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Die
Erfindung betrifft den Bereich der Luftfahrttechnik der senkrechtstartenden
Flugzeuge (VTOL) und der Flugzeuge mit Kurzstreckenstart und Landung
(STOL), und zwar die spezielle Sparte-Vorrichtungen für Schubschwenkung
für die
festeingebauten Antriebe.
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Um
dem Problem näher
zu kommen ist es sinnvoll sich ganz kurz mit der geschichtlichen
Entwicklung der Antriebe und Vorrichtungen für Schubschwenkung der festeingebauten
Antriebe zu beschäftigen.
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Senkrechtstartende
Plattformen (VZ-1, VZ-7, VZ-8P, VT-8PB, VZ-9, B-10) wurden schon
in den Jahren zwischen 1955 und 1965 im Auftrag von NACA von den
Unternehmen Lackner, Hiller und Beansen, Aero-Physics von Curtiss-Wright,
Piasecki und anderen entwickelt. Einige der ersten fliegenden Plattformen
hatten fest installierte Triebwerke mit Propellern für den senkrechten
Schub mit zusätzlichen
Steuerflächen
im Schubstrahl für
die Neigung und den (ev.) Übergang
in den Horizontalflug. Das waren die Plattformen mit offenen Luftschrauben
DH 4/5, B-10, Vz-7, mit Mantel-Luftschrauben VZ-1, VZ-8 Airgeep,
und mit versenkten Luftschrauben Vanguard Omniplane 2Z, Vz-9, XV-4.
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Die
Plattformenfamilie Aiergip (Piasecki VZ-8P, VZ-8PB) hatte gegenüber Hubschraubern deutliche
Vorteile in bezug auf Abmessungen und Manövrierfähigkeiten, erkaufte dies aber
mit einem sehr viel höheren
Spritverbrauch.
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Nachdem
die Technik des Luftschraubenauftriebs ausgereift war, begann man
mit dem Versuch die Senkrechtflugfähigkeiten von Plattformen und
die aerodynamischen Flugfähigkeiten
von Flugzeugen zu kombinieren. Es wurde Flugzeuge mit versenkten Luftschrauben
und Schubsteuerklappen gebaut (VANGWARD 2C, 2D, Avrokar, Vz-11,
Ryan XV-5B). Die Plattform Avro VZ-9 Avrocar und die Flugzeuge mit
Turborotoren Ryan XV-5A Vertifan verwendeten und multiplizierten
den Schub der unbeweglich installierten Strahltriebwerke. Die Strahltriebwerke
benutzen ihren Schub vor allem für
den Horizontalflug, aber bei dem Senkrechtstart betrieben sie in
der Tragfläche
eingebaute Turborotore, die Vertikalschub erzeugten.
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Es
folgen zahlreiche Projekte von Drehflügler mit Kipprotoren oder Verwandlungsflugzeuge
mit Kipppropellertriebwerken, Kippmantelflugzeuge oder Kippflügelflugzeuge.
Aber sie alle brauchten die komplizierten Einrichtungen für des Schwenken
der Rotoren oder der Triebwerke um den senkrechten oder horizontalen
Flug zu verwirklichen.
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Der
Bau von Flugzeugen mit Hubtriebwerken – spezielle Strahltriebwerke
mit großem
Schub aber nur kurzem Einsatz (nur für Start-Landung wegen zu großem Treibstoffverbrauch)
verfolgte das Ziel der Vereinfachung und der Sicherheit der Konstruktion. Zu
diesem Typ gehörten:
Meteor SC-1, Balzak, Mirage IIIV, Su-15, Mig-21, Mig-23 etc.
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Und
es gab die Flugzeuge mit dem „Pegasus" System-Zweistromtriebwerke
mit gabelförmig eingerichteten
Luft-Gasleitungen und schwenkbaren Düsen von der Vorder-Rückseite
des Triebwerkes. Pegasus diente in der P.1127, Kestrel FGA Mk1 und der
Harrier (von Hawker, Bristol), den beiden Überschallflugzeugen mit Vertikalstart,
als einzelne, fest eingebaute Triebwerke für beides, den Vertikal- und den
Horizontalflug, aber mit schwenkbaren Düsen.
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Es
gab in der Entwicklung auch die STOL-Flugzeuge mit Schubablenkung
VZ-5, VZ-3, Breguert 940, die mittels ausgefahrener Klappen und Endscheiben,
aber mit fest eingebauten Triebwerken der Kurzstart ausfühlte; bei
ihnen bliesen die Propeller den ganzen Flügel an. Später konstruierte man erheblich
komplexere Flugzeuge, die das Prinzip des Anblasens der Trägflächen und
Kaskaden von Klappen und Querrudern mit Gas-Luftstrom von feststehenden
Triebwerken verwendeten. Den Senkrechtschub erzeugte man mit Hilfe
der aerodynamischen Kräfte,
die von konstruktiven Elementen des Flugzeugs erlangt wurden. Zu
diesem Typ gehören STOL-Flugzeuge:
NASA Augmentor Wing, NASA OSPRA, YC-14, YC-15, An-72, An-74.
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Es
wurde viel geforscht und getüftelt,
es wurden viele Apparate mit VTOL Eigenschaften gebaut, und Prototypen
flogen auch, insgesamt mehr als 70 Typen, aber nur wenige kamen
auf den Markt. Und das waren keinen kleine und menschennahen Flugapparate,
sonder die großen
Militär-
und Transportflugzeuge, darunter Entwicklungsfolgen P-1127-Kestrel-Harrier;
Jaκ-36-Jaκ-38; An 72-An
74; NASA OSPRA.
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Manche
diese Entwicklungen sind irgendwann nicht weiterverfolgt worden,
aber sie haben Tendenzen aufgezeigt.
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Die
ersten Plattformen waren noch recht leicht und konnten durch Neigung
des Körpers
des Piloten gesteuert werden. Die Weiterentwicklung brauchte dazu
ablenkbare Steuerflächen,
die im Luftstrom von Propellern installiert wurden, oder Steuerdüsen. Und
mit Zunahme der Massenkräfte
brauchte man spezielle, um jede Achse wirkende Steuerungsmittel-Propeller
oder Düsen.
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Die
Wirkung der Erforschungsprogramme ergab, dass immer höheren Schub
der Triebwerke zum Verfügung
stand, und dass die Senkrechtstartflugzeuge immer effektiver und
sicherer wurden. Aber immer effektiver und sicherer wurden die Flugzeuge
der konventionellen Bauweisen, denn sie verwendeten dieselben modernisierten
Triebwerke und Steuersysteme. Und sie wurden ständig billiger und wirtschaftlicher.
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Das
Problem bleibt bestehen: für
Senkrechtstart und Schwebeflug wird ein Schub gebraucht, der für etliche
Konstruktionen fast um fünfzehnmal
großer
ist, als der Schub für
die Vorwärtsbewegung;
d.h. im Vorwärtsflug
wird diese überschüssige Kraft
als nutzlose Last mitgeführt,
was die Nutzlast stark verringert. Auch Probleme der Umweltbelastung
insbesondere der Lärmpegel
sind zu hoch.
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Und
dies ist nicht alles. Für
einenstabilen Schwebeflug wie auch für den Übergang vom Vertikal- zum Horizontalflug
ist ein spezielles Steuersystem nötig. Dieses Steuersystem braucht
Energiequelle und die Steuerorgane, Propeller oder Strahldüsen um die
Fluglage des Flugzeugs zu bestiemen, denn die aerodynamischen Ruder,
die üblicherweise für Horizontalflug
bestimmt sind, sind in dieser Flugphase noch nicht effektiv.
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Aus
der Patentliteratur sind uns zahlreiche Schemen von senkrechtstartenden
Flugzeugen und Flugzeugen mit Kurzstreckenstart und Landung bekannt,
schon lange in Experimenten erprobt und allseitig erforscht. Auch
die Substanz der mir gegen Voranmeldung gestellten Entgegenhaltungen
WO 01/30652,
DE 38
29 329 A1 ,
DE
24 20 614 A1 ,
DE 1506
632 A1 ist Teilweise schon umgesetzt und gehört zum Stand
der Technik, teilweise sind sie für das Thema meiner vorstehenden
Erfindung nicht relevant. So ist die Substanz des Patentes
DE 24 20 614 A1 und
DE 1506 632 A1 ,
die eine „hydrostatisch
gelenkte, mit einer hydrostatischen Antriebsvorrichtung versehene
und durch mehrere Fluidumströme
getriebene Fahrzeuge" betrifft.
Hier geht es um Sicherheit und Lenkungsmethode in hydraulisch betriebenen Antriebsvorrichtungen,
die aus einer zentralen Energiequelle bestehen, mehreren hydraulisch
betriebene Rotore oder ummantelten Propeller für den Vortrieb des Flugzeugs
und einem Netz von parallelen Leitungen von der Zentralquelle zum
Betreiber. Die Erfindungen sind sinnvoll für solch ausgelegte hydraulische
Antriebsvorrichtungen, aber die Entwicklung geht einen anderen Weg;
nämlich
die Zusammensetzung der Energiequelle mit dem Betreiber, z. B. Turbine
und ummantelten Schaufelwerk, um Energieübertragungsgetriebe und Leitungen
zu verkürzen und
wenn möglich
ganz auszuschalten. Die Sicherheitsprobleme löst man woanders, und zwar wenig mit
parallel angeschalteten Hydromotoren, Druckleitungen, Pumpen und
usw.
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Die
Entwicklung von senkrechtstartenden Flugzeugen hat die Tendenz gezeigt,
dass, wenn man die bewährten
Systeme, etwa Kipptriebwerke, nicht ganz außer Acht lässt, sind die Flugapparate mit
fest eingebauten Triebwerken einfacher und siecherer als Flugapparate
mit Kippantriebeinrichtungen.
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Als
Kraftmaschinen der Antriebsanlagen haben sich Gasturbinen weitgehend
durchgesetzt (niedriges Gewicht und kleines Bauvolumen bei hoher
Leistung). Zweistrom-Turboluftstrahl-Triebwerke (ZTL) sind entwickelt worden,
um Brennstoff zu sparen. Aber dem besseren Drehmomentverlauf bei Gasturbinen,
der Schwingungsfreiheit und der geringen Lärm und Schadstoffbelastung
stehen ungünstige
Wirkungsgrade und der hohe Brennstoffverbrauch entgegen.
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Also,
wendet man sich zurück
zur vorstehenden Erfindung, kann man festlegen, dass für ein modernes
senkrechtstartendes Flugzeug ein effektives Lagesteuerungssystem
für Senkrechtstart-Übergangsflüge-Senkrechtlandung unentbehrlich
ist und die festeingebauten Triebwerke mit Schubschwenkungsanlagen
die beste Lösung
darstellt.
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Eine
Aufgabe wäre
es daher, bei den festeingebauten Triebwerken, die Auslegung von
Einrichtungen für
die Schubschwenkung durchzuführen,
die nach dem Start die Aerodynamik des Horizontalfluges nicht sonderlich
benachteiligen.
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Als
Lösung
wird ein spezieller Käfig
als Leitsatz vorgeschlagen, der mit dem Triebwerksmantel verbunden
ist und der den Luftstrom des Triebwerks beim Vertikalflug nach
unten leitet, und sich beim Übergangsflug
umformt, nicht störend
wirkt, sonder im Gegenteil die aerodynamischen Eigenschaften, sprich
den Auftrieb verstärkt.
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Berücksichtigt
man, dass der Schaufelraddurchmesser des Manteltriebwerks kleiner
ist als der Durchmesser des leistungsgleichen Propellers, so könnte man
sich vorstellen das Triebwerk mit seinem Käfig in die Tragflügel einzubauen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung sind aus Ausführungsbeispielen der Anlagen
für Schubschwenkung
und Skizzen den senkrechtstartenden Flugzeugen mit diesen Anlagen
ersichtlich, worin:
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Bild
1 zeigt Ausführungsbeispiel
der Schubschwenkungsanlage von Typ 1 (mit schwenkbaren horizontalen
Schilden für
das horizontal angeordnete Triebwerk).
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Bild
2 zeigt Ausführungsbeispiel
der Schubschwenkungsanlage von Typ 2 (mit ausfahrbaren Sektionen
für das
horizontal angeordnete Triebwerk).
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Bild
3 zeigt Ausführungsbeispiel
der Schubschwenkungsanlage von Typ 3 (mit ausfahrbaren Sektionen
für vertikal
installierte Triebwerk).
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Bild
4 skizziert einen Flugapparat mit den horizontalinstallierten Triebwerken
und Anlagen für Schubschwenkung
von Typ 1.
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Bild
5 skizziert einen Flugapparat mit den horizontalinstallierten Triebwerken
und Anlagen für Schubschwenkung
von Typ 2.
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Bild
6 skizziert eine Untertasse mit den horizontalinstallierten Triebwerken
und Anlagen für Schubschwenkung
von Typ 2.
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Bild
7 skizziert eine Untertasse mit den vertikalinstallierten Triebwerken
und Anlagen für
Schubschwenkung von Typ 3.
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Eins
von mehreren konstruktiv möglichen Schemen
der Schubschwenkungsanlage ist auf dem Bild 1 dargestellt. Die Konstruktion
besteht aus dem Übergangsansatz
(3), der vorne einen runden Flansch für die Verbindung mit dem Mantel
(1) des Triebwerks hat, und hinten einen rechteckigen Flansch
hat, den beiden senkrecht installierten Schilden (4), die
sich wie eine Verlängerung
des Überganges
darstellen sowie einigen schwenkbaren Schilden (5), die
horizontal zwischen den beiden vertikalen Schilden installiert sind
und zusammen eine nach unten gerichtete Krümmung bilden. Damit wird, wenn gefordert,
der Schub nach unten gerichtet.
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Dreht
man nun die Schilde in die Horizontallage, so werden die dazwischenliegenden
Schlitze freigesetzt, die den Horizontalschub gewährleisten. Die
Schilde übernehmen
während
der Drehung teilweise und allmählich
den aerodynamischen Auftrieb des Flugapparates. Dies verringert
die tatsächlich benötigte Tragfläche und
reduziert damit die Gesamtmaße
des Flugzeuges. Die Leistung und der Verbrauch könnten erheblich reduziert werden.
Die senkrechten Schilde erzeugen wenig Frontalwiderstand.
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Eine
andere Möglichkeit
ist in Bild 2 dargestellt.
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Der
Leitsatz besteht, wie vor, aus einem Übergangsstück und aus etlichen ausfahrbaren
Sektionen (7), die den Schub direkt oder um bis 90° gedreht,
umleiten. Voll eingezogen, stellen sie keinen großen Widerstand
dar. Ein Vorteil dieser Variante könnte darin bestehen, dass beim
Erzeugen des Auftriebs noch eine Verstärkung des Schubs durch den „Ejektionseffekt" entsteht, hervorgerufen
durch die Schlitze zwischen den einzelnen beweglichen Teilen.
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Wie
groß dieser
Effekt ist, kann man nicht voraus sagen, man kann nur vermuten,
dass hier ein ähnlicher
Effekt eintritt, wie beim anblasen von nach unten gerichteten Klappen
(sehe Berichte über
die H126 von Hunting, oder die Augmentor Wing der NASA, oder die
V22 QSRA ebenfalls von der NASA, oder auch die russische Variante
bei der An-74).
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In
etlichen Fällen,
wenn die senkrecht eingebauten Triebwerke zweckmäßiger sind, ist ein Schema
mit Schwenkklappen verwendbar, bei der die Schwenkklappen beim Senkrechtstart
eingezogen sind, und nur beim Horizontalflug der Schub abgelenkt
werden muss. Der Bauraum für
das Aggregat müsste
entsprechend dimensioniert sein um das Triebwerk und den Leitsatz
(der nicht ausgefahren ist) unterzubringen. Im ausgefahrenen Zustand
erhöht
dies einerseits den Frontalwiderstand, aber anderseits ergibt sich
zum einen der aerodynamische, und zum zweiten, der sogenannte Ejektionseffekt.
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Bild
3 zeigt das Konstruktionsschema des Triebwerks mit solch einem Leitsatz.
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Bei
der senkrechten Lage des Triebwerks ist auch das Schema mit dem
Käfig (Variante
1), vorstellbar, der unter dem Flügel installiert ist und die
festeingebauten senkrechten und schwenkbaren horizontalen Schilden
einschließt.
Durch die getrennte Drehung der beweglichen Schilde steuert man
Roll- und Gierbewegungen des Flugzeugs. Hier lassen sich auch die
festen senkrechten Schilde als Landungsvorrichtungen konstruieren
und dadurch das Ganze zu rationalisieren.
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Außerdem,
bringt dieses Schema mehr Sicherheit, indem der Käfig sich
als Schutz für
das Schaufelwerk in Richtung Erde darstellt und könnte leicht
entsorgt werden bei seiner Beschädigung.
Dabei bleibt die Möglichkeit
der sicheren Landung des Flugapparates.
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Weitere
Bilder zeigen die Skizzen möglicher Schemen
von senkrechtstartenden Flugzeugen in herkömmlicher Bauweise mit bedingt
dargestelltem Manteltriebwerk (Bilder 4 und 5). Besonderes Augenmerk
ist dem Lagesteuerungsmittel geliehen, weil hier ständig die
weiteren Probleme entstanden wurden.
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Bilder
4 und 5 zeigen Miniflugzeuge für
zwei Personen, mit horizontal festeingebauten Mantelluftstromtriebwerken,
ausgestattet mit Ablenkanlagen für
den Schub von Typ 1 oder Typ 2. Die Flugzeuge haben kurze Trägflächen, aber
mit großer
Gesamtfläche
(8), was erlaubt die Triebwerke und ihre Umlenkanlagen
darin unterzubringen.
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Getrennte
Steuerung der Bewegung der Ablenkschilder ermöglicht die Roll- und Gierbewegungen.
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Die
Nickbewegung der Flugzeuge kann man nur mit Hilfe einer zusätzlichen
Steuerdüse
oder eines Rotors (18) mit verstellbarem Einstellwinkel
der Blätter
bewerkstelligen. Steuerdüsen
verlangen Leitungen für
die Zapfgase mit Druck von der Kraftmaschinen des Triebwerkes (19)
oder eigene Druckquellen. Für
das antreiben des Heckrotor (14 s. Bild 5) braucht man
auch eine Energiequelle, z. B. eine zusätzliche Kraftmaschine ohne
den eigenen Rotor (18 s. Bild 5). In dem Rumpf des Flugzeugs
untergebracht und auch als Ersatzkraftmaschine ausgelegt und mit
gemeinsamer Hydrotransmission verbunden, dient dise Kraftmaschine
als Druckquelle für
den Steuerrotor im Heck des Flugzeugs, wie auch als „heiße" Sicherheitsquelle
beim Ausfall einer der beiden Hauptkraftmaschinen. Im aerodynamischen
Flug verringern sich die nötige
Leistung und der Kraftstoffverbrauch, die „heiße" Reserve könnte abgeschaltet werden.
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Eine
wichtige Besonderheit dieses Schemas ist die Tatsache, das die Summe
des Schubs beider Triebwerke und die Resultante des Auftriebs durch die
Ablenkschilder, in der vertikalen Projektion gesehen, sehr nahe
beim Schwerpunkt des Flugzeugs liegen, was die Steuerung der Nickbewegung
mit dem Rotor oder der Steuerdüse
im Heck sehr erleichtert.
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Für die Steuerung
der Fluglage beim Vertikalstart im Roll- und Gierungsbewegung sind
auch die Steuerdüsen
verwendbar. Die Düsen
werden gespeist von Abgasen des Triebwerks nach ihrer teilweisen
Abkühlung,
die aber noch einen ausreichenden Druck haben.
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Der
Heckrotor oder die Steuerdüsen
auf den Tragflächen
sind ein Beispiel für
erhöhte
und präzise Manövrierfähigkeit.
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Aber
Flugapparate sind nicht nur in dieser Gestalt möglich.
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Es
sind aber auch Flugapparate möglich,
die nicht Flugzeugen ähnlich
aussehen. Der paarweise Einbau von 4 Triebwerken mit Schubvektorsteuerung mittels
den beschriebenen Ablenkschilden erübrigen das Hecktragwerk und
die zusätzlichen
Steuerorgane. Damit könnte
man eine fliegende Untertasse bauen.
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Bilder
6 und 7 zeigen die nicht traditionellen Varianten den VTOL-Flugzeugen,
die dank ihrer Gestalt neue spezifische Eigenschaften haben.
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Mit
dieser Art von Antrieben und ihrer Anordnung könnte man Apparate für besondere
Einsätze gestallten:
gepanzerte Untertassen für
Infanterie, oder Rettungsdienstamphibien, bei denen die aerodynamischen
Eigenschaften sogar eine untergeordnete Rolle spielen und andere
Bedingungen wichtiger sind, wie: Unanfechtbarkeit auf dem Kampffeld, verringerte
Empfindlichkeit beim Zusammenstoß mit Hindernissen, volle Einsatzfähigkeit
bei atmosphärischen
Unregelmäßigkeiten
(Naturkatastrophen), oder andere mehr. Die geringe Empfindlichkeit
zum Luftverschmutzung – Staub,
Rauch, Partikel – spielt hier
die wichtige Rolle. Überdies
besitzt der Apparat aerodynamischen Eigenschaften und Wirtschaftlichkeit.
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Die
Bilder 6 und 7 zeigen mögliche
Schemen von Untertassen mit Horizontal- und Vertikallage der Triebwerke.
Das Schema mit horizontal fest eingebauten Triebwerken ermöglicht hohe
Reisegeschwindigkeiten. Dabei lassen sich die Fluglagen der Untertassen
mit dem Einstellwinkel der Schwenkschilder regulieren.
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Die
in Bild 7 gezeigte Anordnung der Triebwerke ergibt für die fliegende
Untertasse eine höhere Sicherheit
gegen Beschädigung;
die ausgefahrenen Schilde erhöhen
die Sicherheit gegen Angriffe von unten und können im Notfall nach unten
abgeworfen werden.