DE10011319A1 - Verfahren zur Höhensteuerung und/oder Nickwinkeltrimmung von Luftschiffen und Luftschiff mit einer Einrichtung zur Höhensteuerung und/oder Nickwinkeltrimmung - Google Patents
Verfahren zur Höhensteuerung und/oder Nickwinkeltrimmung von Luftschiffen und Luftschiff mit einer Einrichtung zur Höhensteuerung und/oder NickwinkeltrimmungInfo
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Abstract
Ein Verfahren zur Höhensteuerung von Luftschiffen in allen beim Betrieb vorkommenden Geschwindigkeitsbereichen weist die folgenden Merkmale auf: DOLLAR A a) oberhalb eines vorgegebenen oberen Geschwindigkeitsschwellenwerts erfolgt die Höhensteuerung des Luftschiffes im wesentlichen durch mindestens ein Höhenruder (5); DOLLAR A b) im Bereich zwischen dem oberen Geschwindigkeitsschwellenwert und einem vorgegebenen unteren Geschwindigkeitsschwellenwert erfolgt die Höhensteuerung des Luftschiffes durch unabhängig von Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel variierbaren, an aerodynamischen Auftriebskörpern entstehenden aerodynamischen Auftrieb bzw. Abtrieb; und DOLLAR A c) unterhalb des unteren Geschwindigkeitsschwellenwerts erfolgt die Höhensteuerung des Luftschiffes mittels vertikal wirkender Schub erzeugender Einrichtungen. DOLLAR A Ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Luftschiff umfaßt einen Rumpf, Vortriebsmittel sowie aerodynamische Auftriebskörper zur Erzeugung eines oberhalb eines unteren Schwellenwerts der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von dieser sowie vom Anstellwinkel variierbaren aerodynamischen Auftriebs, welche mittels einer Steuereinrichtung beeinflußbar sind.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Höhensteuerung
und/oder Nickwinkeltrimmung von Luftschiffen. Sie
betrifft des weiteren ein Luftschiff mit einer Einrich
tung zur Höhensteuerung und/oder Nickwinkeltrimmung.
Es ist bekannt, daß der aerostatische Auftrieb eines
Luftschiffs innerhalb des Betriebs erheblichen
Schwankungen durch äußere und nur begrenzt beeinfluß
bare Faktoren unterworfen ist. Darüber hinaus verändert
sich das Luftschiffgewicht während des Betriebs z. B.
durch den Kraftstoffverbrauch. Diese Änderungen nehmen
Einfluß auf das Kräfte- und Momentengleichgewicht des
Luftschiffs und müssen durch gezielte Maßnahmen
korrigiert werden. Weiterhin ist es erforderlich, zur
kontrollierten Beeinflussung des Flugweges eines
Luftschiffes sowie zur Lage- und Richtungskorrektur bei
äußeren Störungen z. B. durch Windeinflüsse den Kräfte-
und Momentenhaushalt in ausreichendem Maße beeinflussen
zu können.
Stand der Technik ist, daß dies in der Regel durch
Änderung des von Strömungsgeschwindigkeit und Anstell
winkel abhängigen aerodynamischen Auftriebs des
Luftschiffs erfolgt. Dazu wird beim Luftschiff durch
Ruderausschlag am Höhenleitwerk, das sich üblicherweise
am Heck des Luftschiffs befindet, der Nickwinkel
(Winkel um die Querachse des Luftschiffs) verändert, so
daß aus der daraus resultierenden Anstellwinkeländerung
der Luftschiffrumpf als Gesamtes aerodynamischen Auf-
bzw. Abtrieb erzeugt. Dies führt in der Folge dazu, daß
der Rumpf des Luftschiffs auch einen höheren Strömungs
widerstand erfährt. Hierbei ist zu beachten, daß diese
Art der aerodynamischen Steuerung des Luftschiffs nur
oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit funktioniert,
die vom Abstand zwischen Auftriebsmittel- und Schwer
punkt, von der aerodynamischen Effizienz (Gleitzahl)
des Luftschiffrumpfs und der Rücklage des Höhenleit
werks (Momentenhebel) abhängt und bei Großluftschiffen
in halbstarrer Kielbauweise typischerweise etwa 60 km/h
beträgt. Bei dieser Grenzgeschwindigkeit kann durch
Höhenruderausschlag und der damit verbundenen Anstell
winkeländerung des Luftschiffrumpfs kein Einfluß mehr
auf die Flugbahn des Luftschiffes genommen werden,
d. h. das Luftschiff ist aerodynamisch nicht mehr
steuerbar. Unterhalb dieser Geschwindigkeit tritt
aufgrund des dann zu geringen aerodynamischen
Luftschiffrumpfauftriebs, des gegenüber dem aerodyna
mischen Auftrieb des Luftschiffrumpfs größeren Abtriebs
am Höhenruder und/oder der horizontalen Wanderung der
Rumpfauftriebsresultierenden nach hinten eine Umkehrung
des Gesamtmomentenhaushalts um die Luftschiffquerachse
und damit eine Wirkungsumkehr des Höhenruders auf. Dies
führt somit bei geringeren Fluggeschwindigkeiten im
Grenzfall zu einer erheblichen Einschränkung oder zum
Verlust der Steuerbarkeit des Luftschiffs. Zum
stationären Verändern des Nickwinkels (Trimmen) ist
darüber hinaus eine Änderung der Schwerpunktlage in
Längsrichtung sinnvoll, was durch Umtrimmen von
Ballast, Treibstoff oder Ballonetfüllung erfolgt, aber
ein entsprechendes System an Bord voraussetzt und somit
den konstruktiven Aufwand und das Gewicht des
Luftschiffs erhöht. Insbesondere bei größeren
Luftschiffen ist diese Methode durch die sich ändernden
Verhältnisse bei den aerodynamisch erzeugbaren Kräften,
dem aerostatischen Auftrieb und der vertikalen Schwer
punktlage zunehmend mit der Luftschiffgröße mit
Schwierigkeiten verbunden.
Bekannt ist, durch den Einsatz von Schub erzeugenden
Systemen wie Propellern, Turbinentriebwerken oder
Treibsätzen eine zusätzliche Kraft in der gewünschten
Richtung zu erzeugen. So ist aus der DE-OS 197 00 182
eine Schubvektorsteuerung an einem Luftschiff beschrie
ben, das aus mehreren Propellerschubeinrichtungen
besteht, wobei deren Propellernaben um die Querachse
schwenkbar sind. In der DE-OS 23 18 022 ist ein
Transportflugzeug mit aerostatischen Auftrieb erzeugen
den Körpern beschrieben, das zur Unterstützung der
anderen auftriebserzeugenden Mittel über eine Vielzahl
von vertikal wirkenden Propellerschubeinrichtungen
verfügt. Die WO 80/00825 beschreibt eine Luftschiff
steuerung mittels in den Rumpf eingebauten vertikal
wirkenden ummantelten Propellern, die die Steuerbarkeit
des Luftschiffs insbesondere auch im unteren Geschwin
digkeitsbereich ermöglichen soll. Der Nachteil dieser
Einrichtungen ist, daß der konstruktive Aufwand und ihr
zusätzliches Gewicht sehr hoch sind, insbesondere, weil
bei einem eventuellen Ausfall dieser Systeme die
Steuerung des Luftschiffs insgesamt ausfallen würde und
somit ein hoher Aufwand für eine Systemredundanz
notwendig wird. Auch ist mit diesen Einrichtungen
insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten ein hoher
energetischer Aufwand und damit ein hoher Kraftstoff
verbrauch und eine höhere Lärmemission verbunden. Bei
diesen Schubsteuerungseinrichtungen ist außerdem zu
beachten, daß ihre Wirksamkeit und Ansprechgeschwindigkeit
insbesondere im mittleren und hohen Geschwindig
keitsbereich aufgrund der dann größer werdenden aerody
namischen Kräfte eingeschränkt sind.
Weiterhin ist bekannt, durch Anbringung von Tragflächen
sowie Steuerflächen Einfluß auf die Erzeugung von aero
dynamischem Auftrieb des Luftschiffs durch Änderung des
Nickwinkels und der daraus resultierenden Änderung des
Anstellwinkels zu nehmen. So beschreibt die DE-OS 25 07 514
ein Hybridluftschiff, das mittels Tragflügeln
niedriger Streckung für das Kräftegleichgewicht in
vertikaler Richtung sorgt und somit die Verwendung von
Ballast, Traggasablassung und Abgaswasserrückgewin
nungsanlagen unnötig macht und die Manövrierfähigkeit
verbessert. Das Problem hierbei ist, daß dieses System
nur bei hohen Geschwindigkeiten funktioniert, zum
Horizontalflug in Abhängigkeit vom aerostatischen
Auftrieb und dem Gewicht des Luftschiffs eine bestimmte
Geschwindigkeit genau eingehalten werden muß und zum
Starten und Landen somit wie bei einem Flugzeug eine
Start- bzw. Landebahn benötigt wird. Bei konstanter
Geschwindigkeit ist hier eine Veränderung der
Auftriebskraft nur durch Veränderung des Luftschiff-
Nickwinkels möglich und somit mit einer Erhöhung des
Strömungswiderstands verbunden. Dies ist nur durch die
Verwendung eines Canard-Flügels (Enten-Leitwerks) zu
vermeiden, wodurch aber die flugmechanische Längsstabi
lität solcher Luftschiffe geringer ist.
Darüber hinaus ist auch Stand der Technik, durch geän
derte Formgebung des Luftschiffs die Erzeugung aerody
namischen Auftriebs in der gewünschten Art und Weise zu
unterstützen. So ist aus der EP 0 861 773 ein Hybrid-
Starrluftschiff bekannt, das neben Tragflügeln über
einen diskusförmigen Rumpf verfügt, der, ähnlich wie
ein Tragflügel, bei höheren Geschwindigkeiten einen
aerodynamischen Auftrieb erzeugt. Hiermit verbunden
sind aber die gleichen Nachteile wie in den o. g. Luft
schiffen mit Tragflächen, darüber hinaus ergeben sich
aus der Notwendigkeit einer aufwendigen Formgebung des
Luftschiffrumpfs noch eine Vielzahl von zusätzlichen
Entwurfsproblemen hinsichtlich Konstruktion und
Gewicht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht
demzufolge darin, bei hoher Systemausfallsicherheit,
bei geringer Änderung des Luftschiff-Nickwinkels sowie
bei einem möglichst geringen zusätzlichen Leistungs
bedarf zur Höhensteuerung eines Luftschiffes ausrei
chend Einfluß auf den Kräfte- und Momentenhaushalt des
Luftschiffs in allen vorkommenden Geschwindigkeitsbe
reichen zu nehmen, ohne dabei das Gesamtbetriebsver
halten bzw. die Luftschiffkonfiguration hinsichtlich
optimaler bzw. hoher Fluggeschwindigkeit zu beein
flussen. Es soll die Forderung nach Wirtschaftlichkeit
eines solchen Höhensteuerungsverfahrens sowie des
entsprechenden Luftschiffs hinsichtlich des Betriebs,
der Wartung sowie des konstruktiven Aufwands erfüllt
werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem
Anspruch 1 bzw. das Luftschiff gemäß Anspruch 6 gelöst.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Höhensteuerung
von Luftschiffen ist somit bedeutsam, daß sich auf
dreierlei Weise Einfluß auf den Kräfte- und Momenten
haushalt des Luftschiffs nehmen läßt, nämlich über ein
- konventionelles - Höhenruder, über vertikalen Schub
erzeugende Einrichtungen sowie durch aerodynamische
Auftriebskörper, die unabhängig von Strömungsgeschwin
digkeit und Anstellwinkel variierbar aerodynamischen
Auftrieb bzw. Abtrieb erzeugen. Dabei wird jedes der
drei Mittel in einem spezifischen Geschwindigkeits
bereich eingesetzt. Besonders hervorzuheben ist dabei,
daß innerhalb des Geschwindigkeitsbereichs, in welchem
die Höhensteuerung des Luftschiffes mittels Höhenruder
problematisch ist (siehe oben), nochmals differenziert
wird zwischen einem ersten, unteren Geschwindigkeits
bereich, in welchem die Höhensteuerung mittels
vertikalen Schub erzeugender Einrichtungen erfolgt, und
einem mittleren Geschwindigkeitsbereich, in welchem zur
Höhensteuerung aerodynamisch wirkende Auftriebskörper
eingesetzt werden, deren Auftrieb bzw. Abtrieb unabhän
gig von Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel
variierbar ist. Im Ergebnis zeichnen sich Luftschiffe,
die in Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
gesteuert werden, durch eine exzellente Manövrierbar
keit bei hoher Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit
aus. Zudem kann in Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens das entsprechende Luftschiff, anders als
dies für Hybridluftschiffe der in der DE 25 07 514 A1
beschriebenen Art gilt, in der Luft stehen. Dies ist
von zentraler Bedeutung für viele typische Einsatz- und
Anwendungsbereiche von Luftschiffen, beispielsweise den
Transport sperriger Güter in unwegsames Gelände.
In Anwendung der vorliegenden Erfindung wird, mit
anderen Worten, durch mindestens einen aerodynamischen
Auftriebskörper, der an sinnvoll gewählter Position des
Luftschiffs d. h. mit Abstand zu dem Auftriebsschwer
punkt angeordnet ist, ein aerodynamischer Auftrieb bzw.
Abtrieb erzeugt, der durch gezielt gewählte zusätzliche
Einrichtungen ab einer Mindestgeschwindigkeit
unabhängig von Strömungsgeschwindigkeit und
Anstellwinkel variiert werden kann.
Eine erste bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mehrere aero
dynamische Auftriebskörper zur von Strömungsgeschwin
digkeit und Anstellwinkel unabhängig variierbaren
Erzeugung aerodynamischen Auftriebs bzw. Abtriebs
vorgesehen sind, und zwar in Längsrichtung des
Luftschiffs verteilt angeordnet. Besonders bevorzugt
wird dabei eine Tandemanordnung der betreffenden
Auftriebskörper vor und hinter dem Schwerpunkt des
Luftschiffs. Dies begünstigt, wie weiter unten im
größeren Detail ausgeführt wird, die Manövrierbarkeit
des Luftschiffs.
Abhängig von der Ausbildung eines oder mehrerer in
Längsrichtung verteilter Auftriebskörper zur von
Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel unabhängig
variierbaren Erzeugung aerodynamischen Auftriebs bzw.
Abtriebs kann eine Variation des Auftriebs bzw.
Abtriebs an diesen Auftriebskörpern in Kombination mit
den auch an konventionellen Luftschiffen vorhandenen
Leitwerken mit Höhenruder erfolgen. Im Fall der Ausbil
dung mehrerer in Längsrichtung verteilter Auftriebs
körper kann das Gesamtnickmoment unabhängig von der
aerostatischen Auftriebskraft beeinflußt werden durch
entsprechende Variation des aerodynamisch erzeugten
Auftriebs bzw. Abtriebs der in Längsrichtung verteilten
Auftriebskörper. Im Bereich hoher Geschwindigkeiten,
der bei einem Großluftschiff typischerweise bei
Geschwindigkeiten über etwa 70 km/h liegt, erfolgt
dabei sinnvollerweise die Höhensteuerung des
Luftschiffs wegen des geringeren Energiebedarfs im
wesentlichen durch das Höhenruder. Der unabhängig von
Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel variierbare
aerodynamische Auftrieb kann hier bei Bedarf zur
Nickwinkeltrimmung d. h. zum stationären Einstellen des
Nickwinkels genutzt werden. Im Bereich mittlerer
Geschwindigkeiten, der bei einem Großluftschiff
typischerweise bei Geschwindigkeiten zwischen etwa 40 km/h
und etwa 70 km/h liegt, erfolgt sinnvollerweise
sowohl die Höhensteuerung als auch die Nickwinkel
trimmung des Luftschiffes durch den unabhängig von
Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel variierbaren
aerodynamischen Auftrieb bzw. Abtrieb, da sich in
diesem Geschwindigkeitsbereich eine Geschwindigkeit
befindet, bei der durch Höhenruderausschlag die
Flugbahn des Luftschiffs nicht beeinflusst werden kann
und unterhalb der bei Höhenruderausschlag eine
Wirkungsumkehr auftritt (siehe oben). Im Bereich
niedriger Geschwindigkeiten, in dem die Wirkung des
unabhängig von Strömungsgeschwindigkeit und Anstell
winkel variierbaren aerodynamischen Auftriebs zur
zuverlässigen Höhensteuerung und Nickwinkeltrimmung
nicht mehr ausreicht und die bei einem Großluftschiff
typischerweise bei Geschwindigkeiten unter etwa 40 km/h
liegt, erfolgt die Höhensteuerung und die
Nickwinkeltrimmung des Luftschiffs sinnvollerweise
mittels vertikal wirkender, Schub erzeugender Einrich
tungen, die in diesem Geschwindigkeitsbereich
alternativ oder zusätzlich zu den unabhängig von
Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel variierbaren
aerodynamischen Auftrieb erzeugenden Auftriebskörpern
eingesetzt werden. Die Vorteile dieses Verfahrens sind,
daß bei nur geringer Änderung des Luftschiff-
Nickwinkels und in allen Geschwindigkeitsbereichen in
wirkungsvoller und energiesparender Weise auf den
Kräfte- und Momentenhaushalt des Luftschiffs Einfluß
genommen werden kann; die Steuerbarkeit des Luftschiff
ist in einfacher Weise bei allen Geschwindigkeiten
erfüllt; auf ein Gewichts-Trimmungssystem kann zudem
verzichtet werden. Die geringe Änderung des Luftschiff-
Nickwinkels hat zum einen den Vorteil, daß durch
geringere Anstellung des Luftschiffrumpfs der
Strömungswiderstand und damit der Energieverbrauch
niedriger ist, zum anderen ist insbesondere bei Fracht
luftschiffen eine geringe Luftschiff-Nickbewegung von
Vorteil, da somit die in Längsrichtung des Luftschiffs
wirkenden Kräfte der Fracht auf die Luftschiffstruktur
reduziert werden. Durch das Verfahren besteht inhärent
eine hohe Ausfallsicherheit der Luftschiffsteuerung, da
jeweils bei Ausfall der vertikal wirkenden Propeller
oder des aerodynamischen Auftriebssystems das jeweils
andere System die Auftriebs- und Steuerungsfunktion
großenteils zu übernehmen vermag und somit auf weitere
Redundanzsysteme verzichtet werden kann.
In zweckmäßiger Ausführung der Erfindung sind die aero
dynamischen Auftrieb erzeugenden Auftriebskörper in der
Form von Tragflügeln ausgebildet. Diese können
besonders bevorzugt auch weitere Einrichtungen und
Konstruktionselemente des Luftschiffs wie Vortriebs
elemente und die vertikal wirkenden, Schub erzeugenden
Elemente enthalten, wodurch sich durch die Möglichkeit
der Blockaustauschbarkeit der gesamten Antriebs- und
Manövriereinheit als Modul die Wirtschaftlichkeit in
Bezug auf die Luftschiffwartung erhöht.
Es ist dabei vorteilhaft, den aerodynamischen Auftrieb
durch Beeinflussung der Zirkulation um das Tragflügel
profil, das zweckmäßigerweise eine elliptische oder
ähnliche Form hat, zu erzeugen und zu variieren. Dies
kann insbesondere durch Ausblasung von Luft an geeignet
gewählten Positionen erfolgen, z. B. durch Preßluftaus
blasung im in Strömungsbezug hinteren Profilbereich aus
Schlitzen, Bohrungen oder sonstigen Ausblasöffnungen.
Durch die einseitige Preßluftausblasung an der
Oberseite bzw. der Unterseite des Tragflügels wird die
Zirkulation um das Profil beeinflußt, d. h. der hintere
Staupunkt (Kuttapunkt) wird auf der der Ausblasung
gegenüberliegenden Profilseite nach vorne verlagert.
Der so umgelenkte Fluidstrom erzeugt eine Impulskraft
quer zur Anströmungsrichtung des Tragflügels, die - je
nach dem Ort der Ausblasung - eine Auftriebs- bzw.
Abtriebskraft nach sich zieht. Die Vorteile der aero
dynamischen Auftriebserzeugung durch Zirkulationsrege
lung gegenüber den klassischen Methoden (gewölbtes
Profil, Vorflügel, Wölbklappen etc.) ist, daß die
Auftriebskraft ab einer Mindestgeschwindigkeit unabhän
gig von Fluggeschwindigkeit und Anstellwinkel variier
bar ist, diese Auftriebskraft schon bei sehr geringen
Geschwindigkeiten erzeugt wird und die dabei erzeugte
Auftriebskraft sehr groß ist. Als Preßluftquelle eignen
sich z. B. handelsübliche Kompressoren. Durch Variation
des Preßluftdrucks und somit der Strömungsgeschwindig
keit der Ausblasung kann die Größe des aerodynamischen
Auftriebs bzw. Abtriebs variiert und durch Variation
des Durchmessers in der Druckluftleitung über die
Tragflügelspannweite die Auftriebsverteilung einge
stellt werden.
In besonders bevorzugter Weiterführung der Erfindung
können die vertikal wirkenden, Schub erzeugenden
Elemente als in die Tragflügel integrierte, ummantelte
Propeller ausgeführt sein, deren obere und untere
Öffnung durch Falt- oder Schiebeabdeckungen verschließ
bar sind, um so bei Auftriebserzeugung an den Tragflü
geln durch Zirkulationsregelung eine Störung der
Strömung um das Tragflügelprofil zu vermeiden.
Weiterhin ist eine zweckmäßige Weiterentwicklung,
zusätzlich die bekannten Konzepte der Auftriebsbeein
flussung bei Tragflügeln wie Steuerklappen, Vorflügel,
Vergrößerung der Auftriebsfläche oder Kombinationen
dieser Konzepte anzuwenden.
Soweit im Rahmen der vorstehenden Ausführungen
dargelegt wurde, daß sich die aerodynamischen
Auftriebskörper, die zur Erzeugung eines von Strömungs
geschwindigkeit und Anstellwinkel unabhängig variier
baren Auftriebs bzw. Abtriebs geeignet sind, ggf. in
Kombination mit weiteren Einrichtungen zur Höhen
steuerung des Luftschiffs einsetzen lassen, so ist die
vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt.
Vielmehr sind auch Anwendungsfälle denkbar, in denen
jene Auftriebskörper ggf. in Kombination mit weiteren
Einrichtungen allein der Trimmung des Luftschiffes
dienen. In diesem Zusammenhang wird auf Anspruch 18
verwiesen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand
eines in der Zeichnung veranschaulichten bevorzugten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Luftschiff gemäß der vorliegenden Erfindung
in perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 das Luftschiff gemäß Fig. 1 von vorn,
Fig. 3 einen beim Luftschiff gemäß den Fig. 1 und 2
eingesetzten Tragflügel in perspektivischer
Ansicht,
Fig. 4 einen Querschnitt durch den Tragflügel gemäß
Fig. 3 in der Konfiguration Auftrieb,
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Tragflügel gemäß
Fig. 3 in der Konfiguration Abtrieb,
Fig. 6 ein Flußdiagramm der zur Flugbahnsteuerung des
Luftschiffes gemäß den Fig. 1 bis 5 eingesetz
ten Steuereinheit und
Fig. 7 ein Flußdiagramm einer zum Trimmen eines
Luftschiffes bezüglich der Querachse einsetz
baren Steuereinheit
Das in der Zeichnung dargestellte Luftschiff umfaßt
einen Rumpf 1 mit heckseitig angeordneten Seitenleit
werken 2 und Höhenleitwerken 3. Den Seitenleitwerken 2
sind dabei Seitenruder 4 und den Höhenleitwerken 3 sind
Höhenruder 5 zugeordnet.
Der Rumpf 1 ist in als solches bekannter Bauweise
hergestellt. An ihm ist ein Kiel 6 angeordnet, der sich
nahezu über die gesamte Länge des Rumpfes 1 erstreckt
und eine Lastaufnahmegondel 7 trägt. In dem vorstehend
beschriebenen Umfang entspricht das in der Zeichnung
veranschaulichte Luftschiff dem hinlänglich bekannten
Stand der Technik, so daß es weiterer Erläuterungen
nicht bedarf.
Von der Lastaufnahmegondel 7 stehen zu beiden Seiten
jeweils zwei Tragflügel 8, 9, 10 und 11 ab, die starr
mit der Lastaufnahmegondel 7 verbunden sind. Dabei sind
die beiden vorderen Tragflügel 8 und 9 vor dem
Auftriebsschwerpunkt und die beiden hinteren Tragflügel
10 und 11 hinter diesem angeordnet. An den Tragflügeln
8 bis 11 sind endseitig Vortriebselemente 12 in Form
von ummantelten Propellern 13 angeordnet. Der von
diesen bereitgestellte, der Vorwärtsbewegung des
Luftschiffes dienende Horizontalschub wird über die
Tragflügel 8 bis 11 in die Lastaufnahmegondel 7 einge
leitet.
Fig. 3, die den vorderen linken Tragflügel 9 in
perspektivischer Ansicht schräg von hinten oben zeigt,
sind weitere Details der Gestaltung der Tragflügel
entnehmbar. So sind in jeden der vier Tragflügel zwei
vertikalen Schub erzeugende Einrichtungen 14 in Form
von ummantelten Propellern 15 integriert. Die auf der
Oberseite 16 und der Unterseite 17 der Tragflügel ange
ordneten, den Propellern 15 zugeordneten Öffnungen 18
sind durch Falt- oder Schiebeabdeckungen verschließbar.
Diese Abdeckungen sind während des Marschfluges des
Luftschiffes verschlossen; sie werden lediglich
geöffnet, wenn die Propeller 15 eingesetzt werden, um
das Luftschiff zu manövrieren bzw. das Manövrieren
und/oder Trimmen des Luftfahrzeugs zu unterstützen.
Benachbart ihrer jeweiligen Hinterkante 19 weisen die
Tragflügel 8 bis 11 jeweils an ihrer Oberseite 16 obere
Ausblasöffnungen 20 und auf der Unterseite 17 untere
Ausblasöffnungen 21 für Druckluft auf. Die Ausblasöff
nungen 20 bzw. 21 sind dabei als Ausblasschlitze 22
ausgeführt. Diese sind jeweils über Druckluftkanäle 23
an eine Druckluftleitung 24 angeschlossen. Im Inneren
der Druckluftleitungen 24 ist jeweils ein Drehschieber
25 angeordnet, mit welchem sich wahlweise die den
oberen Ausblasöffnungen 20 oder aber die den unteren
Ausblasöffnungen 21 zugeordneten Druckluftkanäle 23
verschließen lassen.
Die zuletzt erläuterten Einrichtungen bilden dabei
Komponenten einer Einrichtung, mit welcher ein aerody
namischer Auftrieb erzeugt wird, der ab einem unteren
Grenzwert der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von
dieser und vom Nickwinkel variiert werden kann. Wird
Druckluft, so wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist,
durch entsprechende Stellung des Drehschiebers 25 der
oberen Ausblasöffnung 20 zugeführt, so wird der das
Tragflügelprofil umströmende Fluidstrom 26 im Bereich
der Hinterkante 19 des Tragflügels nach unten umge
lenkt, wodurch der hintere Staupunkt (Kuttapunkt) 27
auf der Tragflügelunterseite 17 nach vorne wandert. Der
den Tragflügel umströmende Luftstrom wird somit derart
umgelenkt, daß eine nach unten gerichtete Impulskraft
komponente entsteht. Zu dieser Impulskraftkomponente
korrespondiert eine auf den betreffenden Tragflügel
wirkende, nach oben gerichtete Auftriebskraft 28. Diese
stellt sich ein, sobald die der Fluggeschwindigkeit
entsprechende Strömungsgeschwindigkeit einen unteren
Schwellenwert überschreitet. Sie ist vom Anstellwinkel
des Tragflügels weitgehend unabhängig, jedoch von der
Geschwindigkeit des durch den Ausblaseschlitz 22
strömenden Luftstroms bzw. der ausgeblasenen Luftmenge
abhängig.
Fig. 5 veranschaulicht die entsprechenden Verhältnisse
bei einer Stellung des Drehschiebers 25, bei der die
untere Ausblasöffnung 21 mit Druckluft beaufschlagt
wird. In entsprechender Anwendung des oben Gesagten
ergibt sich hier eine nach unten gerichtete Abtriebs
kraft 29.
Durch geeignete Ansteuerung der an den vorderen Trag
flügeln 8 und 9 sowie den hinteren Tragflügeln 10 und
11 vorgesehenen Ausblaseöffnungen 20 bzw. 21 läßt sich
sowohl - bei gleichgerichteter Ansteuerung - der
aerostatische Auftrieb des Luftschiffs verstärken oder
reduzieren wie auch - bei unterschiedlicher, insbeson
dere entgegengesetzter Ansteuerung - das Luftschiff
hinsichtlich seines Nickwinkels trimmen und/oder
hinsichtlich seiner Flughöhe steuern. In diesem
Zusammenhang ist die Tandemanordnung der Tragflügel 8
bis 11 dergestalt, daß vordere Tragflügel 8 und 9 vor
dem Auftriebsschwerpunkt des Rumpfes 1 und hintere
Tragflügel 10 und 11 hinter diesem angeordnet sind, von
großem Vorteil.
Des Flußdiagramm gemäß Fig. 6 veranschaulicht die
Funktion einer Steuerung zur Beeinflussung der Flughöhe
des zuvor beschriebenen Luftschiffes bei Betätigung
einer Lenkeinrichtung durch den Piloten in Abhängigkeit
von der momentanen Fluggeschwindigkeit. Ein Geschwin
digkeitsmesser 30 ermittelt die Geschwindigkeit des
Luftschiffs relativ zu der umgebenden Luft, d. h. die
Strömungsgeschwindigkeit bzw. Fluggeschwindigkeit
(gegenüber Luft). Das gemessene Geschwindigkeitssignal
wird zwei Vergleichern 31 und 32 zugeführt, in denen
die gemessene Geschwindigkeit mit einem unteren
Schwellenwert bzw. einem oberen Schwellenwert
verglichen wird. Im vorliegenden Falle, d. h. bei dem
in den Fig. 1 bis 5 veranschaulichten Großluftschiff
beträgt der untere Schwellenwert 40 km/h und der obere
Schwellenwert 70 km/h.
In Abhängigkeit von der gemessenen Geschwindigkeit wird
der Steuerausschlag der vom Piloten bedienten Steuer
einrichtung 33 den vertikalen Schub erzeugenden
Einrichtungen 34, den Einrichtungen zur Beeinflussung
der Umströmung der Tragflügel 35 bzw. der Höhenruderan
steuerung 36 zugeleitet. Beträgt die Strömungsgeschwin
digkeit weniger als 40 km/h, so wird das Luftschiff
über die Vertikalpropeller 15 gelenkt. In einem
mittleren Geschwindigkeitsbereich zwischen 40 und 70 km/h
erfolgt die Lenkung des Luftschiffes über entspre
chende Beeinflussung der Umströmung der Tragflügel 8
bis 11. Liegt die Strömungsgeschwindigkeit hingegen
oberhalb von 70 km/h, so wird das Luftschiff über einen
entsprechenden Ausschlag der Höhenruder 5 gelenkt.
Freilich, dies sei nur der Vollständigkeit halber
erwähnt, ist bei Bedarf auch eine gemischte Lenkweise
möglich.
Fig. 7 veranschaulicht in Form eines Flußdiagramms, wie
sich das Luftschiff gemäß den Fig. 1 bis 5 bei unter
schiedlichen Geschwindigkeiten hinsichtlich seines
Nickwinkels trimmen läßt. Überschreitet der Nickwinkel
einen vorgegebenen Schwellenwert von in diesem Falle
±5°, so wird selbsttätig die Trimmung aktiviert. Liegt
die Strömungsgeschwindigkeit unterhalb von 40 km/h, so
erfolgt die Trimmung durch Einsatz der Vertikalpro
peller 15. Bei Geschwindigkeiten oberhalb von 40 km/h
werden hingegen, wie weiter oben im Detail beschrieben,
zur Trimmung des Luftschiffs die Umströmungsverhält
nisse der Tragflügel 8 bis 11 beeinflußt. Auch hier
gilt wiederum, daß die Trimmung auch durch Kombination
der beiden genannten Verfahren erfolgen kann.
Claims (18)
1. Verfahren zur Höhensteuerung von Luftschiffen in
allen beim Betrieb vorkommenden Geschwindigkeits
bereichen mit den folgenden Merkmalen:
- a) oberhalb eines vorgegebenen oberen Geschwindig keitsschwellenwerts erfolgt die Höhensteuerung des Luftschiffes im wesentlichen durch mindestens ein Höhenruder (5);
- b) im Bereich zwischen dem oberen Geschwindig keitsschwellenwert und einem vorgegebenen unteren Geschwindigkeitsschwellenwert erfolgt die Höhensteuerung des Luftschiffes durch unabhängig von Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel variierbaren, an aerodynamischen Auftriebskörpern entstehenden aerodynamischen Auftrieb (28) bzw. Abtrieb (29); und
- c) unterhalb des unteren Geschwindigkeits schwellenwerts erfolgt die Höhensteuerung des Luftschiffes mittels vertikal wirkender Schub erzeugender Einrichtungen (14).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der der Höhensteuerung dienende aerodynamische
Auftrieb (28) bzw. Abtrieb (29) an mehreren in
Längsrichtung verteilt angeordneten aerodynamischen
Auftriebskörpern des Luftschiffes erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der aerodynamische Auftrieb (28) bzw. Abtrieb
(29) mittels Zirkulationsregelung an mindestens
einem Tragflügel (8 bis 11) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der aerodynamische Auftrieb (28) bzw. Abtrieb
(29) mittels der Profilwölbung an mindestens einem
Tragflügel erzeugt und variiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trimmung des Nickwinkels durch unabhängig
von Strömungsgeschwindigkeit und Nickwinkel
variierbaren aerodynamischen Auftrieb (28) bzw.
Abtrieb (29) erfolgt.
6. Luftschiff mit einem Rumpf, mit Vortriebsmitteln
sowie mit aerodynamischen Auftriebskörpern zur
Erzeugung eines oberhalb eines unteren Schwellen
werts der Strömungsgeschwindigkeit unabhängig von
dieser sowie vom Anstellwinkel variierbaren aero
dynamischen Auftriebs, welche mittels einer Steuer
einrichtung beeinflußbar sind.
7. Luftschiff nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aerodynamischen Auftriebskörper in der Form
mindestens eines Tragflügels (8 bis 11) ausgebildet
sind.
8. Luftschiff nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß es mehrere solcher Tragflügel (8 bis 11) in
Längsrichtung zueinander versetzt angeordnet
aufweist.
9. Luftschiff nach Anspruch 7 oder Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mindestens eine Tragflügel (8 bis 11) in
seinem in Strömungsbezug hinteren Profilbereich
oben und/oder unten Ausblasöffnungen (20, 21)
aufweist, die an eine Druckluftversorgung ange
schlossen sind.
10. Luftschiff nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mindestens eine Tragflügel (8 bis 11)
Absaugöffnungen zur Absaugung der Grenzschicht
aufweist.
11. Luftschiff nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung (30) zur Ermittlung der
Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen ist, deren
Signal einer Steuereinheit zugeführt wird, welche
die Signale einer Steuereinrichtung (33) in Abhän
gigkeit von der ermittelten Strömungsgeschwindig
keit an ein Höhenruder (5), die unabhängig von
Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel variier
bar Auftrieb erzeugenden aerodynamischen Auftriebs
körper oder vertikalen Schub erzeugende Einrichtun
gen (14) weiterleitet.
12. Luftschiff nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl an der Unterseite (17) als auch an der
Oberseite (16) der Tragflügel (8 bis 11) Ausblas
öffnungen (20, 21) und/oder Absaugöffnungen ange
ordnet sind.
13. Luftschiff nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem mindestens einen Tragflügel (8 bis 11)
Installationen zur Profilveränderung wie Vorflügel
oder Klappen zugeordnet sind.
14. Luftschiff nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den vertikalen Schub erzeugenden Einrich
tungen (14) als in den mindestens einen Tragflügel
(8 bis 11) integrierte Propeller (15) ausgeführt
sind.
15. Luftschiff nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem mindestens einen Tragflügel (8 bis 11)
Vortriebselemente (12) wie in Längsrichtung
wirkende Propeller (13) zugeordnet sind.
16. Luftschiff nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Propeller (15) endseitig an den Tragflügeln
(8 bis 11) angeordnet sind.
17. Luftschiff nach einem der Ansprüche 6 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem mindestens einen Tragflügel (8 bis 11) zur
Reduzierung des induzierten Widerstands an dessen
Ende Endscheiben, Winglets oder vergleichbare
Einrichtungen zugeordnet sind.
18. Verfahren zur Nickwinkeltrimmung von Luftschiffen
mit den folgenden Merkmalen:
- a) Unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt die Nickwinkeltrimmung durch vertikalen Schub erzeugende Einrichtungen (14);
- b) oberhalb des Schwellenwerts der Strömungsge schwindigkeit erfolgt die Nickwinkeltrimmung durch unabhängig von Strömungsgeschwindigkeit und Anstellwinkel variierbaren, an aerodyna mischen Auftriebskörpern entstehenden aerodyna mischen Auftrieb (28) bzw. Abtrieb (29).
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