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Die 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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US 5,897,079 zeigt ein System und Verfahren zum Isolieren einer Flugzeugkabine vor Umgebungstemperaturen ohne Isoliermatten. Heiße Zapfluft wird in abgedichtete Schächte gelenkt, welche zwischen der äußeren Haut des Rumpfes und den Wandelementen der Passagierkabine ausgebildet sind. Sobald die heiße Zapfluft durch die abgedichteten Schächte steigt, isoliert sie das Innere der Passagierkabine von den äußeren Umgebungstemperaturen. Die äußere Haut des Flugzeugs wirkt durch das Entfernen der Wärme aus der Zapfluft als ein Wärmetauscher, bevor diese in die Kabine geleitet wird.
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WO 2000/37313 A1 zeigt einen Rumpf eines Flugzeugs mit einem Umweltkontrollsystem zur kontrollierten Belüftung des Innenraums, mit einer Kabine und einer Umhüllung. Des Weiteren umfasst dieses Mittel zum Bereitstellen von trockener Belüftungsluft an den Rumpf. Ein Lüftungskanalsystem leitet den Lüftungsluftstrom für die Umhüllung in die Umhüllung, und ein Kabinenkanalsystem leitet den Lüftungsluftstrom für die Kabine in die Kabine. Eine Anti-korrosions/Sorptionsbehandlung wird auf Oberflächen aufgebracht, welche einer Kondensation in der Umhüllung unterliegen. Eine Rückluftsteuereinheit ist zum wahlweisen Abscheiden der Rückluft aus der Umhüllung und der Kabine vorgesehen.
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US 7,005,175 B2 offenbart eine Schale eines Flugzeugrumpfes, welche aus einem doppelwandigen Teil aus Verbundwerkstoffen hergestellt ist, das ein Kernelement aufweist, welches zusammengefügt und zwischen einer inneren Deckschicht und einer äußeren Deckschicht zusammengepresst ist. Die innere Deckschicht bildet die innere Haut, welche die Hauptlast des Rumpfes trägt, und die äußere Deckschicht bildet die äußere Haut des Rumpfes, welche einen kleineren Anteil der Lasten trägt. Das Kernelement kann aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff bestehen, während die Deckschichten aus einer Aluminiumlegierung, einem weiteren Metall oder Teilen aus Verbundwerkstoffen bestehen können. Das Kernelement ist luftdurchlässig und besitzt Luftkanäle, welche sich in Längsrichtung durch dieses erstrecken. Die Deckschichten dichten oder umschließen das Kernelement nicht, so dass das Kernelement belüftbar ist. Ein Luftstrom für die Belüftung führt Feuchtigkeit als Wasserdampf aus dem Kernelement ab und anschließend wird die Feuchtigkeit von einer Feuchtigkeitsregulierungeinheit kondensiert und abgeschieden.
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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 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. Die 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 A1 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 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 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 Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rumpf, ein entsprechendes Luft- oder Raumfahrzeug und ein Verfahren zum aktiven Isolieren bereitzustellen, welcher bzw. welches eine verbesserte aktive Isolation ohne Kondensationswasser 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 6 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 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 Kabine, des Rumpfes ausgebildet. Der Zwischenraum ist deshalb mit einem entsprechenden Ab-/Zuluftanschluss des Innenraums verbunden.
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Somit weist die 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 die 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 den Wegfall oder die 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 Erfindung.
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Der Luftstrom zur Belüftung bzw. aktiven Isolierung kann mittels eines Ventils, zum Beispiel einem 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 ist an dem beschriebenen Rumpf angebracht, 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 Beispiels eines Rumpfes;
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2 eine Teilschnittansicht eines Abschnitts eines zweiten Beispiels eines Rumpfes;
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3 eine Teilschnittansicht eines Abschnitts eines ersten 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 Beispiels eines 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 Beispiel 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 Isolationselement 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 Beispiel des 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 Innenschalenelementes 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 erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rumpfes 1, welches sich von dem Beispiel 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 Luftfahrzeuge ausgebildet sein. Hierbei ist es zum Beispiel möglich, dass 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, so 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 das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
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So ist die Erfindung bei Rümpfen anwendbar, die 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.
