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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rumpf eines Luft- oder
Raumfahrzeugs, und ein entsprechendes Luft- oder Raumfahrzeug.
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Derartige
Rümpfe sind aus mehreren Baueinheiten zusammengesetzt.
Ein Luft- oder Raumfahrzeug, wie beispielsweise ein Flugzeug, ist
im Betrieb nicht nur großen Lastwechseln und Beanspruchungen,
sondern auch erheblichen Temperaturunterschieden ausgesetzt. So
kann zum Beispiel bei einer bestimmten Reiseflughöhe die
Außentemperatur an der Außenseite des Rumpfes
etwa –55°C betragen, während die Innentemperatur
im Bereich der druckbelüfteten Kabinen auf einem Wert von
etwa +20°C gehalten wird. Dieses erfolgt mittels einer
Klimaanlage.
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6 illustriert
ein übliches Rohrsystem 12 einer Klimaanlage (nicht
gezeigt) eines Flugzeugs. Es ist ein Abschnitt eines Rumpfes 1 mit
einem seitlichen Abschnitt des Rohrsystems 12 in einer
vereinfachten, beispielhaften Form dargestellt. Ein Koordinatensystem
gibt eine Längsrichtung x, eine Querrichtung y und eine
Hochrichtung z des Flugzeugs zur Orientierung an. In der x-Richtung
erstrecken sich eine untere X-Leitung 13 und eine obere
X-Leitung 14, die über sich im Wesentlich in z-Richtung verlaufende
Z-Leitungen 15 verbunden sind. In der Mitte sind zwei weitere
Zwischenleitungen 16 in x-Richtung verlaufend angedeutet.
Die (nicht gezeigte) Klimaanlage ist mit diesem Rohrsystem 12 verbunden und
belüftet und temperiert die Kabine, wobei sie auch den
Kabineninnendruck aufrecht erhält. Weiterhin wird die Klimaanlage
auch zur Belüftung und Kühlung von außerhalb
der Kabine liegenden Bereichen, wie zum Beispiel Frachtraum, Avionics
Rack usw., genutzt. Die Klimaanlage speist das Rohrsystem 12, das
als Druckluftsystem ausgelegt und über das ganze Flugzeug
verzweigt ist. Von den unteren X-Leitungen 13 wird warme
Luft von unten über die Z-Leitungen 15 nach oben
in die oberen X-Leitungen 14 und Zwischenleitungen 16 und
in die Kabine geleitet. Die Z-Leitungen 15 verlaufen hinter
einer Kabineninnenverkleidung.
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Derartige
Versorgungsleitungen können folgende Nachteile aufweisen.
Es wird ein je nach Querschnitt ein relativ großer Einbauraum
benötigt. Die Leitungen sind mit einem bestimmten Gewicht
behaftet, das sich zum Flugzeuggewicht addiert. Ein solches Rohrsystem
erfordert einen bestimmten Installationsaufwand. Außerdem
können die Leitungen leicht beschädigt werden,
da sie nur geringe Wandstärken aufweisen.
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Bei
konventionellen Flugzeugrümpfen ist an der Innenseite des
Rumpfes eine Wärmeisolation vorgesehen, welche auch eine
akustische Isolation bildet.
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Ein
Rumpf kann ein- oder auch mehrschalig, insbesondere doppelschalig
ausgebildet sein.
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Die 4 illustriert
eine Teilschnittansicht eines einschaligen Rumpfes 1 nach
einer der Anmelderin bekannten Technik mit einem Schalenelement 2,
welches an seiner Innenseite Versteifungen 19, zum Beispiel
so genannte Stringer, aufweist. Der herkömmliche Aufbau
einer Isolation 17 beinhaltet Dämmlagen, die zumeist
aus Glaswolle bestehen und in einer Umhüllung 18,
zum Beispiel eine Kunststofffolie, zwischen der Innenseite des Schalenelementes 2 und
einem inneren Strukturelement 5, zum Beispiel die Innenverkleidung
der Kabine, integriert sind. Die Verkleidung wird auch als Lining
bezeichnet, hinter welcher sich ein Bereich befindet, der durch
einen so genannten Sekundärluftstrom 11 belüftbar
ist. Die Verkleidung ist beispielsweise aus einem GFK-Werkstoff
hergestellt. Sie kann auch Seitenpanels 20 aufweisen. Durch
diese Anordnung werden die Funktionen Wärmedämmung
und Schallisolierung eines Innenraums 22 gegenüber
einer Außenseite 21 außerhalb des Rumpfes 1 erfüllt.
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Als
nachteilig werden hierbei jedoch das zusätzliche Gewicht
der Isolation, ihr Platzbedarf und der dazu notwendige Montagebedarf
empfunden. Weiterhin kann bei dieser Anordnung eine Ansammlung von
Kondensationswasser zu erhöhtem Gewicht und einem Korrosionspotenzial
führen, was einen entsprechenden Wartungsaufwand nach sich
zieht. Beseitigung von Feuchtigkeitsansammlungen durch Trocknen
oder Austausch der Isolation 17 mit der Umhüllung 18 sind
nachteilig notwendig.
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Es
wurden daher Konzepte für einen Rumpf in doppelschaliger
Bauweise vorgeschlagen, wie
DE 101
54 063 beschreibt.
5 zeigt
dazu eine Teilschnittansicht eines Abschnitts eines doppelschaligen
Rumpfes
1 nach dem Stand der Technik, der beispielsweise
aus faserverstärkten Werkstoffen hergestellt ist.
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Das
Schalenelement 2 des Rumpfes 1 weist ein Außenschalenelement 3 und
ein Innenschalenelement 4 auf, welche in einem Abstand
von einander angeordnet sind und einen Kernzwischenraum 6 bilden.
Der Kernzwischenraum 6 ist mit einem Kernaufbau 7 ausgerüstet,
welcher zum Beispiel eine Faltwabenstruktur aus GFK, kohlefaserverstärkten
Kunststoffen oder dergleichen aufweist, einen strukturmechanisch
wirksamen Schubverbund (Sandwichstruktur) bildet und den Rumpfaufbau
stabilisiert. Gleichzeitig weist der Kernaufbau 6 eine
thermische und akustische Dämmung auf und vergrößert
durch seine Kompaktheit den Innenraum 22 der Kabine. Der Kernzwischenraum 6 ist
mittels eines Luftstroms 10 belüftbar, was durch
Pfeile angedeutet ist, wodurch ein so genanntes Feuchtemanagement
hinsichtlich Kondensation im Kernzwischenraum 6 möglich
ist. Das Innenschalenelement 4 weist mit seiner Innenseite
zum Innenraum 22, wo auf ihr eine Verkleidung als Strukturelement 5,
zum Beispiel eine Dekorfolie, angeordnet ist.
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Ein
Nachteil besteht hierbei in einem weiteren zusätzlichen
Isolationsaufwand, da sonst das Ziel einer festlegbaren Innenwandtemperatur,
beispielsweise +20°C, nicht erreicht wird.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Rumpf und ein entsprechendes Luft- oder Raumfahrzeug bereitzustellen,
welcher bzw. welches die oben genannten Nachteile nicht mehr aufweist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch einen Rumpf mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 bzw. ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Demgemäß wird
ein Rumpf eines Luft- oder Raumfahrzeugs, mit zumindest einem Schalenelement
und einem Strukturelement bereitgestellt, zwischen welchen sich
ein durch einen Luftstrom belüftbarer Zwischenraum befindet.
Der Zwischenraum bildet zumindest einen Abschnitt eines Rohrsystems
einer Klimaanlage.
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Somit
weist die vorliegende Erfindung den Vorteil einer gesteigerten oder
zumindest gleichbleibenden Isolationswirkung mittels einer Durchströmung
des Zwischenraums mit dem beheizten Luftstrom der Klimaanlage auf.
Da dieser Zwischenraum einen Teil bzw. Abschnitt des Rohrsystems
der Klimaanlage bildet, entfallen somit die sonst üblichen Z-Leitungen 15,
da sich der Zwischenraum in Z-Richtung erstreckt, wie oben der Erläuterung
zu 6 zu entnehmen ist. Auch Abschnitte der X-Leitungen 13, 14 können
mit integriert werden, so dass sich eine besonders vorteilhafte
Gewichtsersparnis durch Verringerung der Anzahl dieser Teile ergibt.
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Der
Kabineninnenraum wird größer, da der Raumbedarf
für die integrierten Leitungen des Rohrsystems der Klimaanlage
reduziert ist. Ebenso verringert sich der Installationsaufwand.
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Für
die Isolation besteht ein geringerer Platzbedarf gegenüber
dem Stand der Technik, da Beaufschlagung des Zwischenraums des Rumpfes
mit dem Luftstrom eine aktive Isolierung ist, welche zu einer Reduzierung
der Isolationsstärken üblicher Isolationen führt.
Weiterhin ist das Gewicht auf Grund von Einsparung von Isolationsmaterial
ebenfalls reduziert.
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Im
belüfteten Bereich ergibt sich der Vorteil einer Verringerung
von Kondensationspunkten oder von zumindest verminderten Wasseransammlungen in
Folge von Kondensation.
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Dieses
Konzept ist bei einem einschaligen Rumpf wie oben beschrieben und
auch bei einem mehrschaligen Schalenelement mit einem Außenschalenelement
und einem Innenschalenelement möglich. Hierbei ist vorgesehen,
dass der mit dem Luftstrom belüftbare Zwischenraum zwischen
dem Innenschalenelement und dem Strukturelement getrennte Abschnitte
des Rohrsystems der Klimaanlage bildet. Der Zwischenraum kann aber
auch zwischen den Schalenelementen vorgesehen sein, wobei deren
Struktur zum Beispiel in einer Sandwichbauweise mit jeglichen Kernwerkstoffen,
Panelwerkstoffen und mit oder ohne zusätzliche Isolierung
besteht. Die Schalenelemente können aus Metall, Faserverbundwerkstoffen
oder einer Kombination aus Metall mit Faserverbundwerkstoffen ausgebildet
sein.
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In
den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen
und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.
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Es
ist in einer Ausführung auch möglich, dass der
Sekundärluftstrom, der zur Belüftung des Bereiches
hinter dem Strukturelement bzw. dem Lining dient, zur aktiven Isolation
benutzt wird. Dieses kann zusätzlich sein, wobei er zum
Beispiel bzgl. eines Massendurchsatzes erhöht werden kann.
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Eine
zusätzliche Isolierung kann an dem beschriebenen Rumpf
angebracht sein, wie zum Beispiel eine Verkleidung als Strukturelement
mit Isolationseigenschaften. Es ist auch möglich, ein Isolationselement
im Zwischenraum auf dem Schalenelement anzubringen. Auf Grund der
aktiven Isolation sind jedoch wesentlich geringere Isoliermaterialstärken
als im Stand der Technik erforderlich. Dadurch ergibt sind ein verbesserter
Wirkungsgrad der gesamten Wärmedämmung. Ein weiterer
Vorteil besteht dabei in einer verbesserten akustischen Isolation.
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Demgemäß wird
ein Luft- oder Raumfahrzeug bereitgestellt, welches mit einem oben
beschriebenen Rumpf ausgebildet ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es
zeigen dabei:
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1 eine
Teilschnittansicht eines Abschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Rumpfes;
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2 eine
Teilschnittansicht eines Abschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Rumpfes;
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3 eine
Teilschnittansicht eines Abschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Rumpfes;
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4 eine
Teilschnittansicht eines Abschnitts eines einschaligen Rumpfes nach
dem Stand der Technik;
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5 eine
Teilschnittansicht eines Abschnitts eines doppelschaligen Rumpfes
nach dem Stand der Technik; und
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6 eine
schematische Teilansicht eines Abschnitts eines Rumpfes mit einem
Rohrsystem einer Klimaanlage nach dem Stand der Technik.
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In
allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern
nichts anders angegeben ist – mit jeweils den gleichen
Bezugszeichen versehen worden.
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Der
in 4 bis 6 gezeigte Stand der Technik
ist oben bereits erläutert worden.
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1 zeigt
eine Teilschnittansicht eines Abschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Rumpfes 1 in
einschaliger Ausführung. Der Rumpf 1 ist in diesem
Beispiel ein Rumpf eines Luftfahrzeugs, wie beispielsweise ein Flugzeug,
welches nicht dargestellt ist.
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Ein
Schalenelement 2 steht in der Figur auf der linken Seite
mit einer Außenseite 21 des Flugzeugs in Verbindung.
Zur Innenseite des Schalenelementes 2 ist dieses durch
Versteifungen 19 in Längsrichtung (senkrecht zur
Zeichnungsebene) verstärkt und mit einem Isolationselement 8 versehen,
welches eine bestimmte Stärke aufweist und auf der Innenseite
des Schalenelementes 2 angebracht ist.
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Daneben
ist ein Strukturelement 5, zum Beispiel eine Verkleidung
einer Kabine, in einem Abstand zu dem Isolationselement 8 angeordnet,
wodurch ein Zwischenraum 9 gebildet ist. In dem Luftfahrzeug
können mehrere dieser Zwischenräume vorhanden
sein.
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Dieser
Zwischenraum 9 ist mit einem Luftstrom 10 beaufschlagbar,
der durch Pfeile angedeutet ist. Der Zwischenraum 9 ist
mit einer unteren X-Leitung 13 und einer oberen X-Leitung 14 des
in 6 dargestellten Rohrsystems 12 der Klimaanlage
des Flugzeugs verbunden. Der Zwischenraum 9 bildet somit
einen Abschnitt des Rohrsystems 12, indem er die Z-Leitungen 15 (siehe 6)
entweder vollständig oder abschnittsweise bildet.
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Zum
Beispiel führt der Luftstrom 10 erwärmte Luft
aus der unteren X-Leitung 13 und gibt seine Restwärme
an die Oberflächen des Zwischenraums 9 ab, wodurch
eine aktive Isolierung gebildet ist. Ein Wärmedurchgangswiderstand des
Rumpfes 1 vom Innenraum 22 zur Außenseite 21 wird
somit erhöht. Die in den Luftstrom 10 eingebrachte
Energie wird vorteilhaft zur aktiven Isolierung verwendet, wodurch sich
auch der Energiebedarf für die Klimaanlage verringern kann.
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Erst
nach Abgabe seiner Energie zur aktiven Isolierung strömt
der Luftstrom 10 in die obere X-Leitung 14 oder
die Zwischenleitung 16 (siehe 6).
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Auch
die X-Leitung 13 und/oder die X-Leitung 14 kann
zum Beispiel abschnittsweise mit in den Zwischenräumen 9 integriert
sein, wodurch die Teilezahl des Rohrsystems 12 und dessen
Gewicht reduziert wird.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Rumpfes 1 in einer mehrschaligen, insbesondere doppelschaligen,
Ausführung gezeigt.
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Die
mehrschalige Ausführung des Rumpfes 1 ist in diesem
Beispiel mit einem doppelschaligen Schalenelement 2 aufgebaut.
Ein Außenschalenelement 3 ist mit einer Seite
zu der Außenseite 21 des nicht dargestellten Flugzeugs
angeordnet. Ihre gegenüberliegende Seite ist in einem Abstand
zu einer Seite eines Innenschalenelementes 4 angeordnet, wobei
ein Kernzwischenraum 6 gebildet ist, in welchem ein Kernaufbau 7 angeordnet
ist. Der Kernaufbau 7 verbindet das Außenschalenelement 3 mit
dem Innenschalenelement 4 kraftschlüssig und weist
eine Isoliereigenschaft zur Wärme- und Geräuschdämmung
zum Innenraum 22 auf. Der Kernaufbau 7 ist permeabel,
das heißt, der Kernzwischenraum 6 ist belüftbar.
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Eine
Innenseite des Schalenelementes 2 weist zum Innenraum 22,
in diesem Beispiel eine Innenseite des Innenschalenelementes 4.
In der Richtung zum Innenraum 22 hin ist zum Innenschalenelement 4 das
Strukturelement 5 in einem Abstand angeordnet und bildet
mit dem Innenschalenelement 4 den belüftbaren
Zwischenraum 9.
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In
diesem Beispiel sind der Kernzwischenraum 5 und der Zwischenraum 9 von
dem Luftstrom 10 bzw. Teilströmen (kleinere Pfeile)
von ihm durchströmt. Der Luftstrom 10 ist in oben
beschriebener Weise erwärmt und gibt seine Energie an den
Kernzwischenraum 6 und den Zwischenraum 9 ab,
wobei eine aktive Isolation gebildet ist.
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Zusätzlich
strömt hier der Luftstrom 10 auch durch den Zwischenraum 9.
Dabei kann es möglich sein, dass auch das Strukturelement 5 eine
Isolierwirkung aufweist, so dass sich eine besonders vorteilhafte
Kombination aus aktiver Isolierung mittels des Luftstroms 10 und
passiver Isolierung des Strukturelementes 5 erzielen lässt.
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Der
Zwischenraum 9 und der Kernzwischenraum 6 sind
mit dem Rohrsystem 12 der Klimaanlage wie unter 1 beschrieben
verbunden und bilden Abschnitte desselben. In diesem in 2 gezeigten Beispiel
kann natürlich auch nur der Zwischenraum 9 oder
der Kernzwischenraum 6 für sich allein mit dem Rohrsystem 12 zur
Integration von Abschnitten desselben verbunden sein.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Rumpfes 1, welches sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel
nach 2 zunächst darin unterscheidet, dass
nur der Kernzwischenraum 6 die Z-Leitungen 15 des
Rohrsystems 12 bildet. Der Zwischenraum 9 ist
jedoch mit einem Sekundärluftstrom 11 beaufschlagt,
welcher zur Belüftung des Bereiches hinter dem Strukturelement 5, also
des Zwischenraums 9 diente. Dieser Sekundärluftstrom 11 kann
auch zur aktiven Isolation benutzt werden. Dieses ist zum Teil einfach,
da die Installation für diesen Se kundärluftstrom 11 häufig
vorhanden ist. Durch Erhöhung zum Beispiel des Massendurchsatzes
dieses Sekundärluftstroms 11 wird die durch ihn
in diesem Beispiel bewirkte aktive Isolation erhöht.
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Zur
weiteren Verbesserung der Isolation ist in diesem Beispiel zusätzlich
auf der Innenseite des Innenschalenelementes 4 im Zwischenraum 9 ein
Isolationselement 8 aufgebracht. Das Isolationselement 8 bildet
auf diese Weise in dieser beispielhaften Anordnung eine passive
Isolation in Kombination mit der aktiven Isolierung mittels des
Sekundärluftstroms 11 durch den Zwischenraum und
des Luftstroms 10 durch den Kernzwischenraum 6.
Eine Integration von Abschnitten des Rohrsystems 12 der
Klimaanlage, eine Integration von Z-Leitungen 15 und Verbindung, wie
oben beschrieben ausgeführt, jedoch nur in Verbindung mit
dem Kernzwischenraum 6.
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Die
jeweiligen Verbindungen zwischen dem vorhandenen Rohrsystem 12 der
Klimaanlage und den Zwischenräumen 6; 9 sind
in bekannter Installationstechnik für Rohrsysteme von Lüftungs-
und Klimaanlagen für Luft- Raumfahrzeuge ausgestaltet. Zum
Beispiel dient die gemeinsame untere X-Leitung 13 in Form
einer Rohrleitung, beispielsweise mit rechteckigem oder kreisförmigem
Querschnitt als Sammelleitung, von der für jeden Zwischenraum oder
Gruppen von Zwischenräumen Verbindungen als Abzweige angeschlossen
sind. Diese Verbindungen können beispielsweise so gestaltet
sein, dass sie in geeigneter Weise vom Querschnitt der Sammelleitung
auf den Einmündungsquerschnitt des jeweiligen Zwischenraums
angepasst sind. Analog dazu sind Verbindungen der Zwischenräume 6; 9 zur
oberen X-Leitung 14 und den Zwischenleitungen 16 ausgebildet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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So
ist die Erfindung bei Rümpfen anwendbar, die ein- oder
doppel- oder mehrschalig ausgeführt sind, wobei die Schalenelemente
aus Metall, Faserverbundwerkstoffen oder aus einer Kombination von Metall
mit Faserverbundwerkstoffen ausgebildet sind.
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Es
ist auch denkbar, dass der Luftstrom 10 nicht nur erwärmt,
sondern auch gekühlt werden kann, was durch die Klimaanlage
erfolgt.
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Auch
eine Aufteilung der integrierten Abschnitte in die Zwischenräume 9 und 6 ist
denkbar. Dabei können diese so separaten Abschnitte unabhängig
von einander erwärmt, gekühlt, belüftet
oder ausgeschaltet werden, was zum Beispiel mittels geeigneter Steuerventile
möglich ist.
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- 1
- Rumpf
- 2
- Schalenelement
- 3
- Außenschalenelement
- 4
- Innenschalenelement
- 5
- Strukturelement
- 6
- Kernzwischenraum
- 7
- Kernaufbau
- 8
- Isolationselement
- 9
- Zwischenraum
- 10
- Luftstrom
- 11
- Sekundärluftstrom
- 12
- Rohrsystem
- 13
- Untere
X-Leitung
- 14
- Obere
X-Leitung
- 15
- Z-Leitung
- 16
- Zwischenleitung
- 17
- Isolation
- 18
- Umhüllung
- 19
- Versteifung
- 20
- Seitenpanel
- 21
- Außenseite
- 22
- Innenraum
- x,
y, z
- Koordinaten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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