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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rumpf eines Luft- oder
Raumfahrzeugs sowie ein Verfahren zum aktiven Isolieren eines solchen Rumpfes.
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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. 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 In nenseite Versteifungen 15, zum Beispiel
so genannte Stringer, aufweist. Der herkömmliche Aufbau
einer Isolation 18 beinhaltet Dämmlagen, die zumeist
aus Glaswolle bestehen und in einer Umhüllung 17,
zum Beispiel eine Kunststofffolie, zwischen der Innenseite des Schalenelementes 2 und
einem inneren Strukturelement 7, zum Beispiel eine Verkleidung
der Kabine, integriert sind. Die Verkleidung ist beispielsweise
aus einem GFK-Werkstoff hergestellt. Sie kann auch Seitenpanels 16 aufweisen.
Durch diese Anordnung werden die Funktionen Wärmedämmung
und Schallisolierung eines Innenraums 20 gegenüber
einer Außenseite 19 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 18 mit der Umhüllung 17 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 5 bilden.
Der Kernzwischenraum 5 ist mit einem Kernaufbau 6 ausgerüstet,
welcher zum Beispiel eine Faltwabenstruktur aus GFK, kohlefaserverstärkten
Kunst stoffen 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 der Kabine. Der Kernzwischenraum 5 ist
mittels eines Luftstroms 10 belüftbar, was durch
Pfeile angedeutet ist, wodurch ein so genanntes Feuchtemanagement
hinsichtlich Kondensation im Kernzwischenraum 5 möglich
ist. Das Innenschalenelement 4 weist mit seiner Innenseite zum
Innenraum 20, wo auf ihr die Verkleidung, 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, ein entsprechendes Luft- oder Raumfahrzeug
und ein Verfahren zum aktiven Isolieren 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
10 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 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 den Zwischenraum belüftende Luftstrom ist als Ab-/Zuluftstrom
eines druckbelüfteten Innenraums, zum Beispiel eine Kabi ne,
des Rumpfes ausgebildet. Der Zwischenraum ist deshalb mit einem
entsprechenden Ab-/Zuluftanschluss des Innenraums verbunden.
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Somit
weist die vorliegende Erfindung den Vorteil einer gesteigerten oder
zumindest gleichbleibenden Isolationswirkung mittels einer Durchströmung
des Zwischenraums mit dem Luftstrom aus einem druckbelüfteten
Innenraum des Rumpfes auf. Dieser Luftstrom wird üblicherweise
an die Flugzeugumgebung ausgelassen. Ein solcher Luftstrom strömt
beispielsweise aus der druckbelüfteten Kabine über
ein so genanntes Outflow Regulating Valve bei Betrieb permanent
in die Flugzeugumgebung ab. Der dem Innenraum zugeführte
Luftstrom ist bereits durch eine, zum Beispiel in einem Luftfahrzeug,
vorhandene Klimaanlage auf eine bestimmte Temperatur erwärmt.
Zusätzliche Wärmetauscher sind nicht notwendig,
können aber vorgesehen sein.
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Ein
weiterer Vorteil dabei ist, dass die erzwungene Luftströmung
durch die Gerätschaften der Klimaanlage erzeugt wird und
kein zusätzlicher Energieaufwand für diese aktive
Isolation/Belüftung benötigt wird.
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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 dem Stand der Technik gegenüber
ebenfalls reduziert. Daraus ergeben sich auch ein geringeres Gewicht
und ein vergrößerter Kabineninnenraum.
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Auch
der Installationsaufwand durch Wegfall oder Verringerung von Isolation
wird gemindert.
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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 der
mit dem Luftstrom belüftbare Zwischenraum zwischen dem
Innenschalenelement und dem Strukturelement vorgesehen. Der Zwischenraum
kann aber auch zwischen den Schalenelementen belüftbar
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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Der
Luftstrom zur Belüftung bzw. aktiven Isolierung kann mittels
eines Ventils, zum Beispiel ein Regelventil, eingestellt und geregelt
werden. Dieses Ventil kann am Einlass zum Zwischenraum, innerhalb
dessen oder an seinem Auslass angeordnet sein. Es können
natürlich auch mehrere Ventile vorhanden sein.
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Besonders
vorteilhaft ist es dabei, dass mittels des zumindest einen Ventils
zumindest eine teilweise Regelung eines Innendrucks des druckbelüfteten
Innenraums möglich sein kann.
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Eine
zusätzliche Isolierung kann an dem beschriebenen Rumpf
angebracht sein, wie zum Beispiel eine Verkleidung mit Isolationseigenschaften. Dadurch
ergibt sind ein verbesserter Wirkungsgrad der aktiven Isolation.
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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Ein
entsprechendes Verfahren zum aktiven Isolieren eines oben beschriebenen
Rumpfes eines Luft- oder Raumfahrzeugs, zeichnet sich dadurch aus,
dass das aktive Isolieren mit einem Luftstrom durchgeführt
wird, welcher ein Ab-/Zuluftstrom eines druckbelüfteten
Innenraums des Rumpfes 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; und
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5 eine
Teilschnittansicht eines Abschnitts eines doppelschaligen Rumpfes
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 und 5 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 Luft- oder Raumfahrzeugs, zum Beispiel
eines Luftfahrzeugs, welches nicht dargestellt ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel steht ein Schalenelement 2 in
der Figur auf der linken Seite mit einer Außenseite 19,
zum Beispiel der Luft, in Verbindung. Zur Innenseite des Schalenelementes 2 ist
dieses beispielsweise durch Versteifungen 15 in Längsrichtung
(senkrecht zur Zeichnungsebene) verstärkt und mit einem
Isolationselement 8 versehen, welches eine bestimmte Stärke
aufweist und auf der Innenseite des Schalenelementes 2 zum
Beispiel aufgeklebt ist.
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Weiter
in Richtung auf einen Innenraum 20 des Rumpfes 1 hin
ist ein Strukturelement 7, zum Beispiel eine Verkleidung
einer Kabine, in einem Abstand zu dem Isolationsele ment 8 angeordnet,
wodurch ein Zwischenraum 9 gebildet ist.
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Dieser
Zwischenraum 9 ist mit einem Luftstrom 10 belüftbar,
der durch Pfeile angedeutet ist. Seine Richtung kann auch in umgekehrter
Weise verlaufen. Der Luftstrom 10 strömt in diesem
Beispiel als Abluft aus der druckbelüfteten Kabine des
Luft- oder Raumfahrzeugs anstelle durch ein so genanntes Outflow
Regulating Valve durch einen Einlass 11, passiert ein Einlassventil 13 und
strömt in den Zwischenraum 9, welcher hier nur
beispielhaft angedeutet ist. Das Einlassventil 13 könnte
zum Beispiel das Outflow Regulating Valve oder ein solches modifiziertes
sein. In dem Luftfahrzeug können mehrere dieser Zwischenräume
vorhanden sein. Der Luftstrom 10 kann analog auch als ein
Zuluftstrom zu einem druckbelüfteten Innenraum des Rumpfes 1 ausgebildet sein.
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Der
Luftstrom 10 ist zum Beispiel von einer Klimaanlage für
die Kabine erwärmt worden und gibt seine Restwärme
an die Oberflächen des Zwischenraums 9 ab, wodurch
eine aktive Isolierung erfolgt. Ein Wärmedurchgangswiderstand
des Rumpfes 1 vom Innenraum 20 zur Außenseite 19 wird
somit erhöht. Die in den Luftstrom 10 eingebrachte
Energie wird somit nicht an die Außenseite 19 durch
Ablassen abgegeben, sondern vorteilhaft zur aktiven Isolierung verwendet,
wodurch sich auch der Energiebedarf für die Klimaanlage
verringert.
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Erst
nach Abgabe seiner Energie zur aktiven Isolierung strömt
der Luftstrom 10 über einen Auslass 12 einer
weiteren Verwendung oder Entsorgung zu. Entweder ist ein Einlassventil 13 oder
ein Auslassventil 14 vorgesehen. Es ist auch denkbar, dass
es innerhalb des Zwischenraums 9 angeordnet ist. In diesem
Beispiel ist eine Kombination von zwei Ventilen 13, 14 gezeigt.
Selbstverständlich sind auch mehrere Ventile 13 in
einer Parallelschaltung möglich.
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Mittels
des Ventils 13; 14 ist der Kabineninnendruck einstell-
bzw. regelbar. Dazu ist das Ventil 13; 14 als
ein Regelventil, zum Beispiel für Rohrsysteme von Klimaanlagen,
ausgebildet. Die dazu gehörige Steuerungsanordnung ist
nicht gezeigt, kann aber auch zur Einstellung und Regelung des Luftstroms 10 genutzt
werden. Der Luftstrom 10 kann auch ein Teilstrom des gesamten
Abluftstroms der Kabine sein. Es ist auch denkbar, dass der Zuluftstrom
zur Kabine ganz oder teilweise hierzu genutzt wird. Auch eine Kombination
ist denkbar, wobei eine Anzahl von Zwischenräumen 9 mit
dem Abluftstrom und eine Anzahl mit dem Zuluftstrom beaufschlagt sein
können.
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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 19 des nicht dargestellten Luftfahrzeugs
angeordnet. Ihre gegenüberliegende Seite ist in einem Abstand
zu einer Seite eines Innenschalenelementes 4 angeordnet,
wobei ein Kernzwischenraum 5 gebildet ist, in welchem ein
Kernaufbau 6 angeordnet ist. Der Kernaufbau 6 verbindet
das Außenschalenelement 3 mit dem Innenschalenelement 4 kraftschlüssig
und weist eine Isoliereigenschaft zur Wärme- und Geräuschdämmung
zum Innenraum 20 auf. Der Kernaufbau 6 ist permeabel,
das heißt, der Kernzwischenraum 5 ist belüftbar.
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Eine
Innenseite des Schalenelementes 2 weist zum Innenraum 20,
in diesem Beispiel eine Innenseite des Innen schalenelementes 4.
In der Richtung zum Innenraum 20 hin ist zum Innenschalenelement 4 das
Strukturelement 7 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 (gestrichelte
Linien bei den zweiten, kleineren Pfeilen) von ihm durchströmt.
Der Luftstrom ist in oben beschriebener Weise erwärmt und gibt
seine Energie an den Kernzwischenraum 5 und den Zwischenraum 9 ab,
wobei eine aktive Isolation gebildet ist.
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Zusätzlich
strömt hier der Luftstrom auch durch den Zwischenraum 9.
Dabei kann es möglich sein, dass auch das Strukturelement 7 eine
Isolierwirkung aufweist, so dass sich eine besonders vorteilhafte
Kombination aus aktiver Isolierung mittels des Luftstroms 10 und
passiver Isolierung des Strukturelementes 7 erzielen lässt.
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Die
Funktion der Ventile 13; 14 ist wie unter 1 beschrieben.
In diesem in 2 gezeigten Beispiel kann auch
für jeden Zwischenraum 5, 9 jeweils ein
Ventil 13; 14 zur Anwendung kommen.
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Es
ist auch möglich, dass nur der Kernzwischenraum 5 mit
dem Luftstrom 10 beaufschlagt ist.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Rumpfes 1, welches sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel
nach 2 nur darin unterscheidet, dass auf der Innenseite
des Innenschalenelementes 4 im Zwischenraum 9 ein Isolationselement 8 aufgebracht
ist. Das Isolationselement 8 bildet auf diese Weise in
dieser beispielhaften Anordnung eine passive Isolation in Kombination mit
der aktiven Isolierung mittels des Luftstroms 10. Auch
hier ist die Funktion der Ventile 13; 14 wie oben beschrieben.
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Der
Einlass 11 ist mit einem bereits vorhandenen Ab-/Zuluftanschluss
eines belüfteten Innenraums 20 in bekannter Installationstechnik
für Rohrsysteme von Klimaanlagen verbunden. Hierbei und bei
der Verbindung zwischen Ventil 13; 14 und den Zwischenräumen 5 und 9 sind
jeweils Verbindungen in bekannter Leitungsausbildung für
Lüftungs- und Klimaanlagen in Luftfahrzeugen angeordnet.
Zum Beispiel kann eine gemeinsame Rohrleitung, beispielsweise mit
rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt vom Ventil 13 aus
als Sammelleitung verlegt sein, 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 zum
Auslass 12 ausgebildet.
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Bei
der Ausführungsform, in welcher das Regelventil innerhalb
des Zwischenraums 5; 9 angeordnet ist, kann das
Regelventil ebenfalls in entsprechender Ausbildung für
Lüftungs- und Klimaleitungen für Luftfahrzeug
ausgebildet sein. Hierbei ist es zum Beispiel möglich,
das entsprechende Verbindungsabschnitte zur Luftführung
zwischen Abschnitten des jeweiligen Zwischenraums 5; 9 vorgesehen
sind. Auch können die Seiten der Schalenelemente, welche
den jeweiligen Zwischenraum begrenzen, zum Beispiel mit entsprechenden
Führungen ausgestaltet sein, dass sie die Luftführung
und Verbindung der Abschnitte des Zwischenraums zu einem Regelventil bilden.
Derartige Führungen können auch den Wärmeaustausch
zwischen dem Luftstrom und dem Zwischenraum zur aktiven Isolierung
erhöhen.
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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. Dies könnte
zum Beispiel der Fall sein, wenn eine Seite des Rumpfes 1 einer
hohen Wärmestrahlung ausgesetzt ist, wie es zum Beispiel
bei Raumfahrzeugen der Fall sein könnte. Die andere Seite des
Rumpfes benötigt dann eine Erwärmung durch den
Luftstrom, während die angestrahlte Seite eine Kühlung
erfordert. Das ist zum Beispiel durch eine entsprechende Anordnung
und Schaltung der Ventile 13; 14 und unterschiedliche
Wärmetauscher der Klimaanlage möglich.
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- 1
- Rumpf
- 2
- Schalenelement
- 3
- Außenschalenelement
- 4
- Innenschalenelement
- 5
- Kernzwischenraum
- 6
- Kernaufbau
- 7
- Strukturelement
- 8
- Isolationselement
- 9
- Zwischenraum
- 10
- Luftstrom
- 11
- Einlass
- 12
- Auslass
- 13
- Einlassventil
- 14
- Auslassventil
- 15
- Versteifung
- 16
- Seitenpanel
- 17
- Umhüllung
- 18
- Isolation
- 19
- Außenseite
- 20
- Innenraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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