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Die
Erfindung betrifft ein Luftschiff mit einer Ballast- und Trimmungsregelung.
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Der
aerostatische Auftrieb eines Luftschiffs ist während des Betriebs erheblichen
Schwankungen durch äußere und
nur begrenzt beeinflussbare Faktoren unterworfen. Darüber hinaus
verändert
sich das Gewicht des Luftschiffs während des Betriebs, z. B. durch
den Kraftstoffverbrauch. Diese Änderungen haben
Einfluss auf das Kräfte-
und Momentengleichgewicht des Luftschiffs und müssen kompensiert werden. Weiterhin
ist es erforderlich, zur kontrollierten Beeinflussung des Flugweges
eines Luftschiffes sowie zur Lage- und Richtungskorrektur bei äußeren Störungen z.
B. Windböen,
den Auftrieb des Luftschiffes und die Neigungswinkel um seine Längs- und
Querschwerachse in ausreichendem Maße beeinflussen zu können.
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Der
Auftrieb eines Luftschiffs wird üblicherweise
durch Änderung
des Neigungswinkels um die Längsschwerachse
(Nickwinkel) gesteuert. Eine stationäre Veränderung des Neigungswinkels
(Trimmen) wird insbesondere bei großen Luftschiffen in starrer
oder halbstarrer Bauweise durch eine Änderung der Schwerpunktlage
in Längs-
oder Querrichtung der Schwerachsen durchgeführt. Diese Änderung der Schwerpunktlage
wurde bisher durch Umtrimmen von Ballast (Wasser, Beton- oder Stahlgewichte),
Ballonets oder Treibstoff durchgeführt.
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Das
durch den mitgeführten
Ballast höhere Gewicht
des Luftschiffes verringert allerdings dessen Nutzlast. Auch ist
das Umtrimmen des Ballasts, besonders bei Stahl- oder Betongewichten,
technisch schwer durchführbar
und eine schnelle Reaktion auf Wettereinflüsse, wie beispielsweise Windböen, ist kaum
möglich.
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Weiterhin
ist eine Beeinflussung der Neigungswinkel des Luftschiffes durch
eine Umverteilung des Treibstoffs im Luftschiff bekannt. Dieser kann
aber nur bedingt zur Trimmung eingesetzt werden, da er während des
Fluges verbraucht wird. Bereits seit langem bekannte Ballonets benötigen insbesondere
zur Neigungswinkeländerung
großer Starrluftschiffe
ein großes
Volumen und damit auch viel Platz im Luftschiff. Dies verringert
die Menge an Ladung, welche aufgenommen werden kann. Mit steigendem
Volumen der Ballonets steigt außerdem gleichzeitig
die Zeit, die zum Befüllen
und Ablassen der Ballonets benötigt
wird. Schnelle Änderungen des
Neigungswinkels, wie diese beispielsweise bei Windböen durchgeführt werden
müssen,
können
so nur zeitverzögert
erfolgen. Das Luftschiff ist dadurch besonders unter Umständen, die
eine schnelle Änderung
des Neigungswinkels zum Lageausgleich des Luftschiffs erfordern,
nur schwer steuerbar. Auch das Ablassen von Traggas zur Verringerung
des Auftriebs stellt einen Nachteil dar, da die abgelassene Menge
an Traggas nach dem Flug wieder aufgefüllt werden muss und Traggas,
insbesondere Helium sehr teuer ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Luftschiff mit
einer verbesserten Ballast- und Trimmungsregelung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Luftschiff mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Luftschiff
umfasst mindestens einen mit einem Traggas befüllten Auftriebskörper, innerhalb
und/oder außerhalb
dessen mindestens ein gasdichter und druckfester Druckgasbehälter vorgesehen
ist. Der Druckgasbehälter
ist direkt oder indirekt mit einem Verdichter zum Befüllen des
Druckgasbehälters
mit einem Ballastgas und zum Komprimieren des Ballastgases im Druckgasbehälter und
mit mindestens einem Ventil zum zumindest partiellen Ablassen des
Ballastgases aus dem Druckgasbehälter
verbunden. Der Auftriebskörper des
Luftschiffs enthält
bei halbstarren- und Prallluftschiffen ein Traggas und bei Starrluft schiffen
Gaszellen, welche mit dem Traggas befüllt sind. Der Druckgasbehälter ist
jederzeit, jedoch nicht vollständig,
mit einer vorgegebenen Menge an Gas befüllt. Als Gas kann hierbei Luft
oder das Traggas selbst dienen. Wird während des Fluges aus einem
der Druckgasbehälter
Ballastgas über
das Ventil abgelassen, nimmt das Gewicht des Druckgastanks ab und
damit der Auftrieb zu. Umgekehrt kann durch Erhöhen der Menge und des Drucks
des Ballastgases das Gewicht des Druckgasbehälters erhöht und damit der Einfluss des
Auftriebs des Auftriebskörpers
verringert werden. Das Anbringen des Druckgasbehälters außerhalb des Auftriebskörpers stellt
eine besonders einfache Möglichkeit
dar, vorhandene Luftschiffe mit einer Ballast- und Trimmungsregelung
nachzurüsten. Bei
einer indirekten Verbindung von Druckgasbehälter und Verdichter kann zwischen
diesen ein weiteres Ventil vorgesehen sein, beispielsweise um einen
Verdichter für
mehrere Druckgasbehälter
gemeinsam verwenden zu können.
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Vorzugsweise
ist mindestens einer der Druckgasbehälter in der Nähe eines
Buges und/oder eines Hecks und/oder einer Backbordseite und/oder einer
Steuerbordseite des Auftriebskörpers
angeordnet. Auf diese Weise kann der Auftrieb lokal beeinflusst
und das Luftschiff damit getrimmt werden. Auf der jeweils dem Druckgasbehälter gegenüberliegenden
Seite kann dabei entweder ein Gegengewicht oder ebenfalls ein Druckgasbehälter vorgesehen sein.
Wird Ballastgas aus dem Druckgasbehälter abgelassen, steigt der
Einfluss des Auftriebs an dieser Stelle an und der Auftriebskörper neigt
in dem Druckgasbehälter
entgegen gesetzter Richtung. Wird hingegen Ballastgas mittels des
Verdichters in den Druckgasbehälter
gepumpt und verdichtet, nimmt das Gewicht des Druckgasbehälters zu,
so dass sich der Einfluss des Auftriebs des Auftriebskörpers an dieser
Stelle vermindert und der Auftriebskörper sich in Richtung des Druckgasbehälters neigt.
Auf diese Weise ist zusätzlich
zu einer Ballastregelung auch eine Trimmung des Luftschiffes realisierbar.
Eine Trimmung mit einem so gestalteten Luftschiff ist besonders
schnell möglich,
so dass unmittelbar auf sich verändernde
Bedingungen reagiert werden kann. Bei Verwendung je zweier einander
gegenüber
liegender Druckgasbehälter
kann der Trimmvorgang zusätzlich beschleunigt
werden, wenn gleichzeitig Ballastgas aus einem der Druckgasbehälter abgelassen
und in den anderen Druckgasbehälter
gepumpt wird. Die Steuerung kann manuell und/oder automatisch erfolgen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist mindestens einer der Druckgasbehälter im Bereich eines Schwerpunktes
des Auftriebskörpers
oder darunter angeordnet. Auf diese Weise kann die Ballastregelung
auf einfache Weise, auch bei Verwendung mehrerer Druckgasbehälter, beispielsweise
an Bug, Heck, Backbord und Steuerbord, erfolgen, ohne dass die Menge
an Ballastgas in diesen Druckgasbehältern gleichzeitig und unter
Beibehaltung der Trimmung erfolgen müsste.
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Die
Verwendung von Luft aus der Umgebung des Luftschiffes als Ballastgas
ist eine besonders einfache und kostengünstige Lösung, insbesondere wenn die
Druckgasbehälter
außerhalb
des Auftriebskörpers
angeordnet sind.
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Wird
hingegen das Traggas, insbesondere Helium, als Ballastgas verwendet,
befindet sich das Traggas in einem Kreislauf, d. h. um die Auftriebskraft zu
verringern wird das Traggas aus dem Auftriebskörper bzw. dessen Gaszellen
in den Druckgasbehälter
gepumpt. Um die Auftriebskraft zu erhöhen, wird es entsprechend wieder
aus dem Druckgasbehälter in
den Auftriebskörper
bzw. dessen Gaszellen abgelassen. Der Effekt der Verringerung des
Auftriebs kommt dabei zum einen durch die Erhöhung des Gewichts des Druckgasbehälters und
zum anderen durch die gleichzeitige Verminderung der für den Auftrieb
verantwortlichen Menge an Traggas im Auftriebskörper zustande.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind mindestens zwei der Druckgasbehälter über jeweils einen Verdichter
so miteinander verbunden, dass Ballastgas aus einem der Druckgasbehälter entgegen
einem Druckgefälle
einem anderen der Druckgasbehälter
zuführbar
ist, indem der Verdichter das Ballastgas in dieser Richtung pumpt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind alternativ oder zusätzlich
beide Druckgasbehälter über ein
Ventil so miteinander verbunden, dass Ballastgas aus einem der Druckgasbehälter einem
Druckgefälle
folgend einem anderen der Druckgasbehälter zuführbar ist. Auf diese Weise
ist ein in dieser Richtung gewünschter
Druckausgleich mit geringerem Energieaufwand möglich.
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Der
Druckgasbehälter
kann als ein starrer Tank gebildet sein. Der Druckgasbehälter kann
jedoch auch als ein Schlauch oder als eine Sektion eines Schlauches
gebildet, wobei mindestens einer der Schläuche Teil eines den Auftriebskörper stabilisierenden
Skeletts oder Teilskeletts ist, wie sie in starren oder halbstarren
Luftschiffen Verwendung finden. Der Schlauch kann beispielsweise
aus druckfesten und gasdichten Textilien oder Folien gebildet sein und
wird so mit dem Ballastgas, insbesondere dem Traggas, befüllt, dass
er zur Stabilisierung des Auftriebskörpers hinreichend starr ist.
Das Skelett bzw. Teilskelett wird aus mindestens einem solchen Schlauch
aufgebaut. Ist der Schlauch in Sektionen unterteilt, kann der Druck
und damit das Gewicht der einzelnen Sektionen, die hier als Druckgasbehälter dienen,
zum Trimmen des Luftschiffes selektiv reguliert werden. Im Vergleich
mit herkömmlichen
Skeletten und Teilskeletten starrer und halbstarrer Luftschiffe
kann auf diese Weise das Eigengewicht des Luftschiffes reduziert
und so seine Nutzlast erhöht
werden, wobei die Regelbarkeit von Ballast und Trimmung erhalten
bleibt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind aerodynamische Eigenschaften des Auftriebskörpers durch dessen Verformung
infolge Entnahme und/oder Rückführung von
Traggas veränderbar. Beispielsweise
kann der Auftriebskörper
so gestaltet werden, dass bei einer definierten Fahrgeschwindigkeit
des Luftschiffs, die über
Antriebsmittel wie Propeller erreicht wird, aerodynamischer Auftrieb
auftritt, etwa durch am Auftriebskörper angeordnete Tragflächen. Mit
höherer
Geschwindigkeit steigt auch der aerodynamische Auftrieb und es ist
weniger Auftrieb durch das Traggas erforderlich. Das Volumen des Auftriebskörpers kann
entsprechend verringert werden, indem Traggas als Ballastgas in
Druckgasbehälter
gepumpt wird. Die Form des Auftriebskörpers verändert sich dabei insbesondere
so, dass sich sein Luftwiderstand zumindest in Fahrtrichtung verringert, so
dass die mögli che
Geschwindigkeit steigt und der dafür erforderliche Energieaufwand
verringert wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Auftriebskörper
selbst in Form einer Tragfläche
ausgebildet. Auf diese Weise ist eine besonders hohe Geschwindigkeit
im Horizontalflug erreichbar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf einen Auftriebskörper eines Luftschiffs mit
zwei Druckgasbehältern,
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2 eine
schematische Draufsicht auf einen Auftriebskörper eines Luftschiffs mit
vier Druckgasbehältern,
und
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3 eine
schematische Draufsicht auf einen Auftriebskörper eines Luftschiffs mit
fünf Druckgasbehältern.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen Auftriebskörper 1 eines
Luftschiffs mit zwei Druckgasbehältern 2.1, 2.2.
Der Druckgasbehälter 2.1 ist
im Bug des Auftriebskörpers 1,
der Druckgasbehälter 2.2 auf
der Steuerbordseite des Auftriebskörpers angeordnet. Die Fahrtrichtung
des Luftschiffs ist mit A gekennzeichnet. Im Heck des Auftriebskörpers ist,
dem Druckgasbehälter 2.1 auf
einer Querachse 3.1 gegenüberliegend, ein Gegengewicht 4.1 angeordnet.
Ebenso ist auf der Backbordseite des Auftriebskörpers, dem Druckgasbehälter 2.2 auf
einer Längsachse 3.2 gegenüberliegend,
ein Gegengewicht 4.2 angeordnet. Jeder der Druckgasbehälter 2.1, 2.2 ist
mit je einem Verdichter 5.1, 5.2 und mit je einem
Ventil 6.1, 6.2 verbunden. Der Verdichter 5.1 dient
zum Befüllen
des Druckgasbehälters 2.1 mit
einem Ballastgas, das Ventil 6.1 zum Ablassen des Ballastgases
aus dem Druckgasbehälter 2.1.
Analog dient der Verdichter 5.2 dient zum Befüllen des Druckgasbehälters 2.2 mit
einem Ballastgas, das Ventil 6.2 zum Ablassen des Ballastgases
aus dem Druckgasbehälter 2.2.
Durch Erhöhen
des Drucks im Druckgasbehälter 2.1 sinkt
dessen Gewicht, so dass der Auftriebskörper 1 sich um die
Querachse 3.1 in Richtung des Bugs (Fahrtrichtung A) neigt.
Wird hingegen Ballastgas aus dem Druckgasbehälter 2.1 abgelassen,
sinkt dessen Gewicht, so dass sich der Auftriebskörper 1 um
die Querachse 3.1 in Richtung des Hecks (entgegen der Fahrtrichtung
A) neigt. Auf gleiche Weise ist durch Befüllen des Druckgasbehälters 2.2 mit
Druckgas oder Ablassen von Druckgas aus dem Druckgasbehälter 2.2 eine
Neigung des Auftriebskörpers 1 um
seine Langsachse 3.2 möglich.
Durch die Änderung
eines Neigungswinkels des Luftschiffes gegenüber seiner Gleichgewichtslage können Auftrieb
und die Flugrichtung des Luftschiffs gesteuert werden. Durch die
Neigung des Luftschiffs in Richtung des ersten Druckgasbehälters 2.1 wird bei
einer Bewegung des Luftschiffs in Flugrichtung A ein Abtrieb erzeugt,
so dass die Flughöhe
des Luftschiffs verringert wird. Durch die Neigung des Luftschiffs
in Richtung des seitlichen Druckgasbehälters 3.1 kann abhängig von
der Form des Auftriebskörpers 1 die
Fahrtrichtung des Luftschiffes in dieser Richtung verändert werden.
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2 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen Auftriebskörper 1 eines
Luftschiffs mit vier Druckgasbehältern 2.1 bis 2.4.
Die Gegengewichte 4.1, 4.2 aus 1 sind
hier durch die Druckgasbehälter 2.3, 2.4 mit
den dazugehörigen
Verdichtern 5.3, 5.4 und Ventilen 6.3, 6.4 ersetzt.
Zusätzlich
sind die Druckgasbehälter 2.1 und 2.3 untereinander über einen
Verdichter 5.5 und, parallel zu diesem geschaltet, ein
Ventil 6.5 verbunden. Ebenso sind die Druckgasbehälter 2.2 und 2.4 untereinander über einen Verdichter 5.6 und,
parallel zu diesem geschaltet, ein Ventil 6.6 verbunden.
Die Trimmung um die Querachse 3.1 lasst sich in dieser
Ausführungsform
durch Ablassen von Ballastgas aus dem Druckgasbehäl ter 2.1 und
gleichzeitiges Verdichten des Ballastgases im Druckgasbehälter 2.3 oder
umgekehrt bewerkstelligen. Steht dabei der Druckgasbehälter 2.1, 2.3,
aus dem Ballastgas abgelassen werden soll, unter höherem Druck
als der Druckgasbehälter 2.3, 2.1,
in den Ballastgas gepumpt werden soll, kann hierzu das Ventil 6.6 geöffnet werden.
Entgegen dem Druckgefälle
zwischen den Druckgasbehältern 2.1, 2.3 kann hingegen
der Verdichter 5.6 das Ballastgas pumpen. Analog kommen
der Verdichter 6.5 und das Ventil 6.6 für die Trimmbewegung
um die Längsachse 3.2 betreffende
Verlagerung von Ballastgas zwischen den Druckgasbehältern 2.2 und 2.4 zum
Einsatz. Mittels der Verdichter 5.1 bis 5.4 und
der Ventile 6.1 bis 6.4 kann sowohl die Trimmung
als auch die Ballastregelung zusätzlich
beeinflusst werden.
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen Auftriebskörper 1 einer
weiteren Ausführungsform.
In diesem Fall ist ein zentral angeordneter Druckgasbehälter 2.5 vorgesehen,
mit dem die Druckgasbehälter 2.1 bis 2.4 über ihre
jeweiligen Verdichter 5.1 bis 5.4 verbunden sind.
Der Verdichter 5.5 versorgt den zentralen Druckgasbehälter 2.5 mit
Ballastgas. Über
das Ventil 6.5 kann Ballastgas aus dem Druckgasbehälter 2.5 abgelassen
werden. Die Ventile 6.6 und 6.7 bilden jeweils
einen Bypass für
den Fall einer Verlagerung von Ballastgas zwischen den Druckgasbehältern 2.1 und 2.3 bzw. 2.2 und 2.4 in Richtung
des Druckgefälles.
Der Auftriebskörper
ist zusätzlich
mit Tragflächen 7 zur
Erzeugung eines aerodynamischen Auftriebs während der Fahrt
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Die
Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n können im Auftriebskörper 1 oder
außerhalb,
insbesondere unterhalb angeordnet sein.
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Als
Ballastgas kann Luft oder ein Traggas, beispielsweise Helium, aus
dem Auftriebskörper 1 benutzt
werden.
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Es
kann nur ein Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n angeordnet
sein, insbesondere unterhalb eines Schwerpunkts des Auftriebskörpers 1 im
Bereich eines Kreuzungs punktes zwischen der Querachse 3.1 und
der Längsachse 3.2,
um nur den Ballast zu regeln.
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Es
kann ebenso nur ein Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n mit
einem Gegengewicht oder ein Paar einander an einer der Achsen 3.1, 3.2 gegenüberliegender
Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n zur
Trimmung um eine der Achsen vorgesehen sein.
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Jeder
der Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n kann mit
einem individuellen Verdichter 5.1 bis 5.n verbunden
sein. Ebenso können
mehrere Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n über weitere
Ventile mit einem gemeinsamen Verdichter 5.1 bis 5.n verbunden
sein.
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Die
Steuerung der Verdichtung von Ballastgas in den Druckgasbehältern 2.1 bis 2.n und
des Ablassen von Ballastgas aus den Druckgasbehältern 2.1 bis 2.n kann
manuell und/oder automatisch erfolgen.
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Eine
Verwendung von Ventilen 6.1 bis 6.n zwischen je
zweien der Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n ist
optional. Auch mit dem Druckgefälle
kann der Transport des Ballastgases zwischen den Druckgasbehältern 2.1 bis 2.n über den
Verdichter 5.1 bis 5.n erfolgen. Das Ventil 6.1 bis 6.n kann
in den Verdichter 5.1 bis 5.n integriert sein.
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Der
Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n kann
als ein starrer Tank, beispielsweise aus Blech oder einem Kunststoff
gebildet sein.
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Der
Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n kann
als ein Schlauch oder als eine Sektion eines Schlauches gebildet,
wobei mindestens einer der Schläuche
Teil eines den Auftriebskörper 1 stabilisierenden
Skeletts oder Teilskeletts ist, wie sie in starren oder halbstarren
Luftschiffen Verwendung finden. Der Schlauch kann beispielsweise
aus druckfesten und gasdichten Textilien oder Folien gebildet sein.
Ist der Schlauch in Sektionen unterteilt, kann der Druck und damit
das Gewicht der ein zelnen Sektionen, die hier als Druckgasbehälter 2.1 bis 2.n dienen,
zum Trimmen des Luftschiffes selektiv reguliert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind aerodynamische Eigenschaften des Auftriebskörpers 1 durch dessen
Verformung infolge Entnahme und/oder Rückführung von Traggas veränderbar.
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Der
Auftriebskörper 1 kann
in Form einer Tragfläche
ausgebildet sein.
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- 1
- Auftriebskörper
- 2.1
bis 2.n
- Druckgasbehälter
- 3.1
- Querachse
- 3.2
- Längsachse
- 4.1,
4.2
- Gegengewicht
- 5.1
bis 5.n
- Verdichter
- 6.1
bis 6.n
- Ventil
- 7
- Tragfläche