DE10055401C1 - Hoch fliegendes unbemanntes Fluggerät - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein hoch fliegendes, unbemanntes und aerodynamisch getragenes Fluggerät (1) für Langzeitmissionen, umfassend einen elektrisch angetriebenen Propeller (7), der auf dem Fluggerät (1) angeordnet ist, Solarzellen (13), die auf der Oberseite der Tragflächen angeordnet sind und der Energieversorgung des elektrisch angetriebenen Propellers (7) während des Tagfluges dienen sowie einen Elektrolyseur (9), der während des Tagfluges mittels der von den Solarzellen (13) erzeugten Überschussenergie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet und einen Drucktank (10a, 10b) zur Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff. Gemäß der Erfindung ist ein Brenner (4) vorhanden, der den in den Drucktanks (10a, 10b) gespeicherten Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wärme verbrennt. Des weiteren ist zur Energieversorgung des Fluggeräts (1) während des Nachtfluges erfindungsgemäß eine regenerative thermodynamische Wärme-Kraft-Maschine (2) mit wellengekoppeltem Generator (3) vorhanden. Die Wärme-Kraft-Maschine (2) wird hierbei mittels der am Brenner (4) erzeugten Wärme betrieben.
Description
Die Erfindung betrifft ein hoch fliegendes, unbemanntes und aerodynamisch getrage
nes Fluggerät mit Tragflächen für Langzeitmissionen gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1.
Hoch fliegende, unbemannte Fluggeräte, z. B. Drohnen oder Plattformen können im
Bereich der militärischen Aufklärung, der Umweltforschung und darüber hinaus als
Relaisstationen für den Telekommunikationsmarkt eingesetzt werden. Das Einsatz
potential derartiger Fluggeräte ist weitgefasst, wodurch sich entsprechende Markt
potentiale darstellen lassen. Voraussetzung hierzu ist, insbesondere für Langzeit
missionen, die Entwicklung kostengünstiger Fluggeräte mit geeigneter Antriebstech
nologie. Die Missionsprofile hoch fliegender Fluggeräte umfassen Einsätze bis zu ei
ner Höhe von 30 km bei einer zu transportierenden Nutzlast von bis zu 150 kg und
einer Missionszeit von einigen Jahren.
Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten der Realisierung hoch fliegender Flugge
räte. Zum einen die Konzeption als steuerbare Leichtgas-Auftriebskörper, auch als
luftschiffgestützte Plattformen bezeichnet, und zum anderen die Konzeption als ae
rodynamisch getragene Fluggeräte, z. B. Flächenflugzeuge. An beide Konzeptionen
wird die Forderung gestellt, nahezu geostationär im Windfeld der mittleren Strato
sphäre positionierbar zu sein. Eine weitere Anforderung ist, dass die Missionsge
schwindigkeit der Fluggeräte im Bereich von 150 km/h bis 250 km/h betragen sollte.
Dies machen Energieversorgungssysteme bis zu 150 kW erforderlich.
Höhentaugliche luftschiffgestützte Plattformen sind grundsätzlich bekannt. Das tech
nische Konzept sieht große luftschiffgestützte Plattformen als Träger für Telekom
munikationsanwendungen vor [1]. Ein internationales Forscherteam um Prof. Dr.-Ing.
Bernd Kröplin, Universitätsprofessor und Direktor des Instituts für Statik und Dyna
mik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen der Universität Stuttgart, arbeitet an ei
nem technischen Konzept großer luftschiffgestützter Plattformen, die mit elektrischen
Propellerantrieben ausgestattet sind. Die Plattformen decken ihren gesamten Ener
giebedarf photovoltaisch, wobei die Energiespeicherung über regenerative Brenn
stoffzellen erfolgt.
Ein erstes Konzept höhentauglicher aerodynamisch getragener Fluggeräte wurde
1944 von Eugen Sänger vorgestellt. In dem Konzept wird als Antrieb ein Propeller
mit höhenflugtauglichem Dieselmotor mit Höhenlader vorgeschlagen. Weiterhin sind
andere höhenflugtaugliche Antriebe, z. B. auf Basis von Gegenkolbenmotoren (Jumo
205) mit Höhenaufladung oder Strahl- oder Turbofantriebwerken bekannt, mit denen
Flughöhen von bis zu 20 km erzielt wurden. Weitere neuere propellerbetriebene un
bemannte Fluggeräte sind z. B. unter der US-Typenbezeichnung Altus II, Altus III und
Perseus B bekannt. In neueren Konzepten kommen in höhentauglichen aerodyna
misch getragenen Fluggeräte elektrisch betriebene Propeller zum Einsatz. Die Pro
peller besitzen üblicherweise große Durchmesser und werden mit moderater Dreh
zahl (kleiner als 800 Umdrehung pro min) betrieben. Die elektrische Energiespeiche
rung erfolgte hierbei in Akkus und Batterien, was allerdings hinsichtlich der kurzen
Missionsdauer nachteilig ist. Außerdem ergeben sich bei den tiefen Temperaturen in
großen Flughöhen Nachteile hinsichtlich des Wirkungsgrades.
Im Konzept eines Ultraleichtbau-Nurflüglers der NASA/AeroVironment Inc. mit der
Bezeichnung Helios werden 2-Blattpropeller mit einem Durchmesser von 2 Metern
von 14 Elektromotoren mit einer Leistung von je 1,5 kW angetrieben. Auf der Ober
seite der Tragflächen sind Solarzellen zur Energieversorgung der Elektromotoren
angeordnet. Zur Speicherung der Energie sind wiederaufladbare Batterien oder Ak
kus vorgesehen. Als nachteilig erweisen sich diese Energiespeicher hinsichtlich ihres
stark reduzierten elektrochemischen Wirkungsgrades bei niedrigen Temperaturen.
Ein weiterer Nachteil dieses Konzepts ist die geringe Stabilität um die Hochachse
und die Rollneigung des Flügels. Außerdem weist dieses Konzept einen grundsätz
lich eingeschränkten Einsatzbereich hinsichtlich Geschwindigkeit (30-50 km/h) und
Allwettertauglichkeit auf. Dazu kommt eine eingeschränkte mechanische Stabilität
bei Turbulenzen und insbesondere beim Landevorgang. Ein eventueller Schlepp- o
der Huckepackbetrieb mit entsprechenden Motorflugzeugen, um eine Anfangshöhe
zu erreichen, ist mit diesem Konzept ebenfalls nicht möglich.
In US 4,697,761 wird ein Fluggerät mit Tragflächen für Langzeitmissionen von eini
gen Jahren offenbart. Auf den Tragflächen sind auf der Oberseite Solarzellen ange
ordnet, die während des Tagfluges die Elektromotoren zum Antreiben der Propeller
mit Energie versorgen. Die von den Solarzellen überschüssig erzeugte Energie wird
in Batterien oder regenerativen Brennstoffzellensystemen gespeichert. Hierbei wird
in regenerativen Brennstoffzellensystemen Wasser in einem Elektrolyseur in Was
serstoff und Sauerstoff gespalten und in Tanks gespeichert. Mittels kalter Verbren
nung von Wasserstoff und Sauerstoff wird in einer Brennstoffzelle Wasser und Ener
gie erzeugt. Für den Nachtflug sind auf der Unterseite der Tragflächen infrarotemp
findliche Solarzellen angeordnet. Diese Solarzellen nutzen die langweilige Infrarot
strahlung der Erdoberfläche zur Erzeugung elektrischer Energie. Die in den regene
rativen Brennstoffzellensystemen gespeicherte Energie kann unterstützend zu der in
den infrarotempfindlichen Solarzellen erzeugten Energie dienen. Somit soll auch für
den Nachtflug eine Höhenhaltung und Positionshaltung des Fluggeräts erreicht wer
den. Da die diffuse IR-Rückstrahlung der Erdoberfläche allerdings sehr gering ist,
steht der Zusatzaufwand zur Integration der IR-empfindlichen Solarzellen hinsichtlich
Gewicht und Kosten in keinem Verhältnis zu dem etwaigen Nutzen. Ein weiterer
Nachteil dieses Konzepts ist, dass geeignete Brennstoffzellen, z. B. Proton Exchange
Membrane-Brennstoffzellen (PEM) oder Fixed Alkaline-Brennstoffzellen (FAL) in ei
nem Temperaturbereich oberhalb 100°C arbeiten und somit einen erheblichen E
nergieaufwand zum Heizen der Brennstoffzellen erforderlich machen. Ein weiterer
Nachteil ist das Wassermanagement zur Membranbefeuchtung der Brennstoffzellen,
was einen erhöhten Systemaufwand bedeutet und somit den Wirkungsgrad des
Fluggeräts deutlich verringert. Des weiteren ist zur Erreichung eines hohen Wir
kungsgrades der Brennstoffzellen im Leistungsbereich oberhalb 100 kW ein hoher
Systemaufwand des peripheren Brennstoffzellensystems erforderlich. Das daraus
resultierende Gewicht der Brennstoffzelle macht den Einsatz eines solchen Flugge
räts unrentabel.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Fluggerät mit einem autarken
regenerativen Energiesystem zu schaffen, welches einen hohen Wirkungsgrad bei
geringem Systemaufwand und Gewicht sowie hoher Leistung aufweist und in Lang
zeitmissionen einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch das Fluggerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Beson
dere Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung ist ein Brenner vorhanden, der den in Drucktanks gespeicher
ten Wasserstoff und Sauerstoff unter Bildung von Wärme verbrennt. Zur Energiever
sorgung des Fluggeräts während des Nachtfluges ist erfindungsgemäß eine regene
rative thermodynamische Wärme-Kraft-Maschine mit wellengekoppeltem Generator
vorhanden. Der Brenner liefert hierbei aus der heißen Verbrennung von Wasserstoff
und Sauerstoff die zum Antrieb der Wärme-Kraft-Maschine erforderliche Wärme. Die
Wärme-Kraft-Maschine kann somit einen wellengekoppelten Generator zur Stromer
zeugung antreiben. Mit dem im Generator erzeugtem Strom kann insbesondere ein
Elektromotor zum Antrieb des Propellers mit Strom versorgt werden. Es ist aber
auch möglich andere elektrische Bordkomponenten mit Strom zu versorgen.
Thermodynamische Wärme-Kraft-Maschinen weisen einen hohen thermodynami
schen Wirkungsgrad auf und besitzen aufgrund der verwendeten Materialien, z. B.
Aluminium ein geringes Gewicht. Des weiteren wird bei thermodynamischen Wärme-
Kraft-Maschinen kein hoher Systemaufwand, z. B. Hochdruckpumpen benötigt. Mit
dem direkt an die Wärme-Kraft-Maschine wellengekoppelten Generator kann ohne
große Wirkungsgradverluste ein Elektromotor zum Antrieb der Propeller mit Strom
versorgt werden. Als wirkungsgradoptimierter Elektromotor kann z. B. eine Gleich
strom-Transversalflussmaschine verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die thermodynamische Wärme-
Kraft-Maschine eine Stirling-Maschine. Mit einer Stirling-Maschine kann bis zu einer
Leistung von mindestens 150 kW ein Wirkungsgrad erzielt werden, der nur gering
unterhalb des thermodynamisch maximal möglichen Wirkungsgrads einer Carnot-
Maschine liegt. Im Stirling-Prozess der Stirling-Maschine wird in einem abgeschlos
senen Kolbenraum durch alternierendes Erwärmen und Abkühlen des Arbeitsgases,
z. B. Helium, eine Kraftwirkung auf einen Kolben ausgeübt. Die resultierende Kolben
bewegung kann z. B. über eine Pleuelstange einen wellengekoppelten Generator zur
Stromerzeugung antreiben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die thermodynamische
Wärme-Kraft-Maschine eine Brayton-Turbine. Der thermodynamische Brayton-Pro
zess ist ein Kreislaufprozess, in dem das Arbeitsgas, z. B. Helium abwechselnd er
wärmt und abgekühlt wird. Dabei treibt das in einer Heizung erwärmte Gas eine mit
einem wellengekoppelten Generator verbundene Turbine an. Dabei wird das Gas
entspannt. Anschließend wird das Gas abgekühlt und in einem Kompressor ver
dichtet. Die dem Kompressor nachgeschaltete Heizung erwärmt das Gas, wodurch
der Kreislauf geschlossen wird. Eine Brayton-Turbine weist einen hohen Wirkungs
grad auf. Außerdem kann eine Brayton-Turbine ohne gewichtsintensiven System
aufwand realisiert werden. Wie bei der Stirling-Maschine kann auch die Brayton-Tur
bine bis zu einer Leistung von 150 kW mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden.
Der Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser wird in
einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung in einen thermisch isolierten Flüssig
keitskreislauf, insbesondere Wasserkreislauf, geschaltet. Der Flüssigkeitskreislauf
umfasst hierbei neben dem Elektrolyseur einen Tank, insbesondere einen Druck
tank, zur Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff sowie einen Kondensator zur
Kondensation des aus der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff gebildeten
Produktwassers. Der Elektrolyseur kann zweckmäßig im Hochdruckbereich betrie
ben werden. Somit ist zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff im Elektroly
seur und zur Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff in den Drucktanks kein
Druckwechsel nötig. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich des Wir
kungsgrades des erfindungsgemäßen Fluggeräts sowie des erforderlichen System
aufwands. Um ein Einfrieren des Wassers im Wasserkreislauf zu vermeiden, kann
der Wasserkreislauf auf Temperaturen oberhalb von 5°C temperiert werden. Die
hierzu benötigte Energie kann z. B. durch Latentwärmespeicher, die die Systemab
wärme speichern, aufgebracht werden.
Der zur Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff vorhandene Brenner kann
vorteilhaft ein katalytischer oder katalytisch unterstützter Brenner sein. Vorteilhaft
kann der Brenner einen katalytisch beschichteten Flammhalter, z. B. ein netzartiges
Gebilde aufweisen. Als Katalysator kann bevorzugt Pt/Al2O3 verwendet werden.
Während des Nachtfluges wird dem Brenner zur Energieversorgung Wasserstoff und
Sauerstoff aus den Drucktanks zugeführt. Das in der Verbrennung entstandene Pro
duktwasser wird an dem Kondensator auskondensiert und dem Wasserkreislauf des
Elektrolyseurs zugeführt. Somit kommt es zu keinem Wasserverlust, wodurch ein
autarkes regeneratives Energiesystem gewährleistet ist.
Die verwendeten Drucktanks sind bevorzugt strukturintegrierte Drucktanks, die z. B.
in den Tragflächen oder im Rumpf des Fluggeräts angeordnet sind. Die Drucktanks
weisen zweckmäßig eine dünnwandige Metallstruktur zur Dichtigkeit des Tanks so
wie eine GFK- oder CFK-Struktur zur Druckfestigkeit des Tanks auf. Somit wird eine
effektive und gewichtsparende Hochdruckspeicherung von Wasserstoff und Sauer
stoff gewährleistet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind zur Energieversorgung
des erfindungsgemäßen Fluggeräts an der Unterseite der Tragflächen Solarzellen
angeordnet. Diese Solarzellen sind zweckmäßigerweise normallichtempfindlich. So
mit kann während des Tagfluges zusätzliche Energie aus der Rückstreuung des
Sonnenlichts aus den unteren Atmosphärenschichten gewonnen werden. Des weite
ren kann das von den Wolken zurückgestreutes Sonnenlicht zu einem zusätzlichen
Energiegewinn führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird zur Verbesserung des
aerodynamischen Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Fluggerätes der Pro
peller an der hinteren Kante der Tragfläche, in Flugrichtung gesehen, positioniert.
Damit wird bei aerodynamisch getragenen Fluggeräten, insbesondere unter Höhenflugbedingungen,
eine ungestörte Anströmung der Tragflächen gewährleistet. Ein
derart angeordnete Propeller wird auch als Druckpropeller bezeichnet. Aus Wir
kungsgradgründen werden in großen Flughöhen langsamdrehende 2-Blattpropeller
mit großem Durchmesser und großer Blattanstellung verwendet. Hierbei können be
vorzugt Propeller in Leuchtbauweise mit vergütetet Oberfläche eingesetzt werden.
Die Propeller können vorteilhaft als Koaxialpropeller ausgebildet sein. Als Koaxial
propeller werden zwei identische Propeller bezeichnet, die auf einer Antriebswelle
gelagert sind und gegenläufig rotieren. Außerdem weisen Koaxialpropeller gegen
über eines einzelnen Propellers einen idealen Drehimpulsausgleich ohne resultie
rendes Moment auf. Eine solche Antriebseinheit weist somit einen höheren aerody
namischen Wirkungsgrad auf. Zweckmäßig können die Propeller mit einem Klapp
mechanismus in Antriebswellenrichtung über Fliehkraftkupplung ausgestattet sein,
womit sich während des Landeanflugs aerodynamische Vorteile ergeben.
Eine weitere Verbesserung des aerodynamischen Wirkungsgrades des erfindungs
gemäßen Fluggerätes ist eine stark pfeilförmige bis deltaförmige Ausbildung des
Fluggeräts.
Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Fluggeräts ist, dass das Fluggerät entwe
der aus eigener Kraft starten oder auch mit Hilfe z. B. eines Motorflugzeugs auf eine
Ausgangshöhe geschleppt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der einzigen Zeichnung näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraleicht-Fluggeräts 1. Zur
Stromerzeugung ist eine Wärme-Kraft-Maschine 2 mit einem wellengekoppelten Ge
nerator 3 vorhanden. Die Wärme-Kraft-Maschine 2 ist direkt mit einem Brenner 4 ge
koppelt. Der Brenner 4 erzeugt in einer Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff
die für den Betrieb der Wärme-Kraft-Maschine 2 benötigte Wärme. Die Wärme-Kraft-
Maschine 2 treibt dabei mittels einer Welle 5 den Generator 3 zur Stromerzeugung
an. Der in dem Generator 3 erzeugte Strom wird einem Elektromotor 6 zugeführt, der
einen Propeller 7 antreibt. Gleichzeitig kann der in dem Generator 3 erzeugte Strom
auch in anderen Bord-Komponenten 8 verwendet werden.
Der für die Verbrennung im Brenner 4 benötigte Wasserstoff und Sauerstoff wird in
einem Elektrolyseur 9 aus der Elektrolyse von Wasser erzeugt. Der Elektrolyseur 9
ist in einen thermisch isolierten Wasserkreislauf 14 geschaltet. In den Wasserkreis
lauf 14 ist neben dem Elektrolyseur 9 je ein Drucktank 10a, 10b zur Speicherung von
Wasserstoff und Sauerstoff, der Brenner 4 sowie ein Kondensator 12 zur Kondensa
tion des Produktwassers aus der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff ge
schaltet. Die Erfindung wird durch die dargestellte Ausführung keineswegs be
schränkt, da auch andere Verschaltungen möglich sind.
Die zur Elektrolyse des Wassers im Elektrolyseur 9 benötigte Energie wird von den
Solarzellen 13 geliefert. Der in dem Elektrolyseur 9 erzeugte Wasserstoff und Sau
erstoff wird in den Drucktanks 10a und 10b gespeichert. Bei Bedarf wird der in den
Drucktanks 10a und 10b gespeicherte Wasserstoff und Sauerstoff dem Brenner 4
zugeführt und im Brenner 4 verbrannt. Die hierbei entstehende Wärme wird direkt
der Wärme-Kraft-Maschine 2 zugeführt. Das in der Verbrennung gebildete Produkt
wasser wird in einem Kondensator 12 kondensiert und dem Kreislauf 14 zugeführt.
[1] http://www.stiftung.koerber.de/kpew/1999/flying-ns.html vom 26.9.00
Claims (8)
1. Hoch fliegendes, unbemanntes und aerodynamisch getragenes Fluggerät (1) für
Langzeitmissionen umfassend
- - einen elektrisch angetriebenen Propeller (7), der auf dem Fluggerät (1) ange ordnet ist,
- - Solarzellen (13), die auf der Oberseite der Tragflächen angeordnet sind, und der Energieversorgung des elektrisch angetriebenen Propellers (7) während des Tagfluges dienen,
- - einen Elektrolyseur (9), der während des Tagfluges, mittels der von den Solar zellen (13) erzeugten Überschussenergie, Wasser in Wasserstoff und Sauer stoff spaltet,
- - einen Drucktank (10a, 10b) zur Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff,
2. Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermodynami
sche Wärme-Kraft-Maschine (2) eine Stirling-Maschine ist.
3. Fluggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermodynami
sche Wärme-Kraft-Maschine (2) eine Brayton-Cycle-Turbine ist.
4. Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyseur (9) in einen separaten, thermisch isolierten Flüssigkeits
kreislauf (14), umfassend den Drucktank (10a, 10b) zur Speicherung von Was
serstoff und Sauerstoff und einen Kondensator (12) zur Kondensation des aus der
Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff entstehenden Produktwassers ge
schaltet ist.
5. Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Brenner (4) ein katalytischer oder katalytisch unterstützter Brenner ist.
6. Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzliche Solarzellen (13) auf der Unterseite der Tragflächen angeordnet
sind.
7. Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Propeller (7), in Flugrichtung gesehen, an der hinteren Kante der Trag
fläche befestigt ist.
8. Fluggerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Propeller (7) ein Koaxialpropeller, umfassend zwei, auf einer Antriebs
welle angebrachte, gegenläufig rotierende, identische Propeller (7) ist.
Priority Applications (1)
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102004048217A1 (de) * | 2004-09-30 | 2006-04-13 | Eurocopter Deutschland Gmbh | Luftfahrzeug mit Kabinen-Differenzdruck-Warnsystem |
| FR2931456A1 (fr) * | 2008-05-26 | 2009-11-27 | Snecma | Aeronef a alimentation en energie hybride. |
| DE102009037329A1 (de) * | 2009-08-14 | 2011-03-03 | Werrmann, Bernd, Dipl.-Ing. | Anlage zur Energieversorgung eines Wohnobjektes und damit im Zusammenhang stehender Verbraucher |
| DE102004013808B4 (de) * | 2004-03-18 | 2013-10-31 | Eads Deutschland Gmbh | Solarantriebssystem für ein Fluggerät |
| FR3133891A1 (fr) * | 2022-03-28 | 2023-09-29 | Safran | dispositif ET PROCEDE de propulsion A HYDROGENE, aéronef muni de celui-ci |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4697761A (en) * | 1985-09-16 | 1987-10-06 | Long David E | High altitude reconnaissance platform |
| US5810284A (en) * | 1995-03-15 | 1998-09-22 | Hibbs; Bart D. | Aircraft |
-
2000
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4697761A (en) * | 1985-09-16 | 1987-10-06 | Long David E | High altitude reconnaissance platform |
| US5810284A (en) * | 1995-03-15 | 1998-09-22 | Hibbs; Bart D. | Aircraft |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Guy Norris, Reaching for the Sun, in: GB-Z.: Flight International, Heft 20, 20. bis 26. Sept. 1995, S. 74 * |
| Michael A. Dornheim, Solar-powered aircraft exeeds 50, 000 ft in: US-Z.: Aviation Week & Space Technology, 18. Sept. 1995, S.67 * |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102004013808B4 (de) * | 2004-03-18 | 2013-10-31 | Eads Deutschland Gmbh | Solarantriebssystem für ein Fluggerät |
| DE102004048217A1 (de) * | 2004-09-30 | 2006-04-13 | Eurocopter Deutschland Gmbh | Luftfahrzeug mit Kabinen-Differenzdruck-Warnsystem |
| DE102004048217B4 (de) * | 2004-09-30 | 2007-04-19 | Eurocopter Deutschland Gmbh | Luftfahrzeug mit Kabinen-Differenzdruck-Warnsystem |
| US7633409B2 (en) | 2004-09-30 | 2009-12-15 | Eurocopter Deutschland Gmbh | Aircraft provided with a cabin differential pressure warning system |
| FR2931456A1 (fr) * | 2008-05-26 | 2009-11-27 | Snecma | Aeronef a alimentation en energie hybride. |
| WO2009153471A2 (fr) * | 2008-05-26 | 2009-12-23 | Snecma | Aeronef a alimentation en energie hybride |
| WO2009153471A3 (fr) * | 2008-05-26 | 2010-03-18 | Snecma | Aeronef a alimentation en energie hybride |
| CN102046469A (zh) * | 2008-05-26 | 2011-05-04 | 斯奈克玛 | 由混合能量供能的飞机 |
| RU2497723C2 (ru) * | 2008-05-26 | 2013-11-10 | Снекма | Летательный аппарат с гибридным питанием энергией |
| DE102009037329A1 (de) * | 2009-08-14 | 2011-03-03 | Werrmann, Bernd, Dipl.-Ing. | Anlage zur Energieversorgung eines Wohnobjektes und damit im Zusammenhang stehender Verbraucher |
| DE102009037329A8 (de) * | 2009-08-14 | 2011-06-01 | Werrmann, Bernd, Dipl.-Ing. | Anlage zur Energieversorgung eines Wohnobjektes und damit im Zusammenhang stehender Verbraucher |
| FR3133891A1 (fr) * | 2022-03-28 | 2023-09-29 | Safran | dispositif ET PROCEDE de propulsion A HYDROGENE, aéronef muni de celui-ci |
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