällt. Dann ist eine Aufrechterhaltung der Bordfunktionen zur Sicherstellung der Flugfähigkeit in einem Zeitraum zu gewährleisten, innerhalb dessen die Hauptmaschinen wieder gestartet werden können oder das Luftfahrzeug 10 sicher gelandet werden kann.In the aeronautical sector there is a need for aggregates in different sections, which can provide electrical energy (30 to 60 kW) for a limited period of time (approximately 10 to 300 s). This is of particular interest when the main energy source 36 , z. B. electric generators coupled to prime movers in aircraft 11 or helicopters 26 , short term or final fails. Then maintenance of the on-board functions to ensure the ability to fly shall be ensured during a period within which the main engines can be restarted or the aircraft 10 can be landed safely.

Bei zivilen und militärischen Flugzeugen 11 wird das Problem einer Betriebsstörung der Hauptmaschine mittels einer Hilfsturbine mit gekoppeltem Generator (APU – auxiliary power unit) gelöst. Bei Hubschraubern 26 sind derartige Systeme nicht Stand der Technik. In solchen Fällen besteht die Möglichkeit, Batterien oder auch Brennstoffzellen einzusetzen. Diese Systeme sind vergleichsweise schwer und sind daher nur bedingt für fliegendes Gerät geeignet. Bei Brennstoffzellen ist zudem ein zusätzlicher Betriebsstoff, in der Regel Wasserstoff, erforderlich. Bei beiden Systemen ist zu berücksichtigen, dass diese eine ständige Wartung zum Erhalt der Funktionalität benötigen. Insofern besteht ein Bedarf an leichten, wartungsfreien und kostengünstigen Systemen zur Stromerzeugung im Notfallbetrieb.For civil and military aircraft 11 the problem of a malfunction of the main engine is solved by means of an auxiliary power unit (APU). For helicopters 26 such systems are not prior art. In such cases it is possible to use batteries or fuel cells. These systems are relatively heavy and are therefore only partially suitable for flying device. For fuel cells, an additional fuel, usually hydrogen, is also required. Both systems should be taken into account that they require constant maintenance to maintain functionality. In this respect, there is a need for lightweight, maintenance-free and cost-effective systems for power generation in emergency mode.

Daher wird ein leichtes, wartungsfreies und kostengünstiges System zur kurzfristigen elektrischen Bordenergieversorgung vorgeschlagen, wobei eine Turbine 46 mit gekoppeltem Generator 48 direkt oder über ein Untersetzungsgetriebe eingesetzt wird. Die Turbine 46 wird dabei über Feststofftreibsätze 44 (Gasgeneratoren) angetrieben. Leistung und Brenndauer werden über den Energieinhalt und die chemische Natur der Feststofftreibsätze 44 vermittelt. Ein Beispiel für chemische Treibsätze ist Ammoniumperchlorat als Oxidator mit Beimischungen von Aluminium bis zu 30 Gew.-%. Die Generatoren 48 können als Gleich- oder Wechselstrommaschinen aufgebaut sein. Der Bordnetzanschluss erfolgt über eine jeweils erforderliche Strom-Spannungswandlung gemäß Stand der Technik.Therefore, a lightweight, maintenance-free and inexpensive system for short-term on-board electrical power supply is proposed, wherein a turbine 46 with coupled generator 48 is used directly or via a reduction gear. The turbine 46 is about solid propellant charges 44 (Gas generators) driven. Power and burning time are determined by the energy content and the chemical nature of the solid propellants 44 taught. An example of chemical propellants is ammonium perchlorate as an oxidizer with admixtures of aluminum up to 30 wt .-%. The generators 48 can be constructed as DC or AC machines. The on-board power supply connection takes place via a respectively required current-voltage conversion according to the prior art.

Das vorgeschlagene System bietet die Vorteile einer leichten, kompakten und wartungsfreien Einheit zur Stromerzeugung in Luftfahrzeugen 10 für den Notfallbetrieb, wobei kein zusätzlicher Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff bei alternativ möglichen Brennstoffzellen erforderlich ist und wobei keine Abhängigkeit vom Hauptenergieträger, in der Regel Kerosin, besteht.The proposed system offers the advantages of a lightweight, compact and maintenance-free unit for power generation in aircraft 10 for emergency operation, wherein no additional fuel, for example hydrogen in alternative fuel cells is required and where there is no dependence on the main energy carrier, usually kerosene.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Luftfahrzeugaircraft
1111: Flugzeugplane
1212: Querruderaileron
1414: Höhenruderelevator
1616: Seitenruderrudder
1717: Steuerelementecontrols
1818: Längsachselongitudinal axis
2020: Querachsetransverse axis
2222: Hochachsevertical axis
2424: Cockpitcockpit
2525: Bordinstrumenteboard instruments
2626: Hubschrauberhelicopter
2828: Rotorrotor
3030: HauptrotorebeneMain rotor plane
3232: Energieversorgungpower supply
3333: Bordnetzboard network
3636: HauptenergiequelleGGS
3838: Notstromaggregatemergency generator
4242: Anschlussconnection
4444: FeststofftreibsatzSolid propellant
4646: Turbineturbine
4848: Generatorgenerator
5050: Wandlerconverter
5252: Zündvorrichtungdetonator
5454: Steuerungcontrol
5656: unabhängige Energieversorgungindependent energy supply
5757: Schubgasthrust gas
5858: RotationsenergiebereitstellungsvorrichtungRotational energy providing device
6060: Wellewave

Claims

Rotational energy supply device ( 58 ) for the instantaneous provision of rotational energy for a generator ( 48 ) with an ignitable solid propellant ( 44 ) for releasing kinetic energy on ignition and with a turbine ( 46 ) for converting the of the solid propellant ( 44 ) released kinetic energy into rotational energy.

Rotational energy supply device ( 58 ) according to claim 1, characterized in that the solid propellant ( 44 ) after ignition to release thrust gas ( 57 ) in the direction of the turbine ( 46 ) for driving the turbine ( 46 ) is formed in a period of 10 seconds to 300 seconds.

Rotational energy supply device ( 58 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the solid propellant ( 44 ) at least one inorganic oxidizing agent from the group containing NH ₄ ClO ₄ , NH ₄ NO ₃ , K, Na, Li, CaO ₂ , BaO ₂ and Na ₂ O ₂ and at least one metallic fuel component from the group comprising Mg, Mg-Al alloys, Al, Ti, Zr, Fe, B, Si.

Rotational energy supply device ( 58 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the solid propellant ( 44 ) at least one organic binder selected from the group comprising polyethers, polysulfide, polyurethane and butadiene-acrylic acid copolymers intermixed with cellulose acetate, cellulose ethers, polyvinyl chloride or asphalt and / or butadiene-acrylic methacrylic acid copolymers.

Rotational energy supply device ( 58 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the solid propellant ( 44 ) NH ₄ ClO ₄ and aluminum.

Rotational energy supply device ( 58 ) according to claim 5, characterized in that the solid propellant ( 44 ) Aluminum having a mass fraction of up to 30 wt .-%.

Rotational energy supply device ( 58 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the solid propellant ( 44 ) an ignition device ( 52 ), wherein a controller ( 54 ) for driving the ignition device ( 52 ), the controller ( 54 ) its own independent energy supply ( 56 ) having.

Emergency generator ( 38 ) for providing electrical energy in case of failure of a main energy source ( 36 ) in aircraft ( 10 ), with a rotational energy supply device ( 58 ) according to one of the preceding claims and a generator ( 48 ) for converting rotational energy into electrical energy.

Emergency generator ( 38 ) according to claim 8, characterized in that the turbine ( 46 ) with the generator ( 48 ), the generator ( 48 ) is a DC or AC generator.

Emergency generator ( 38 ) according to claim 8 or 9, characterized in that the emergency generator ( 38 ) is designed to provide electrical energy with a power of 30 kW to 60 kW.

Aircraft ( 10 ) with an emergency generator ( 38 ) according to any one of claims 8 to 10.

Aircraft ( 10 ) according to claim 9, characterized in that the generator ( 48 ) via a transducer ( 50 ) to an electrical system ( 33 ) of the aircraft ( 10 ) for supplying the vehicle electrical system ( 33 ) is connected to electrical energy.

Method for the instantaneous provision of rotational energy for a generator ( 48 ) with ignition of a solid propellant charge ( 44 ) for releasing kinetic energy and converting the from the solid propellant ( 44 ) released kinetic energy into rotational energy by means of a turbine ( 46 ).

Method according to claim 13, characterized by driving a generator ( 48 ) for converting the rotational energy into electrical energy by means of a turbine ( 44 ) and providing electrical energy through the generator ( 48 ) for a vehicle electrical system ( 33 ) of an aircraft ( 10 ) to maintain the maneuverability of the aircraft ( 10 ).

Method according to one of claims 13 or 14, characterized by ignition of the solid propellant charge ( 44 ) in case of emergency in case of failure of a main energy source ( 36 ) in the aircraft ( 10 ).