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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Verhinderung des Aufbaus von
einem invers wirkenden Differenzluftdruck in einem Flugzeug gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche
1 und 2. Mit ihr wird das Auftreten des negativen Differenzluftdruckes während des Fluges gänzlich
verhindert und somit auf den Einsatz von Luftdruckausgleichsventilen, die üblicherweise in der
Verkleidung, die das Flugzeug umgibt, installiert werden, die auch bei einem invers wirkenden
Differenzluftdruck für einen Luftdruckausgleich zwischen der Flugzeugaußenumgebung und dem
Flugzeuginneren sorgen, verzichtet, wobei eine Gewichtsreduktion durch den Wegfall von weiteren
Strukturverstärkungen und eine Aufwandssenkung an Fertigungskapazität durch die
Geräteeinsparung erreicht wird.
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Es ist der Fachwelt bekannt, dass ein Flugzeugrumpf konstruktiv als Druckrumpf ausgelegt ist. Dabei
muß der statische Luftdruck (statische Kabinendruck) im Rumpfinneren größer dem Luftdruck
(statischen Außendruck), der außerhalb der Flugzeugumgebung herrscht, sein. Aus
Sicherheitsgründen werden in die den Flugzeugrumpf umgebende Verkleidung autark arbeitende
Luftventile eingebaut, die in der (angenommenen) Situation von auftretender inverser Druckdifferenz
zwischen dem druckbelüfteten Rumpfinnenbereich (Kabinen- und Frachtraumbereich) und dem von
einem atmosphärischen Umgebungsdruck belasteten Rumpfaußenbereich einen Druckausgleich
schaffen. Im angenommenen Fall, dass der atmosphärische Umgebungsluftdruck (Außenluftdruck)
größer dem Luftdruck im Rumpfinneren (Innenluftdruck) ist, wird ein in der Verkleidung installiertes
Lufteinlassventil (bzw. sogenanntes Außenhautventil) aktiv tätig, seine tadellose Funktion
vorausgesetzt.
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Ein derartiges Druckausgleichsventil 1 wird in der das Flugzeug umgebenden Druckverkleidung 2
(Rumpfaußenhaut) eingebaut, dessen Anordnung man aus den beiliegenden Fig. 5 und 6
entnehmen kann. Es besteht aus einem Ventildeckel 3, der von mehreren Federn 4 (Druckfedern) in
geschlossenem Zustand zu einem Rahmen 31 gehalten wird, solange der Innenluftdruck (statische
Kabinendruck) größer oder gleich dem Außenluftdruck (statischen Außendruck) ist. Der Ventildeckel
3 wird sich nach innen ins Flugzeug hinein öffnen und einen Strömungsbereich (einen mit dem
Rumpfinnenbereich verbundenen Einströmquerschnitt) freigeben. Diese Situation besteht bei
vorhandenem invers wirkenden Differenzluftdruck, wenn der Innenluftdruck auf der
flugzeuginnenseitig gelegenen Seite des Druckausgleichventils 1 den Außenluftdruck auf der flugzeugaußenseitig
gelegenen Seite des Druckausgleichventils 1 um einen bestimmten Wert unterschreitet, wenn also
der Außenluftdruck größer dem Innenluftdruck ist. In dieser Situation wird also exakt die
Außendruckkraft, die auf den Ventildeckel 3 flugzeugaußenseitig lastet, größer einer resultierenden
Innendruckkraft, die sich aus einer resultierenden Federkraft von allen drucklastig beanspruchten Federn 4 und
einer auf den Ventildeckel 3 flugzeuginnenseitig lastenden Kraft des Innenluftdrucks zusammensetzt,
sein.
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Öffnet sich zu einem Zeitpunkt der Ventildeckel 3 aufgrund von negativem Differenzluftdruck, wird
eine Außenluft 14 durch den Strömungsquerschnitt von der flugzeugseitig außen gelegenen Seite des
Druckausgleichsventils 1 ins Innere des Flugzeuges strömen. Dadurch wird der Innenluftdruck dem
Außenluftdruck angeglichen, d. h. der Innenluftdruck entspricht ungefähr dem Außenluftdruck. Diese
Einströmung der Außenluft 14 wird über keinerlei Maßnahmen gerichtet optimiert. Auch wird als
erhebliche Schwäche angesehen, dass der tatsächliche Luftstrom, der unter inversen
Druckbedingungen über diese (mehrfach an verschiedenen Stellen installierten) genannten Ventile in
den Flugzeugrumpf eintritt, (durch die Art der Ventile) stark von der (den Flugzeugrumpf
umgebenden) äußeren Luftströmung (Außenluftströmung) beeinflusst wird und somit quasi nicht ohne
aufwendige Testreihen im Flugzeug bestimmt werden kann. Deshalb wird man nach geeigneteren
Maßnahmen Ausschau halten, mit denen man das Auftreten von invers wirkenden Differenzluftdruck
(nahezu gänzlich) verhindern wird und gleichfalls auf eine Installation von Luftdruck-
Ausgleichsventilen 1 verzichten wird.
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Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur Verhinderung des Aufbaus
von einem invers wirkenden Differenzluftdruck in einem Flugzeug bereitzustellen, mit der das
Auftreten des negativen Differenzluftdruckes während des Fluges gänzlich verhindert wird, die
gleichermaßen eine Aufwandssenkung an Fertigungskapazität durch die Geräteeinsparung von
Luftdruck-Ausgleichsventilen und eine Gewichtsreduktion durch den Wegfall von weiteren
Strukturverstärkungen im Ventilbereich einschließen wird.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Maßnahmen gelöst. In den
weiteren Ansprüchen sind zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Maßnahmen
angegeben.
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Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 bis 3 den zeitlichen Druckverlauf des Innenluftdrucks pi, mit dem der
Rumpfinnenbereich 11 eines druckbelüfteteten Flugzeugrumpfes 12 beaufschlagt wird, und den
zeitlichen Druckverlauf des atmosphärischen Umgebungsluftdrucks pa (Außenluftdrucks), der
außerhalb der Flugzeugumgebung auf dem Flugzeugrumpf lastet, wobei
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Fig. 1 bei einem Ausfall der Frischluftversorgung - den zeitlichen Druckverlauf ohne
Druckausgleich mit einem Druckausgleichsventil (nach Fig. 5);
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Fig. 2 bei einem Ausfall der Frischluftversorgung - den zeitlichen Druckverlauf mit
Druckausgleich durch ein Druckausgleichsventil (nach Fig. 5);
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Fig. 3 den zeitlichen Druckverlauf bei einem frühzeitig betätigtem Staulufteinlass
(nach Fig. 4) und
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Fig. 4 die Anordnung zur Verhinderung des Aufbaus von einem invers wirkenden
Differenzluftdruck in einem Flugzeug (also: den Staulufteinlass mit Elementen
der Anordnung)
wiedergibt. Es zeigen außerdem
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Fig. 5 die Anordnung eines Druckausgleichsventils in der das Flugzeug umgebenden
Druckverkleidung;
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Fig. 6 die Draufsicht nach Fig. 5.
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Es werden nachfolgend einige Erläuterungen über den Luftdruck inner- und außerhalb von
Flugzeugen gegeben, die dem weiteren Verständnis förderlich sind.
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Geht man von einem fliegenden Flugzeug aus, so bewegt es sich in einer Höhe von mehreren
Kilometern über dem Erdboden, wo der atmosphärische Umgebungsluftdruck, im folgenden
Außenluftdruck pa genannt, deutlich niedriger liegt als der Luftdruck auf der Erdoberfläche ist. Dabei
wird man folgende Zusammenhänge erkunden: Je höher das Flugzeug vom Erdboden entfernt fliegt,
desto niedriger ist der auf dem Flugzeugrumpf des Flugzeuges lastende Umgebungsluftdruck, der
nachfolgend (allg.) als Außenluftdruck pa bezeichnet wird. Unter einem Differenzluftdruck dp versteht
man bei (auf Flughöhe fliegenden) Flugzeugen die Differenz zwischen dem Luftdruck im
Rumpfinneren, mit dem der Flugzeugrumpf beaufschlagt wird, der im folgenden (allg.) als
Innenluftdruck pi bezeichnet wird, und dem erwähnten Außenluftdruck pa. Der Differenzluftdruck dp
bildet sich aus der Gleichung dp = pi - pa, wobei man einen positiven Differenzluftdruck vorfinden
wird, wenn der Innenluftdruck pi größer dem Außenluftdruck pa. ist [pi > pa], und einen negativen
(inversen) Differenzluftdruck, wenn der Innenluftdruck pi kleiner dem Außenluftdruck pa ist [pi < pa].
Aus Gründen der Atemluftversorgung für mitfliegende Flugzeuginsassen wird der Innenluftdruck pi
immer deutlich über dem Außenluftdruck pa gehalten.
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Da ein Flugzeug durch ungewollte und gewollte Öffnungen in der das Flugzeug umgebenden
Außenhaut (des Flugzeugrumpfes) immer Luft von innen nach außen verlieren wird, die durch
(sogenannte) Leckagen tritt, wird das (nicht näher erläuterte) Luftversorgungssystem, welches Luft
aus der umgebenden Atmosphäre in das Flugzeug einbläst, nicht nur die Atemluft bereitstellen,
sondern auch die Leckage(n) ausgleichen.
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Der Flugzeugrumpf 12 des Flugzeuges ist als Druckrumpf so dimensioniert, das er mit einem
Innenluftdruck pi bedruckt wird, der immer größer oder (in bestimmten Flugsituationen) gleich dem
Außenluftdruck pa sein wird [pi > pa]. Auf diese Weise werden im Rumpfinnenbereich 11 hinsichtlich
des Druckes und (auch der Temperatur) Umweltbedingungen für die mitfliegenden Flugzeuginsassen
(Flugpersonal und Flugpassagiere) geschaffen, die den normalen Ablauf der Atmungs- und
Kreislauffunktionen auch in großen Flughöhen (bei pi > pa) gestatten. Allerdings droht auch ein
ungewünschter Sonderfall, bei dem der Außenluftdruck pa größer werden kann als der Innenluftdruck
pi, der in der Fig. 1 dargestellt wird. Aus dem figurlich dort dargestellten Druckverlauf kann man
entnehmen, dass bis zum Zeitpunkt T1 der Innenluftdruck pi größer dem Außenluftdruck pa gehalten
wird. Bei Ausfall des (nicht näher erläuterten) Frischluftversorgungssystems zum Zeitpunkt T1 sinkt
infolge der von letzterem nicht mehr ausgeglichenen Leckage der Innenluftdruck pi und nähert sich
dem Außenluftdruck pa. Aus den erwähnten Gründen der Atemluftversorgung muss nun das Flugzeug
seine Flughöhe verfassen, wodurch der Außenluftdruck pa steigt, der zum Zeitpunkt T2 bei einer
bestimmten niedrigeren Lüfthöhe gleich dem Innenluftdruck pi ist. Wenn das Flugzeug nach diesem
Zeitpunkt T2 weiter auf eine noch geringere Flughöhe sinken wird, dann wird der Differenzdruck dp
negativ, weshalb der Außenluftdruck pa größer dem Innenluftdruck pi ist. Diese Situation gilt es
zwingend zu verhindern, um gravierende Schäden an der Flugzeugstruktur zu vermeiden.
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Negativem Differenzluftdruck dp wird bei heutigen Flugzeugen mit dem Einbau von entsprechenden
Druckausgleichsventilen 1 nach den Fig. 5 und 6, wie einleitend darüber berichtet, begegnet.
Öffnet sich (anknüpfend der Erläuterungen und der figurlichen Darstellung nach Fig. 1 und
fortsetzend mit einem Blick auf Fig. 2) der einleitend erwähnte Ventildeckel 3 des
Druckausgleichventils 1 (nach den Fig. 5 und 6) zu einem (dem Zeitpunkt T2 späteren) Zeitpunkt
T3 aufgrund von bestehendem negativem (invers wirkenden) Differenzluftdruck dp, dann strömt
Außenluft 14 durch den Strömungsquerschnitt des Druckausgleichsventils 1 von der
flugzeugrumpfaußenseitig gelegenen Seite des Druckausgleichsventils 1 ins Innere des
Flugzeug(rumpf)es. Durch diese Maßnahme wird der Innenluftdruck pi dem Außenluftdruck pa nach
Erreichen eines späteren Zeitpunktes T4 angeglichen, das heißt, der Innenluftdruck pi entspricht etwa
dem Außenluftdruck pa[pi ≍ pa]. Dieses Verhalten wird in der Fig. 2 gezeigt.
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Mit letzterer Maßnahme wird man allerdings nicht das Wirken eines inversen Differenzluftdruckes dp
gänzlich verhindern. Um dieses Problem zu lösen, wird man dem Flugzeug eine Anordnung
installieren, wie sie in der Fig. 4 dargestellt wird.
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Mit dieser Anordnung wird es gelingen, den Aufbau von einem invers wirkenden Differenzluftdruck dp
zur verhindern, wobei man dann auch auf den Einsatz von Druckausgleichsventilen gänzlich
verzichten wird.
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Diese Anordnung, die einen Staulufteinlass 5 umfasst, ist mit ein Teil des erwähnten
Frischluftsystems für das Flugzeug. Dieser Staulufteinlass 5, der eigentlich ein Not-Staulufteinfass ist,
ist allgemein in die das Flugzeug umgebende Verkleidung eingebaut. Im besonderen ist der
Staulufteinlass 5 dem Flugzeugrumpf 12 eingelassen und der Flugzeugrumpfaußenhaut 6 integriert,
der in stromabwärtiger Richtung des Flugzeugrumpfes 12 längsabgesenkt ist. Dessen
Öffnungsbereich 51 wendet sich der Flugzeugaußenumgebung 13 zu, wobei zwischen dem
Staulufteinlass 5 und einem dem Rumpfinnenbereich 11 angeschlossenen Luftverteilungssystem 10
eine Luftstrom-Verbindung besteht, über die ein Luftdruckausgleich geschaffen wird. Der
Staulufteinlass 5 ist mit einer Klappe 7, einem Antrieb 8 und einem Rahmen 9 ausgerüstet, wobei der
Rahmen 9, der randseitlich des Öffnungsbereiches 51 angeordnet ist, mit der
Flugzeugrumpfaußenhaut 6 fest verbunden ist und den Querschnitt des Öffnungsbereiches 51 umrahmt. Außerdem
ist die Klappe 7 an einem stromabwärts und rumpfquerliegend gelegenen Flächenrandbereich der
Flugzeugrumpfaußenhaut 6 oder des Rahmens 9 befestigt und einem Bereich von letzteren
drehbeweglich gelagert. Die Klappe 7 überdeckt den Öffnungsbereich 51 im geschlossenen Zustand
des Staulufteinlasses 5 gänzlich. Sie lässt sich aus dieser Ruheposition zur Flugzeugaußenumgebung
entfernend mit Hilfe eines Antriebs 9 bewegen. Dieser Antrieb 9, der innerhalb eines abgesenkten
Bodenbereiches dem Staulufteinlass 5 befestigt ist, ist an einer Klappeninnenfläche der Klappe 7
gelenkbeweglich angeschlossen, mit dem die Klappe 7 aus einer geschlossenen Position in eine
geöffnete Position oder umgekehrt geschwenkt wird.
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Der Antrieb 8 soll ein elektrisch betätigter Verstellmechanismus, beispielsweise ein Einzel- oder
Doppelantrieb, sein, dessen elektrischer Antriebsteil einem Regelcomputer, der beispielsweise einem
Innendruckregelsystem schaltungstechnisch integriert ist, elektrisch verbunden ist. Mit einem Vorgriff
auf die nachgeordneten Ausführungen wird der Regelcomputer (spätestens) zu einem Zeitpunkt Tx
(vgl. dazu Fig. 3) entsprechende Schaltbefehle zum Schwenken der Klappe 7 in eine geöffnete
Position oder zu einem späteren Zeitpunkt zum Schließen der Klappe 7 in eine Ruheposition an den
(schaltungstechnischen) Antriebsteil des elektrischen Antriebs 8 weiterleiten, das einen mechanischen
Antriebsteil, der innerhalb dem Antrieb 8 angeordnet ist, zum Umsetzen einer mechanischen
Antriebsenergie veranlasst, die einem aus- und einfahrbaren Gestänge, das an der
Klappeninnenfläche befestigt ist, übertragen wird.
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Ergänzt wird, dass die Klappe 7 und der Rahmen 9 der Wölbung der Flugzeugrumpfaußenhaut 6
angepasst ist. Der Regelcomputer ist informationstechnisch dem Cockpit des Flugzeuges verbunden,
von dem aus das erwähnte Innendruckregelsystem durch den Piloten flugzeugintern überwacht wird.
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Dieser Staulufteinlass 5 wird auch benutzt, um zum Zwecke der Luftversorgung der
Flugzeuginsassen zum Zeitpunkt T4 nach der Fig. 2 Außenluft 14 in das Flugzeuginnere strömen zu
lassen.
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Zurückkommend auf den Gedanken, mit der Anordnung nach den Fig. 4 den Aufbau von einem
invers wirkenden Differenzluftdruck dp bei einem fliegenden Flugzeug gänzlich zu verhindern, wird
man folgende Maßnahmen, die sich anhand der Fig. 3 verfolgen lassen, umsetzen.
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Zunächst wird man davon auszugehen haben, dass bei einem fliegenden Flugzeug in einer
bestimmten Situation zwischen einem druckbelüfteten Rumpfinnenbereich 11 eines Flugzeugrumpfes
12, welcher von einem Innenluftdruck pi beaufschlagt wird, und einem in stromabwärtiger Richtung
des Flugzeugrumpfes 11 längsabgesenkten Stauluftenlass 5, auf dessen Öffnungsbereich 51
eingangs des Senklufteinlassbereiches ein Außenluftdruck pa (atmosphärischer Umgebungsluftdruck)
lastet, ein invers wirkender Differenzluftdruck dp auftreten kann, sofern der Innenluftdruck pi den
Außenluftdruck pa unterschreiten wird. Diese Situation setzt - mit einem Blick auf die Fig. 3 - ab dem
Zeitpunkt T1 ein, weil ab diesem Zeitpunkt ein Absinken des (vorher konstant gehaltenen)
Innenluftdrucks pi infolge nicht mehr ausgeglichener Rumpfleckagen eintreffen wird. Dadurch wird
sich der Innenluftdruck pi dem Außenluftdruck pa immer mehr nähern, sofern kein Luftdruckausgleich
(also: ein neuerliches Anheben des Innenluftdrucks pi mit geeigneten Maßnahmen) bis zu einem
nachfolgendem Zeitpunkt T2 geschehen wird. Außerdem wird man ab einem späteren Zeitpunkt Tx0
ein Anwachsen des (vorher konstant gehaltenen) lastenden Umgebungsluftdruck pa beobachtet,
weshalb - wie angedeutet - ohne zwischenzeitlich geschehenen Luftdruckausgleich zu einem
nachfolgendem Zeitpunkt T2 ein dem Umgebungsluftdruck pa gleicher Innenluftdruck pi sich einstellen
wird. Nach dem Zeitpunkt T2 wird dann der inverse Differenzluftdruck dp wirken, dem man mit der
Umsetzung folgender Maßnahmen verhindern kann.
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Zu einem Zeitpunkt Tx, der innerhalb einem Zeitintervall ΔT liegt, das (auf der Zeitachse - nach der
Fig. 3) den Zeitpunkt T2 und den Zeitpunkt Tx0 eingrenzt, wird die Klappe 7 (nach der Fig. 4), die den
Staulufteinlass 5 verschließt und (wie vorher erwähnt) letzteren stromabwärts des Öffnungsbereiches
51 randseitig befestigt ist und diesem drehbeweglich gelagert ist, während des Fluges in eine
geöffnete Klappenposition geschwenkt wird. Dabei wird sich die Klappe 7 dem Öffnungsbereich 51
entfernen und (in Richtung) zur Flugzeugaußenumgebung 13 bewegt werden. Darauffolgend wird
eine dem Flugzeugrumpf 12 nahegelegene Außenluft 14, die durch einen rumpfaußenseitig
vorhandenen Stauluftdruck Q getrieben wird, aus der Flugzeugaußenumgebung 13 durch den
Öffnungsbereich 51 eintreten und in das (dem Staulufteinlass 5 angeschlossenen)
Luftverteilungssystem 10 strömen, die danach den Rumpfinnenbereich 11 erreichen wird. Dadurch
wird das Auftreten des invers wirkenden Differenzluftdruckes dp gänzlich verhindert, wobei mit dem
Stauluftdruck Q auch eine Teilbedruckung des Rumpfinnenbereiches 11 realisiert wird.
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Zusammenfassend wird ein Verfahren und eine Anordnung vorgestellt, mit der sich Aufbau von
einem invers wirkenden Differenzluftdruck dp bei einem fliegenden Flugzeug gänzlich verhindern
lässt und somit auf den Einsatz von bisher dafür eingesetzten Druckausgleichsventilen 1 (nach der
Fig. 5) verzichtet wird. Die Anordnung bezieht sich (nach der Fig. 4) auf einen dafür benutzten
(Not-)Staulufteinlass 5, der in die das Flugzeug umgebende Verkleidung eingebaut bzw. in die
Flugzeugrumpfaußenhaut 6 integriert wird. Der Staulufteinlass 5 ist mit einer Klappe 7 ausgerüstet,
die von einem elektrischen Antrieb 8 zu einem Rahmen 9, der in die Flugzeugverkleidung eingebaut
ist, in eine geöffnete bzw. geschlossene Position gebracht wird. Dieser Antrieb 8 kann vom Cockpit
des Flugzeuges aus elektrisch betätigt werden. Sofern die Klappe 7 während des Fluges in eine
geöffnete Position gebracht wird, strömt Luft von der flugzeugseitig außen gelegenen Seite des
Flugzeuges, die vom Staudruck Q getrieben wird, der sich aus der Flugzeuggeschwindigkeit ergibt,
durch den Staulufteinlass 5 hindurch in ein Luftverteilungssystem, das sich stromabwärts an den
Staulufteinlass 5 anschließt, und von dort in das Flugzeuginnere. Der Staudruck Q errechnet sich
aus der Beziehung: Q = SρV2, wobei ρ die Luftdichte auf der Flugzeugaußenseite und V die
Fluggeschwindigkeit darstellt. Um den Aufbau eines invers wirkenden Differenzluftdruckes dp zu
verhindern, wird man (nach der Fig. 3) bereits zum Zeitpunkt Tx (die) den Staulufteinfass 5
(verschließende Klappe 7) automatisch öffnen, wodurch die staudruckgetriebene Außenluft 14 in den
Öffnungsbereich 51 des Staulufteinlasses 5 einströmt. Hierbei wird der Staudruck Q, der über den
Staulufteinlass 5 auf das Flugzeuginnere wirkt, zur Teilbedruckung des Flugzeuginneren
herangezogen. Mit diesen Maßnahmen wird eine Kostensenkung durch Geräteeinsparung, eine
Gewichtsreduktion durch Wegfall von Strukturverstärkungen, eine Aufwandsreduktion durch Wegfall
von Konstruktion, Qualifikation und Zulassung eines Gerätes und der dazugehörigen flugzeugseitigen
Maßnahmen, eine Kosteneinsparung bei der Flugzeugproduktion durch Wegfall der zu fertigenden
Aussparungen (Löcher) in der Flugzeugaußenverkleidung umsetzen.
Bezugszeichen
1 Druckausgleichsventil
2 Druckverkleidung
3 Ventildeckel, nach innen öffnend
31 Rahmen (des Druckausgleichsventils 1)
4 Druckfeder
5 Staulufteinlass
51 Öffnungsbereich
6 Flugzeugrumpfaußenhaut
7 Klappe, einseitig beweglich, nach außen öffnend
8 Antrieb, elektrisch
9 Rahmen (des Staulufteinlasses 5)
10 Luftverteilungssystem
11 Rumpfinnenbereich (des Flugzeugrumpfes 12)
12 Flugzeugrumpf
13 Flugzeugaußenumgebung
14 Außenluft
pi Innenluftdruck (im Rumpfinnenbereich 11 vorherrschend)
pa Außenluftdruck (atmosphärischer Umgebungsluftdruck)
Q Stauluftdruck
ρ Luftdichte
V Fluggeschwindigkeit