DE102005013529A1 - Disk-shaped airship e.g. flying disk for carrying communication systems in stratosphere, has two spherical caps of gas-tight material welded together whereby flying body is very flat as compared to conventional airships - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein scheibenförmiges Luftschiff, das
- 1.) als Träger für Kommunikations-Systeme in
der Stratosphäre
(20 bis 30 km Höhe)
für mehrere Wochen
oder Monate stationär über einem
bestimmten Gebiet stehen soll (siehe
1 ) Die Position wird mit Hilfe von GPS, bzw. von Bodenstationen gehalten. Um die Drift durch Winde auszugleichen, bzw. um den Aufstieg und die Landung zu ermöglichen, befinden sich 2 schwenkbare elektrische Antriebsysteme an den Rändern der Flugscheibe (6 ). Die für den Betrieb notwendige Energie wird durch 2 unabhängige Versorgungssysteme bereitgestellt: • bei Tag durch Solarzellen (8 ), • und zusätzlich ganzzeitlich durch Empfang und Gleichrichtung von Mikrowellen-Energie (9 ) von mehreren Bodenstationen (10 ). • Speicherung der Energie in Doppelschicht-Kondensatoren (Supercaps) oder in Lithium-Ionenakkus. - 2.) für
den Personentransport in niedriger Höhe mit entsprechender Modifikation
eingesetzt werden kann (s.
2 ). Hier erfolgt der Antrieb durch z.B. Wankelmotoren mit Mantelpropeller.
- 1.) as a carrier for communication systems in the stratosphere (20 to 30 km altitude) for several weeks or months stationary over a certain area should be (see
1 ) The position is held with the aid of GPS or ground stations. In order to compensate for the drift by winds, or to allow the ascent and landing, there are 2 swivel electric drive systems at the edges of the flying disc (6 ). The energy required for operation is provided by 2 independent supply systems: • by solar cells by day (8th ), And additionally all-time by receiving and rectifying microwave energy (9 ) from several ground stations (10 ). • Storage of energy in double-layer capacitors (supercaps) or in lithium-ion batteries. - 2.) can be used for passenger transport at low altitude with appropriate modification (s.
2 ). Here, the drive is done by eg Wankel engines with ducted propeller.
STAND DER TECHNIKWAS STANDING OF THE TECHNIQUE
Da Luftschiffe viel weniger Energie zum Fliegen als Flugzeuge benötigen, beginnt man heute wieder (vor allem wegen der hohen Treibstoffkosten) die Einsatzmöglichkeiten dieser bewährten Technologie neu zu bewerten.There Airships require much less energy to fly than airplanes begins again today (mainly because of the high fuel costs) the applications this proven Reevaluate technology.
Vor dem Krieg war Deutschland im Luftschiffbau führend; insgesamt wurden bei 130 Gesamtprojekten 119 Zeppeline gebaut.In front Germany was the leader in the construction of airships during the war; in total were at 130 total projects 119 Zeppelins built.
1937 explodierte in Lakehurst das Luftschiff LZ 129 (mit Wasserstoff-Füllung) bei der Landung; dieses Ereignis, und der Fortschritt im Bau von schnellen Flächenflugzeugen bedeutete das Ende der gossen Passagierluftschiffe.1937 exploded in Lakehurst the airship LZ 129 (with hydrogen filling) the landing; this event, and the progress in the construction of fast wing aircraft meant the end of the poured passenger airships.
Mit neuen, leichten Verbund-Materialien, neuen Motoren und Heliumfüllung werden heute wieder Luftschiffe für den Personentransport (Tourismus), sowie als Kommunikationsplattform (im Prototypen-Stadium) gebaut.With new, lightweight composite materials, new engines and helium filling will be today again airships for the passenger transport (tourism), as well as a communication platform (in the prototype stage) built.
1.) Luftschiffe für Kommunikationszwecke und Überwachungsaufgaben1.) Airships for communication purposes and monitoring tasks
Es wird zur Zeit weltweit an hochfliegenden Höhenplattformen für obige Aufgaben gearbeitet; diese sog. „HAPS" (High Altitude Platform Stations) werden in Zukunft für die Telekommunikation und Überwachungsaufgaben eine große Bedeutung erlangen. Sie erlauben es, Mobilfunk, Rundfunk; Fernsehen, Internet, etc. über Ballungsgebieten mit geringer Sendeleistung (einige Watt) zu betreiben und machen dadurch ein bodengebundenes Sendenetz mit all seinen Problemen und Kosten überflüssig.It is currently flying high altitude platforms worldwide for the above Tasks worked; these so-called "HAPS" (High Altitude Platform Stations) in the future for the telecommunications and surveillance tasks a big Gain meaning. They allow it, mobile radio, broadcasting; Watch TV, Internet, etc. about Agglomerations with low transmission power (a few watts) and thereby make a landline network with all its Problems and costs unnecessary.
Eine solche Plattform kann ein Gebiet auf der Erdoberfläche mit einem Radius von bis zu 300 km bedienen und stellt wegen des niedrigen Preises (ca. 1/10 von Satelliten) und der Wartbarkeit der Systeme eine sehr kostengünstige Alternative dar, vor allem in dünn besiedelten Gebieten und in Entwicklungsländern.A such platform can be an area on the earth's surface with operate within a radius of up to 300 km and stops because of the low Price (about 1/10 of satellites) and the maintainability of the systems one very inexpensive Alternative, especially in thin populated areas and developing countries.
Derzeit (Ende 2004) sind alle Projekte im Entwicklungs- oder Experimentierstadium. Als Trägersystem sollen Flugzeuge oder Luftschiffe zum Einsatz kommen.Currently (End of 2004) all projects are in the development or experimental stage. As a carrier system Airplanes or airships are to be used.
Hier eine Aufstellung der wichtigsten zivilen Projekte:
- • ARC: Airborne Relay Communications, USA
- • HAA: High Altitude Airship, Lockheed Martin, USA
- • SKYSTATION, USA
- • SKY TOWER, Aero Vironment, USA
- • AVCS, General Atomics, USA
- • HALE: High Altitude Long Endurance, NASA, USA
- • HALO, Proteus, USA
- • SKY LARC Technologies, University of York, England
- • STRATSAT, Advanced Technology Group (ATG), England
- • SPA: Stratospheric Platform Airship, NLA (Ministerium für Telekommunikation), Japan
- • HELIPLAT: Helio Platform ASI, Italian Space Agency
- • HELINET, Europa (Italien, Polen, England, Ungarn, Spanien, Schweiz).
- • LUFTWURM, UNI Stuttgart, Prof. Dr. Kröplin, Deutschland
- • ARC: Airborne Relay Communications, USA
- HAA: High Altitude Airship, Lockheed Martin, USA
- • SKYSTATION, USA
- • SKY TOWER, Aero Vironment, USA
- • AVCS, General Atomic, USA
- • HALE: High Altitude Long Endurance, NASA, USA
- • HALO, Proteus, USA
- • SKY LARC Technologies, University of York, England
- • STRATSAT, Advanced Technology Group (ATG), England
- • SPA: Stratospheric Platform Airship, NLA (Ministry of Telecommunications), Japan
- HELIPLAT: Helio Platform ASI, Italian Space Agency
- • HELINET, Europe (Italy, Poland, England, Hungary, Spain, Switzerland).
- • LUFTWURM, UNI Stuttgart, Prof. dr. Kröplin, Germany
Nähere Informationen über diese Projekte sind im Anh. 2, bzw. im Internet unter dem Suchbegriff „HAPS" zu finden.More information about this Projects can be found in App. 2 or on the Internet under the search term "HAPS".
2.) Luftschiffe für Passagiertransport2.) Airships for passenger transport
Auf diesem Gebiet ist die Fa. Zeppelin NT in Friedrichshafen in Deutschland führend. (siehe Anl. 1).On In this area the company Zeppelin NT in Friedrichshafen is in Germany leader. (see Appendix 1).
Ein weiteres Luftschiff-Projekt (Cargolifter) wurde aus Kostengründen eingestellt.One another airship project (Cargolifter) was discontinued for cost reasons.
NACHTEILE DES STANDES DER TECHNIKDISADVANTAGE OF THE PRIOR ART
Um breitbandige, schnelle Kommunikationsnetze zu betreiben, werden heute hauptsächlich Glasfaserkabel verwendet; für Mobilfunknetze müssen zahlreiche Antennen auf Gebäuden montiert werden, für die auch u.U. Miete gezahlt werden muss.To broadband, fast communication Mainly fiber optic cables are used today; for mobile networks numerous antennas must be mounted on buildings, for which may also be paid rent.
Die Verlegung von Kabeln in Städten ist sehr teuer und zeitaufwendig; ebenso die Montage von Mobilfunkantennen, die auch von der Bevölkerung wegen vermuteter Gesundheitsrisiken durch die HF-Strahlung kaum noch toleriert werden.The Laying cables in cities is very expensive and time consuming; as well as the installation of mobile radio antennas, also because of the population presumed health risks are barely tolerated by RF radiation become.
Das Problem wird sich durch die Errichtung von UMTS-Netzen noch verschärfen, da für dieses neue Netz zusätzlich zahlreiche neue Antennen benötigt werden. Auch der Aufbau von Kommunikationsnetzen in dünn besiedelten Gebieten, wie z.B. in den Entwicklungsländern ist aus Kostengründen problematisch und wird voraussichtlich noch sehr lange dauern.The Problem will be exacerbated by the establishment of UMTS networks, since for this new one Net in addition numerous new antennas needed become. Also, the construction of communication networks in sparsely populated Areas such as e.g. in developing countries is problematic for cost reasons and is expected to take a long time.
Für längere Überwachungsaufgaben aus der Luft im Nahbereich (z.B. Grenzschutz, Verkehrskontrolle und -Steuerung, etc.) werden zur Zeit hauptsächlich Hubschrauber eingesetzt, die sehr laut und im Betrieb auch teuer sind.For longer monitoring tasks from the air at close range (for example, border patrol, traffic control and control, etc.) are currently mainly helicopters used, which are very noisy and expensive in operation.
1.) Probleme bei Kommunikations-Plattformen1.) Problems with communication platforms
Da das Luftschiff stationär in ca. 20 Km Höhe über einem Ballungsgebiet stehen muss, benötigt es einen starken Antrieb, um Windgeschwindigkeiten bis zu 50 m pro Sek. standzuhalten; außerdem wird der Antrieb für den Auf- und Abstieg des Luftschiffes benötigt.There the airship stationary in about 20 km altitude above a Agglomeration area needs It has a strong drive to wind speeds up to 50m per Sec; Furthermore becomes the drive for the ascent and descent of the airship needed.
Da die Luft für Verbrennungsmotore in dieser großen Höhe zu dünn ist (ca. 1 % des Luftdruckes am Boden), wird weltweit nach Alternativantrieben geforscht.There the air for Combustion engines at this high altitude is too thin (about 1% of the air pressure on the ground), is being researched worldwide for alternative drives.
Zur Zeit ist dieses Problem in allen oben angeführten Projekten noch ungelöst (siehe HAPS-Bericht im Anhang).to This issue is still unresolved in all the projects listed above (see HAPS report attached).
Das gleiche gilt auch für die geplanten zivilen und militärischen Überwachungs-Luftschiffe.The same applies to the planned civilian and military surveillance airships.
2.) Luftschiff für den Personentransport2.) Airship for passenger transport
Gegenwärtig gibt es nur wenige einsatzbereite Luftschiffe für den Personentransport; Sie haben meist eine Zeppelin-Form und werden hauptsächlich im Tourismusbereich und für Reklamezwecke eingesetzt.Currently there there are only a few ready-to-use airships for passenger transport; she Most have a Zeppelin shape and are mainly used in tourism and for Advertising purposes used.
Die Hauptnachteile dieser herkömmlichen Luftschiffe sind:
- • Niedrige Geschwindigkeiten durch hohen Luftwiderstand (max. 100 km/h),
- • Große Windempfindlichkeit,
- • Eine notwendige Bodenmannschaft von bis zu 20 Personen.
- • Schwierige Landung bei starkem Wind.
- • Low speeds due to high air resistance (max 100 km / h),
- • high wind sensitivity,
- • A necessary ground crew of up to 20 people.
- • Difficult landing in strong winds.
AUFGABE DER ERFINDUNGTASK THE INVENTION
Luftschiffe haben einige grundsätzlich andere Eigenschaften als Flugzeuge. Ein Flugzeug fliegt durch den erzeugten Auftrieb an den Tragflächen; es brauch deshalb immer eine horizontale Geschwindigkeit.airships have some basically other properties than airplanes. A plane flies through the generated buoyancy on the wings; it therefore always needs a horizontal speed.
Ein Luftschiff erhält seinen Auftrieb durch das Traggas, heute normalerweise unbrennbares Helium, in Sonderfällen auch den weitaus billigeren Wasserstoff. Ein Kubikmeter Helium hat etwa die Tragkraft von einem Kilogramm. Man benötigt also viel Volumen, um viel Gewicht zu tragen. Deshalb sind herkömmliche Luftschiffe voluminöse Körper mit hohem Luftwiderstand.One Airship receives its buoyancy through the carrier gas, today normally incombustible helium, in special cases also the much cheaper hydrogen. One cubic meter of helium has about the carrying capacity of one kilogram. So you need a lot of volume to to carry a lot of weight. Therefore, conventional airships are voluminous bodies with high Air resistance.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu bauendes Luftschiff mit geringem Luftwiderstand zu schaffen, das eine
- • Horizontalgeschwindigkeit von ca. 150 km/h erreichen kann,
- • eigenstabil ist und im
- • Vorwärtsflug Auftrieb erzeugt, um Energie zu sparen; außerdem soll es
- • unabhängig von Bodeneinrichtungen und -Mannschaften
- • senkrecht starten und landen können.
- • can reach horizontal speed of about 150 km / h,
- • is intrinsically stable and im
- • forward flight generates lift to save energy; besides, it should
- • independent of ground facilities and crews
- • can start and land vertically.
LÖSUNG DER AUFGABESOLUTION OF THE TASK
Diese oben aufgezählten Eigenschaften werden durch die aerodynamisch günstige Ellipsenform des Flugkörpers, die schwenkbaren el. Antriebssysteme und die einfachen Konstruktionselemente erreicht; Details siehe Konstruktionszeichnung.These enumerated above Properties are characterized by the aerodynamically favorable elliptical shape of the missile, the swivel el. drive systems and the simple construction elements reached; For details see construction drawing.
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION
1.) Als Träger für Kommunikationssysteme (HAPS)1.) As a carrier for communication systems (HAPS)
Die vorgeschlagene Ellipsenform hat neben dem günstigen Luftwiderstand noch folgende Vorteile:
- • die gesamte obere Oberfläche kann
mit Solarzellen (
8 ) bedeckt werden, die durch den geringen Krümmungsradius der Hülle einen guten Wirkungsgrad ohne Nachführung zur Sonne haben. - • Die
gesamte Unterseite wird als Empfangsantenne für die Mikrowellen-Energie (
9 ) von den Bodenstationen benützt und kann so bei Nacht (und auch bei Tag) die notwendige Leistung für den Betrieb der Plattform liefern. - • Durch das Aufheizen des Traggases (bei Tag durch die Erwärmung der Solarzellen und bei Nacht durch die Verlustwärme der Mikrowellen-Antenne) kann die Höhe des Luftschiffes ohne Stromverbrauch reguliert werden.
- • Die
für den
Betrieb notwendigen Geräte
(Pufferkondensatoren, Batterien, Kommunikationseinrichtungen, Empfangs-
und Sendeantennen etc. werden in einem Kreisring am Rand des Flugkörpers (Nutzlastträger) (
2 ) untergebracht (einfache Wartung und Montage). - • Durch
die um 90 Grad schwenkbaren Motorgondeln (
6 ) kann jedes Flugmanöver ausgeführt werden (Horizontalflug, senkrechter Start und Landung, Drehungen etc.)
- • the entire upper surface can be replaced with solar cells (
8th ) are covered, which have a good efficiency without tracking to the sun due to the small radius of curvature of the shell. - • The entire underside is used as a receiving antenna for the microwave energy (
9 ) is used by the ground stations and can thus provide the necessary power for the operation of the platform at night (and also during the day). - • By heating the carrier gas (during the day by heating the solar cells and at Night by the heat loss of the microwave antenna), the height of the airship can be regulated without power consumption.
- • The equipment required for operation (buffer capacitors, batteries, communication equipment, receiving and transmitting antennas, etc.) are placed in a circular ring at the edge of the missile (payload carrier) (
2 ) (easy maintenance and installation). - • Due to the 90 ° swiveling motor gondolas (
6 ) every flight maneuver can be carried out (horizontal flight, vertical take-off and landing, turns, etc.)
Einfache Konstruktion. Der Flugkörper besteht im Wesentlichen aus der
- Gashülle (
1 ), dem kreisringförmigen - Nutzlastträger
aus Wabenmaterial (
2 ) und - Kohlenfaser-Rohre (
3 ) zur Stabilisierung der Gashülle und des FK, die zugleich die Landebeine (4 ) darstellen. - • Bei
der Landung können
die einzelnen Beine durch Druckluft verkürzt werden, so dass bei starkem
Wind der FK schräg
steht und so durch den Wind auf den Boden gepresst wird.
Die
Landekissen (
5 ) am Ende der Beine werden nach Bodenberührung mit Wasser gefüllt und fesseln durch ihr Gewicht den FK zusätzlich an den Boden; beim Start wird das Wasser durch ein Ventil abgelassen. - • Für den Fall
eines plötzlichen
Gasverlustes ist auf der Oberseite des FK ein Fallschirm (
7 ) untergebracht, der den FK sicher und unbeschädigt zur Erde bringt. Auch ohne Fallschirm würde der FK durch seine Form relativ langsam und eigenstabil zu Boden sinken. - • Schnell und billig zu realisieren. Da der FK nur aus wenigen Teilen besteht (Gashülle, Nutzlast-Kreisring und Kohlenstoff-Rohre), könnte er relativ schnell und billig realisiert werden.
- Gas envelope (
1 ), the annular - Payload carrier made of honeycomb material (
2 ) and - Carbon fiber tubes (
3 ) for the stabilization of the gas envelope and the FK, which at the same time4 ). - • When landing, the individual legs can be shortened by compressed air, so that in strong wind, the FK is at an angle and is thus pressed by the wind on the ground. The landing cushions (
5 ) at the end of the legs are filled with water after touching the ground and additionally tie the FK to the ground due to their weight; when starting, the water is drained through a valve. - • In the event of a sudden loss of gas, a parachute is on the top of the FK (
7 ), which brings the FK safely and undamaged to earth. Even without a parachute, the FK would sink relatively slowly and inherently stable to the ground due to its shape. - • Fast and cheap to realize. Since the FK consists of only a few parts (gas envelope, payload annulus and carbon tubes), it could be realized relatively quickly and cheaply.
Beispiel:Example:
Für eine Tragkraft von ca. 3000 kg (Volumen ca. 3200 Kubikmeter) müsste der FK einen Radius von 20 m bei einer Höhe von 5 m haben.For a load capacity of about 3000 kg (volume about 3200 cubic meters) would have the FK a radius of 20 m at a height of 5 m.
Die Gashülle würde in diesem Beispiel ca. 270 kg wiegen. Nähere Details siehe Berechnungsbeispiele i. Anh..The gas shell would in weigh approx. 270 kg in this example. For further details see calculation examples i. Anh ..
Der Nutzlastträger könnte aus vielen Kreisring-Segmenten aus HEXCELL bestehen, die beim Aufbau verklebt oder verschraubt werden.Of the payload carrier could made up of many circular segments of HEXCELL that are being assembled glued or screwed.
Auch die Kohlefaser-Rohre könnten aus einzelnen Rohrstücken zusammengeschoben und verklebt werden.Also the carbon fiber tubes could from individual pieces of pipe pushed together and glued together.
Als Antrieb könnten bereits vorhandene Elektromotoren mit entsprechenden Luftschrauben verwendet werden (für obiges Beispiel ca. 50 kW el. Leistung).When Drive could already existing electric motors used with appropriate propellers be (for above example approx. 50 kW el. power).
2.) Als Träger für die Personen-Luftfahrt2.) As a carrier for passenger aviation
In der USA wird seit längerer Zeit schon bei der NASA an einem Zubringer-System namens SATS (Small Aircraft Transportation System) gearbeitet, um den vorhersehbaren Kollaps des Nahtransportsystems vorzubeugen.In the US has been around for a while Time already at NASA on a feeder system called SATS (Small Aircraft Transportation System) worked to the foreseeable Collapse of the Nahtransportsystems to prevent.
SATS besteht dabei neben vielen anderen Innovationen auch aus einem GPS- und computergesteuerten Flugleit-System und neu zu entwickelnden Flugzeugen für den Nah- und Zubringerverkehr.SATS consists of many other innovations as well as a GPS and computer-controlled flight control system and newly developed aircraft for the Local and feeder traffic.
Diese neuen Flugzeuge sollten möglichst wenig Lärm erzeugen, sehr sicher sein, und STOL-Eigenschaften aufweisen, um kleine Landeplätze in der Nähe von Städten benutzen zu können (siehe Ber. i.A.: „Vom Flugzeug-Pendler...").These new aircraft should be as little as possible Generate noise, Be very secure and have STOL features to small landing pads in the near cities to be able to use (see Ber. i.A .: "From Aircraft commuters ... ").
Zur Realisierung dieses Projektes wird eine entsprechende Modifikation des Stratosphären-Flugkörpers vorgeschlagen, wobei an der Unterseite des FK statt der Mikrowellen-Antenne eine Passagier-Gondel mir Rundumsicht-Fenstern befestigt wird.to Realization of this project will be a corresponding modification of the stratospheric missile proposed being at the bottom of the FK instead of the microwave antenna a Passenger gondola is attached to my all-round view windows.
Der Antrieb erfolgt durch 90 Grad drehbare herkömmliche Verbrennungsmotoren mit Mantelluftschraube.Of the Drive takes place through 90 degrees rotatable conventional combustion engines with shroud airscrew.
Die Vorteile dieser Konstruktion wären wie folgt:
- • Sehr einfache Konstruktion, und damit billig und rasch zu realisieren.
- • Senkrechte Start- und Landemöglichkeit, daher ideal als Zubringer-Flugzeug.
- • Potentiell absturzsicher durch die aerodynamische Form und zusätzlichen Fallschirm.
- • Sehr geringe Lärmerzeugung durch z.B. Wankelmotor mit Fan-Winglets-Propeller.
- • Keine große Bodenmannschaft notwendig wie bei herkömmlichen Luftschiffen; durch die spezielle Form ist eine geringere Windempfindlichkeit gegeben und durch Aus- und Einfahren der Landebeine (Schrägstellung des FK) bei starken Wind wird zusätzlich ein entsprechender aerodynamischer Bodendruck hergestellt. Die Bodenmannschaft (voraussichtlich max.2 Mann) wird voraussichtlich nur zur Befüllung der Landekissen mit Wasserballast benötigt.
- • Bodenfesselung durch Aufnahme von Wasserballast in den Landekissen, eventuell zusätzlich unterstützt durch die Schubkraft der senkrecht stehenden und laufenden Triebwerke.
- • Der Flugkörper ist schwimmfähig durch die mit Luft gefüllten Landekissen; daher großes Einsatzspektrum möglich (Wasser, Land, Wiesen, Wüsten, Schnee, etc.).
- • Es werden nur sehr kleine Landeplätze benötigt (ca. Durchmesser des Flugkörpers).
- • Höhere Geschwindigkeiten als bei herkömmlichen Luftschiffen durch die aerodynamisch günstigere Form und Auftriebserzeugung im Horizontalflug (mit entsprechendem Anstellwinkel).
- • Der Flugbetrieb könnte weitgehendst im unkontrollierten Luftraum (bis 300 m, bzw. zwischen 300 und 900 m über Grund bei entsprechender Sicht) durch eine automatische Flugführung mit GPS, Höhenstaffelung und Kollisionssicherheit durch Rundumsicht-Bord-Radar automatisiert werden.
- • Durch die Panorama-Fenster und Bodensicht bei relativ langsamen Fluggeschwindigkeiten (voraussichtlich. max. 150 km/h) wird ein völlig anderes Flugerlebnis möglich sein, mit der entsprechenden Akzeptanz bei den Passagieren; dazu kommt noch der Komfort durch das großzügige Platzangebot, einen entsprechenden Service und der geringe Lärm in der Kabine.
- • Dieses Transportmittel wäre daher auch ideal für den Tourismus geeignet, wie z.B. für Ausflüge in entlegene Gebiete, Besichtigungsflüge in geringer Höhe, Zubringer zu Inseln ohne Flugplatz etc. Durch den wesentlich geringeren Energieverbrauch als bei Flächenflugzeugen, den geringen Personal- und Wartungskosten, sowie den universellen Landemöglichkeiten wäre dieses Transportmittel eine echte Innovation auf diesem Gebiet.
- • Very simple construction, and therefore cheap and quick to implement.
- • Vertical take-off and landing, therefore ideal as a feeder plane.
- • Potentially crash-proof due to the aerodynamic shape and additional parachute.
- • Very low noise generation due to eg Wankel engine with fan-winglets-propeller.
- • No large ground crew required as with conventional airships; Due to the special shape is a lower wind sensitivity given and by extending and retracting the landing legs (inclination of the FK) in strong wind, a corresponding aerodynamic ground pressure is additionally produced. The ground crew (probably max. 2 men) will probably only be needed to fill the landing cushions with water ballast.
- • Ground bondage by absorbing water ballast in the landing pad, possibly also supported by the thrust of the vertical and running engines.
- • The missile is buoyant with the Air-filled landing pad; therefore a wide range of uses possible (water, land, meadows, deserts, snow, etc.).
- • Only very small landing sites are needed (approx. Diameter of the missile).
- • Higher speeds than conventional airships due to the more aerodynamically favorable shape and lift generation in horizontal flight (with corresponding angle of attack).
- • Flight operations could be automated to a large extent in uncontrolled airspace (up to 300 m, or between 300 and 900 m above ground with appropriate visibility) through automatic flight guidance with GPS, altitude grading and collision safety through all-round on-board radar.
- • Due to the panoramic windows and ground view at relatively slow airspeeds (presumably a maximum of 150 km / h) a completely different flight experience will be possible, with the corresponding acceptance by the passengers; Add to that the comfort due to the generous space, the appropriate service and the low noise in the cabin.
- • This means of transport would therefore also be ideally suited for tourism, such as trips to remote areas, sightseeing flights at low altitude, feeder to islands without airfield etc. Due to the much lower energy consumption than aircraft, the low staff and maintenance costs, and the universal means of transport, this means of transport would be a real innovation in this field.
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Ein
Ausführungsbeispiel
für die
Kommunikationsplattform (HAPS) ist in Abb. ... dargestellt,
für die Verwendung
als Personentransportmittel (SATS) in
for use as a means of transport (SATS) in
1.) Verwendung als Kommunikations-Plattform1.) Use as a communication platform
1.1 Flugkörper (FK)1.1 Missile (FK)
Der FK besteht aus den Hauptbaugruppen:
- • Der Gashülle (
1 ), - • dem
Nutzlast-Kreisring (
2 ), - • den
CFK-Rohren (
3 ), - • den
Solarzellen (
8 ), - • der
Mikrowellenantenne (
9 ), - • den
Landebeinen (
4 ), - • den
Fallschirm (
7 ) und - • den
Triebwerken (
6 ).
- • The gas envelope (
1 ) - The payload ring (
2 ) - • the CFRP pipes (
3 ) - • the solar cells (
8th ) - The microwave antenna (
9 ) - • the landing legs (
4 ) - • the parachute (
7 ) and - • the engines (
6 ).
1.2 ZUSAMMENBAU1.2 ASSEMBLY
Um die Herstellung zu vereinfachen und damit Kosten zu sparen, besteht der Nutzlast-Kreisring aus vielen gleichen Segmenten aus Wabenmaterial, die beim Aufbau des FK zu einem Kreisring zusammengeschraubt, bzw. verklebt werden. Nachdem die Nutzlast, die beiden Triebwerke und die CFK-Rohre montiert werden, wird der Kreisring durch eine strömungsgünstige Verkleidung (Hartzell oder Styropor mir GFK oder CFK-Oberfläche) abgedeckt.Around to simplify the production and thus save costs exists the payload circular ring of many equal segments of honeycomb material, the when assembling the FK screwed together to form a circular ring, or glued become. After the payload, the two engines and the CFRP pipes mounted be, the annulus by a streamlined fairing (Hartzell or Styrofoam with GRP or CFRP surface).
Danach kann mit der Gasbefüllung begonnen werden.After that can with the gas filling to be started.
1.3 START1.3 START
Zum starten wird das Ballast-Wasser aus den Landekissen durch ein Ventil abgelassen. Da die Auftriebskraft der Gasfüllung größer als das Gewicht des FK ist, steigt das Luftschiff auf und wird durch die beiden Triebwerke und dem GPS-Navigationssystem auf Kurs gehalten.To the start the ballast water from the landing pad through a valve drained. Because the buoyancy force of the gas filling is greater than the weight of the FK is, the airship rises and gets through the two engines and the GPS navigation system Course held.
1.4 BETRIEB1.4 OPERATION
Nachdem die Einsatzhöhe und -Ort erreicht wurde, werden bei Tag die Energiespeicher durch die Solarzellen aufgeladen (Energiebilanz siehe Anh.); falls die gelieferte Energie nicht ausreicht, wird zusätzliche Energie von der Mikrowellen-Antenne (von der Unterseite der Gashülle) geliefert, angefordert durch einen entspr. Signal zu den Mikrowellen-Bodenstationen.After this the deployment height and location, the energy storage will go through by day the solar cells charged (energy balance see appendix); if the supplied energy is insufficient, will add extra energy from the microwave antenna (from the bottom of the gas envelope) delivered, requested by an appropriate signal to the microwave ground stations.
Die Höhe und die Position wird z.B. mit GPS ermittelt und durch eine entsprechende Steuerung der beiden Triebwerke gehalten.The Height and the position is e.g. determined by GPS and by an appropriate Control of the two engines kept.
Der unvermeidliche geringe Gasverlust kann durch Elektrolyse von mitgeführtem Wasser eine zeitlang ausgeglichen werden.Of the unavoidable low gas loss can be caused by electrolysis of entrained water to be balanced for a while.
1.5 LANDUNG1.5 LANDING
Nachdem der Gasverlust nicht mehr ausgeglichen werden kann, oder bei notwendigen Service-Arbeiten, wird durch ein entsprechendes Kommando der Landeabstieg eingeleitet.After this the gas loss can not be compensated, or if necessary Service work, is by an appropriate command of the Landeabstieg initiated.
Die eventuell erforderliche Energie für die beiden Triebwerke zur Kurskorrektur wird von den Mikrowellen-Bodenstationen geliefert.The possibly required energy for the two engines Course correction is provided by the microwave ground stations.
Nach erfolgter Bodenberührung werden die Landekissen mit Ballast-Wasser gefüllt und so der FK an den Boden gefesselt.To completed ground contact The landing pads are filled with ballast water and so the FK to the ground tied up.
1.6 BODENSTATION1.6 FLOOR STATION
Die Bodenstationen bestehen aus mehreren einzelnen Mikrowellen-Sendern (aus Redundanz und Sicherheitsgründen), wobei jede Station z.B. 10 KW bei 2,5 GHz, fokussiert durch entsprechende Antennen, nach oben zur Plattform strahlt.The Ground stations consist of several individual microwave transmitters (for redundancy and security reasons), each station being e.g. 10 KW at 2.5 GHz, focused by appropriate Antennas, radiating up to the platform.
Diese Frequenz ist für industrielle Zwecke freigegeben und wird z.B. in allen Mikrowellen-Herden verwendet; daher gibt es auch sehr preisgünstige Magnetrons mit einem Wirkungsgrad von über 85 %.These Frequency is for released for industrial purposes and is e.g. in all microwave ovens used; Therefore, there are also very inexpensive magnetrons with a Efficiency of over 85%.
Die Keulenbreite beträgt bei Verwendung entsprechender Antennen z.B. in 20 km Höhe ca. 50 m (–3 dB-Grenze).The Club width is when using appropriate antennas e.g. in 20 km altitude about 50 m (-3 dB limit).
Die Mikrowellen-Energie wird in diesem Frequenzbereich in der Atmosphäre sehr wenig gedämpft (siehe Dämpfungsdiagramm i. A.), so dass ca. 90 % der abgestrahlten Energie bei der Plattform ankommen. Nur bei Regen ist mit einer etwas höheren Dämpfung zu rechnen, die aber durch Erhöhung der abgestrahlten Leistung ausgeglichen werden kann.The Microwave energy becomes very high in this frequency range in the atmosphere little steamed (see damping diagram i. A.), so that about 90% of the radiated energy arrive at the platform. Only when it rains is expected with a slightly higher attenuation, but the by increasing the radiated power can be compensated.
1.7 EMPFANGSANTENNE1.7 RECEIVER ANTENNA
Der Empfang der Mikrowellen erfolgt über eine gleichrichtende Antenne. Diese besteht aus Dipolen mit zwischengeschalteten Gleichrichterdioden.Of the Reception of the microwaves takes place via a rectifying antenna. This consists of dipoles with intermediate Rectifier diodes.
Die Dipole und die Leiterbahnen, sowie die Dioden können auf eine Mylar-Folie aufgebracht werden (s. Detailzeichnung Mikrowellen-Antenne). Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist hinter den Dipolen eine Alu-Folie als Reflektor aufgedampft.The Dipoles and the tracks, as well as the diodes can be applied to a Mylar film be (see detail drawing microwave antenna). To increase the Efficiency is behind the dipoles an aluminum foil as a reflector evaporated.
Technische Daten der EmpfangsantenneTechnical Data of the receiving antenna
Durch diese Konstruktion kann mit einen Wirkungsgrad der Antenne von 80 bis 90 % gerechnet werden.By this design can be used with an antenna efficiency of 80 up to 90%.
Die zusätzliche Masse, die sich aus dem Antennenaufbau ergibt, wird auf ca. 0,2 kg pro Quadratmeter Antennenfläche geschätzt, bei einer max. Leistungsdichte von 400 W pro Quadratmeter. Eine höhere Leistungsdichte sollte ohne zusätzliche Kühlung nicht angestrebt werden.The additional Mass resulting from the antenna assembly becomes about 0.2 kg per square meter of antenna surface estimated, at a max. Power density of 400 W per square meter. A higher Power density should be without additional Cooling not to be sought.
Die beste Ausnützung des Antennenstrahles erhält man durch eine kreisförmige Empfangsantenne. Durch die Fokussierung nimmt die Energiedichte im Strahl nicht nach dem Gesetz für Rundstrahler ab (1/r quadrat), sondern hat im Querschnitt des Strahles eine Gaußsche Verteilung (Glockenkurve). Deshalb sollte der Durchmesser des Strahles ca. 1,3-mal so groß sein wie der Durchmesser der Empfangsantenne.The best use of the antenna beam by a circular one Receiving antenna. By focusing the energy density decreases in the Do not beam according to the law Round radiator off (1 / r square), but has in the cross section of the beam a Gaussian Distribution (bell curve). That's why the diameter of the beam should be be about 1.3 times as big like the diameter of the receiving antenna.
Um einen guten Gesamtwirkungsgrad zu erhalten, sollten außerdem noch zirkularpolarisierte Wellen verwendet werden, da diese keine komplizierte Strahlnachführung erfordern. Der Flugkörper könnte sich durch Sensoren an den Antennenrändern selbst immer auf die max. Energie in der Strahlmitte steuern und so auch seine Position über Grund halten (redundant zu GPS).Around In addition, to get a good overall efficiency, should still circularly polarized waves are used, since these are not complicated beam tracking require. The missile could become by sensors at the antenna edges always on the max. Control energy in the beam center and so also his position over Keep ground (redundant to GPS).
Um eventuell eine Gefährdung des Flugverkehrs oder Vögel durch den Mikrowellenstrahl auszuschließen, wird bei jedem Sender auch ein Empfänger vorhanden sein, der bei Eintreffen eines Echos (Von Vögeln oder Flugzeugen) das Magnetron sofort (in ms) abschaltet. Während dieser Zeit übernehmen die anderen Sender, bzw. die Energiespeicher auf der Plattform die Versorgung.Around possibly a hazard of air traffic or birds by excluding the microwave beam, is at each transmitter also a receiver be present upon the arrival of an echo (From birds or Aircraft) the magnetron shuts off immediately (in ms). During this Take over the time other transmitter, or the energy storage on the platform the supply.
Generell ist eine Gefährdung des Flugverkehrs kaum vorhanden, da die Zelle des Flugzeuges einen Faradayschen Käfig bildet und deshalb gegen elektromagn. Störer von außen unempfindlich ist. Auch die Vögel werden kaum gefährdet, da die Leistungsdichte und die Verweildauer im Hauptstrahl sehr gering ist.As a general rule is a danger of the air traffic hardly exists, since the cell of the airplane one Faraday cage forms and therefore against electromagn. Disturber is insensitive from the outside. Also the birds are hardly endangered, because the power density and the residence time in the main beam is very high is low.
Die Bodenstationen können entweder mobil auf einen LKW oder fest, z.B. auf einem flachen Dach von einem Gebäude installiert werden. Der Öffnungswinkel des Strahles sollte so klein wie möglich sein, damit er in ca. 30 km einen entsprechend kleinen Durchmesser aufweist. Der Öffnungswinkel hängt wiederum vom verwendeten Antennentyp und von der Größe des Reflektors ab.The Ground stations can either mobile on a truck or fixed, e.g. on a flat roof of a building be installed. The opening angle of the Beam should be as small as possible be so that he in about 30 km a correspondingly small diameter having. The opening angle hangs again depending on the type of antenna used and the size of the reflector.
1.8 ÜBERTRAGBARE LEISTUNG1.8 TRANSFERABLE PERFORMANCE
Beispiel:Example:
Bei
einem Radius des Flugkörpers
von 20 m beträgt
die Fläche
der Empfangsantenne: 20 × 20 × 3,14 =
1256 qm;
Bei einer Leistungsdichte von 400 W/qm kann somit eine
Energie von über
500 KW empfangen werden.With a radius of the missile of 20 m, the area of the receiving antenna is: 20 × 20 × 3.14 = 1256 square meters;
With a power density of 400 W / qm, an energy of more than 500 KW can be received.
Zusammenfassung der technischen Daten der EnergieübertragungSummary the technical data of the energy transfer
- Arbeitsfrequenz: 2,5 GHzWorking frequency: 2.5 GHz
- Zulässige max. Energiedichte am Luftschiff ohne zusätzliche Kühlung: 400 W/qmAllowed Max. Energy density on the airship without additional cooling: 400 W / sqm
- Spez. Masse der Empfangsanlage (geschätzt): 0,2 kg/qmSpec. Mass of receiving system (estimated): 0.2 kg / sq. M
- Wirkungsgrad der Empfangsantenne. + Gleichrichtung: 0,8 bis 0,9Efficiency of the receiving antenna. + Rectification: 0.8 to 0.9
- Transmissionswirkungsgrad für optimale. Auslegung: ca. 0,9 (Reduzierung durch Regen und der projizierten Ant. Fläche)Transmission efficiency for optimal. Interpretation: about 0.9 (reduction by rain and the projected Ant. Area)
- Senderwirkungsgrad d. Magnetrons: 0,85Transmitter efficiency d. Magnetrons: 0.85
- Gesamtwirkungsgrad: ca. 0,3Total efficiency: approx. 0.3
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu bauendes Luftschiff mit geringem Luftwiderstand zu schaffen, das eine
- • Horizontalgeschwindigkeit von ca. 150 km/h erreichen kann,
- • eigenstabil ist und im
- • Vorwärtsflug Auftrieb erzeugt, um Energie zu sparen; außerdem soll es möglichst
- • unabhängig von Bodeneinrichtungen und -Mannschaften
- • senkrecht starten und landen können.
- • can reach horizontal speed of about 150 km / h,
- • is intrinsically stable and im
- • forward flight generates lift to save energy; besides, it should as possible
- • independent of ground facilities and crews
- • can start and land vertically.
Diese oben aufgezählten Eigenschaften werden durch die aerodynamisch günstige Ellipsenform des Flugkörpers, die schwenkbaren el. Antriebssysteme und die einfachen Konstruktionselemente erreicht.These enumerated above Properties are characterized by the aerodynamically favorable elliptical shape of the missile, the swivel el. drive systems and the simple construction elements reached.
Dieser Flugkörper soll 2 verschiedene Aufgaben erfüllen:
- 1. als Träger für Kommunikationssysteme in großer Höhe (> 20 Km), und
- 2. als Transportmittel für den Nahverkehr.
- 1. as a carrier for communication systems at high altitude (> 20 km), and
- 2. as a means of transport for public transport.
Das Hauptproblem für den Einsatz in gossen Höhen ist das Antriebssystem, da die Luft für Verbrennungsmotoren zu dünn ist (ca. 1 % des Luftdruckes vom Boden). Die Versorgung von stationären Höhenplattformen mit Energie durch Mikrowellen und Solarenergie stellt eine technisch sehr elegante Lösung dar, da sie vom Standpunkt der Zuverlässigkeit und auch kostenmäßig jeder anderen Lösung überlegen ist.The Main problem for the use in poured heights is the drive system because the air is too thin for internal combustion engines (approx. 1% of the air pressure from the ground). The supply of stationary elevation platforms with energy through microwaves and solar energy represents a technical very elegant solution as they are from the standpoint of reliability and also in terms of cost each think of another solution is.
Die Komponenten zum Bau eines derartigen Antriebsystems sind vorhanden und mit dem heutigen stand der Technik realisierbar.The Components for the construction of such a drive system are available and with the current state of technology can be realized.
- 1 1
- Gashüllegas shell
- 2 2
- Nutzlastträger (Kreisring aus Wabenmaterial)Payload carrier (circular ring honeycomb material)
- 3 3
- Kohlenfaser-Rohre (CFK-Rohre)Carbon fiber tubes (CFRP pipes)
- 4 4
- Landebeinelanding legs
- 5 5
- Landekissen (auch für Wasserballast)landing pad (also for Water ballast)
- 6 6
- Motorgondeln (90 Grad schwenkbar)nacelles (90 degrees swiveling)
- 7 7
- Fallschirmparachute
- 8 8th
- Solarzellensolar cells
- 9 9
- Mikrowellen-Empfangsantenne (2,5 GHz)Microwave receiving antenna (2.5 GHz)
- 1010
- Mikrowellen-Sender (2,5 GHz)Microwave transmitter (2.5 GHz)
- 1111
- Passagierkabinepassenger cabin
- 1212
- Fensterwindow
- 1313
- Fußboden (Wabenmaterial)Floor (honeycomb material)
- 1414
- Verkleidungpaneling
Claims (11)
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