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Air taxis have been in a highly dynamic development phase for the last few years. Many configurations exhibit a multicopter layout, between 4 and 18 propellers for lift generation. Although favorable for its VTOL capability, the concept is not optimal for long range and endurance, with unknown limits. For our project study, we considered a specific mission: Moving a single human across the English Channel. Our question is, whether this goal would be achievable with a battery electric drivetrain, and what design constraints and operational boundary conditions need to be considered. For range extension, cruise lift from additional wings proved beneficial, and the result for optimal target speed was quite high, even for this multicopter configuration. In addition to aeromechanics, flight mechanics and stability issues of the aircraft, structural design matters, pilot interface, and power management were considered. Hardware components were built, tested and integrated into an "Iron Bird" demonstrator. Furthermore, for pilot interface development a moving simulator platform was built. Unfortunately, permit to manned flight proved to be the most challenging task, with no definitive solution yet.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, ein Hauptgetriebe eines neuen Drehflüglers mit einem maximalen Abfluggewicht von 3175kg zu konzipieren und mögliche Antriebsvarianten zu prüfen. Ein Getriebe für ein typisches Twin-Gasturbinen-Antriebssystem soll entwickelt werden, und darauf aufbauend, die Möglichkeit einer rein elektrischen Antriebslösung untersucht werden. Wie viele Elektromotoren sind hierfür notwendig und welche Energiespeichersysteme kämen in Frage? Es ist gelungen, ein Getriebe passend anzugleichen und somit die Basis für alle zu prüfenden Antriebssysteme zu schaffen. Es erweist sich, dass der traditionelle Antrieb gut umsetzbar ist, wo hingegen die elektromotorische Ausführung einige Schwierigkeiten offenbart, und zwar nicht unbedingt beim E-Motor selbst, sondern vielmehr bei den Akkumulatoren. Dieses Dokument macht deutlich, dass trotz existierender Technik und der Bestrebung hin zur klimaneutralen Fortbewegung, eine Realisierung kompliziert und problematisch bleibt. Um das Hauptgetriebe eines Hubschraubers zu entwickeln, muss man zuerst die gesamte Materie kennen lernen. Man muss verstehen, wie ein Drehflügler funktioniert, wie dessen Aufbau und dessen Funktion sind und welche Aufgaben von ihm erfüllt werden. Mit dem gesamten Themengebiet befasst sich nur eine begrenzte Personengruppe. Die Informationen sind spärlich und schwer zugänglich, über das nötige Detailwissen verfügen nur wenige Insider.Diese Diplomarbeit beinhaltet eine Machbarkeitsstudie. Aus den erhaltenen Lösungsvorschlägen kann die Erkenntnis gewonnen werden, dass eine alternative Antriebslösung noch nicht zeitnahe realisiert werden kann. Es bleibt die Frage der Verwendungsmöglichkeiten aufgrund der beschränkten Leistungsdichte von Akkumulatoren. Die Durchführung gestaltet sich wie ein „Blindflug“ (der Pilot hat keine Sicht und muss sich auf seine Instrumente verlassen): man hat eine Idee, überprüft diese mit Hilfe des Berechnungsprogramms und hofft auf einen Erfolg.Der Entwurf und die Berechnung eines modularen Getriebes für Drehflügler wurde ausschließlich für den Auftraggeber verfasst, sämtliche Anforderungen und Vorgaben seinerseits können erfüllt werden., The aim of this diploma thesis is to design a main gearbox for a new rotorcraft with a maximum take-off weight of 3175kg and to examine possible propulsion variants. A gearbox for a typical twin gas turbine propulsion system is to be developed, and based on this, the possibility of an all-electric propulsion solution is to be investigated. How many electric motors are required for this and which energy storage systems could be considered?It has been possible to suitably adapt a gearbox and thus create the basis for all the drive systems to be tested. It turns out that the traditional drive can be implemented well, whereas the electric motor version reveals some difficulties, not necessarily with the electric motor itself, but rather with the accumulators.This document makes it clear that despite existing technology and the drive towards climate-neutral mobility, realization remains complicated and problematic.In order to develop the main gearbox of a helicopter, one must first learn about the whole subject. It is necessary to understand how a rotorcraft works, what its structure and function are, and what tasks are performed by it. Only a limited group of people is involved with the entire subject. Information is rare and difficult to access, and only a few insiders have the necessary detailed knowledge.This thesis contains a feasibility study. From the solution proposals obtained, it can be concluded that an alternative drive solution cannot yet be realized in the near future. There remains the question of the possible applications due to the limited power density of accumulators. The implementation is like a "blind flight" (the pilot has no sight and has to rely on his instruments): one has an idea, checks it with the help of the calculation program and hopes for a success.The design and calculation of a modular gearbox for rotorcraft was written exclusively for the client, all requirements and specifications on his part can be fulfilled.

Die vorliegende Diplomarbeit ist Teil des internationalen Forschungsprojekts VARI-SPEED. Das Ziel dieses Projektes ist es, die Variation der Hauptrotordrehzahl von Drehflüglern zu ermöglichen, um die benötigte Antriebsleistung zu verringern. Dies ermöglicht eine ökologische und effiziente Luftfahrt. Dafür wird ein Getriebe mit variabler Übersetzung und einem passenden Rotor-System für verschiedene Drehflügler-Konfigurationen untersucht. In dieser Arbeit wird untersucht, ob das stufenlose Getriebekonzept, dass auf dem Prinzip des Freilaufgetriebes basiert, als Drehzahlvariationsmodul innerhalb des Compound-Split-Getriebes eingesetzt werden kann. Es gilt die Randbedingungen hinsichtlich des Übersetzungsbereichs, der Drehzahlschwankung, der Masse und der Funktion für einen Hubschrauber der CS29-Klasse zu erfüllen. Ein stufenloses mechanisches Getriebe wird durch die Kombination mehrerer Kurbelschwingen, Freiläufen, sowie Stirnrädern realisiert. Die Funktion dieses Getriebetyps basiert auf dem phasenverschobenen Verlauf der jeweiligen Schwingen über die Antriebskoordinate. Der Freilauf mit der höchsten momentanen Drehzahl überträgt die Leistung. Durch Überlagerung der oszillierenden Schwingbewegung wird eine quasi-kontinuierliche Abtriebsbewegung erreicht. Die Einflüsse der Drehzahlschwankung und der oszillierenden Gelenkskräfte können durch die gezielte Wahl des Koppelgetriebes und deren Anzahl minimiert werden. Das dynamische Verhalten des Systems wird in MATLAB und Simpack simuliert, um die Eigenschaften des Systems, wie Drehzahlschwankungen zu zeigen. Außerdem wird die Masse des Systems in KISSsoft für die Machbarkeitsstudie bestimmt. Die Berechnungen zeigen, dass die Realisierung des gewünschten Übersetzungsbereiches von unendlich bis null nicht umsetzbar ist. Für ein Übersetzungsverhältnis kleiner als eins, müssen An- und Abtrieb vertauscht werden. Bei dieser Bauweise blockieren die Freiläufe und die Schwingarme können keine Schwingbewegung ausführen. Das Getriebe ist daher blockiert und der realisierbare Übersetzungsbereich bleibt bei unendlich bis eins. Die Untersuchung wurde durchgeführt, um herauszufinden, ob sich das mechanische stufenlose Freilaufgetriebe als Variationsmodul innerhalb des Compound-Splits eines Helikopters eignet. Ein effizientes und leichtes Variationsmodul ist für die Betriebsfähigkeit des Compound-Splits unerlässlich. Die Untersuchung zeigt, dass die Vorteile des mechanischen stufenlosen Getriebes nicht genutzt werden können. Diese Erkenntnis ist wichtig für die zukünftige Entwicklung eines Compound-Split-Moduls für Drehflügler., This diploma thesis is part of the international research project named VARI-SPEED. The aim of this project is to achieve a variation of the main rotor speed of helicopters in order to reduce the required engine power and to enable aviation to become more ecological and efficient. Therefore, a gearbox with variable transmission ratio and a matching rotor system for different rotorcraft configurations has been examined. In this paper it is investigated, if the continuously variable transmission concept, which is based on the principle of freewheel transmission, can be used as a variable speed module within the compound split transmission. The boundary conditions, regarding the transmission ratio range, speed fluctuation, mass and functionality, for a helicopter of the CS29 class have to be fulfilled. A continuously variable mechanical transmission is realized by combining several four-bar linkages, freewheels and spur gears. The function of this gearbox type is based on the phase-shifted motion of the respective swing arms via the drive coordinate. The freewheel with the highest momentary speed transmits the power. By superposing the oscillating movement, a quasi-continuous output movement is achieved. The impact of the speed fluctuation and the oscillating joint forces can be minimized by the specific selection of the linkage gear and its quantity. The dynamic behavior of the system is simulated by using MATLAB and Simpack, to show the characteristics of the system such as speed fluctuations and joint forces. Furthermore, the mass of the system is determined in KISSsoft for the proof-of-concept study. The calculations show that the desired transmission range from infinite to zero cannot be realized. For a transmission ratio smaller than one, input and output must be interchanged. With such a configuration, the freewheels will be blocked and the swinging arms cannot perform any oscillating movements. The gearbox is therefore blocked, and the achievable transmission ratio range remains between infinite and one. This research project investigated, if the mechanical continuously variable freewheel gearbox can be considered as a useful variation module inside the compound split of a helicopter. An efficient and lightweight variation module is essential for the operability of the compound split. The results show that the benefits of the mechanical continuously variable transmission cannot be used. This finding is important for the future development of compound split module for rotorcrafts.