DE102007051993A1

DE102007051993A1 - Flugapparat mit einem Flügel, einem Flügel innerhalb dieses Flügels, und einem Schwungrad

Info

Publication number: DE102007051993A1
Application number: DE200710051993
Authority: DE
Inventors: Viacheslav Pavlikov; Alexander Polin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-07

Abstract

Die Erfindung hat zum Ziel, einen Flugapparat zu bauen, der über eine außerordentliche Stabilität und hohe Manövrierfähigkeiten verfügt, der keine äußeren rotierenden oder abstehenden Teile hat, welcher im Stande ist, zwischen den Bäumen, im Gebirge und in der Stadt zu fliegen sowie sich unter Wasser zu bewegen. Der Flugapparat mit einem Flügel (2, 3, 6) im Flügel (20) kann senkrecht von jeder beliebigen unbehandelten Oberfläche starten, darunter ist auch der Start aus dem Wasser möglich. Die sich in den Luftkanälen (16, 17) befindenden ringförmigen Flügel (2, 3, 6) erzeugen den maximalen Auftrieb unabhängig davon, in welcher räumlichen Lage sich der Flugapparat (20) befindet, ungeachtet der Fehler in der Steuerung oder der erschwerten meteorologischen Bedingungen. Konstruktionsbedingt und funktional gesehen ist es ausgeschlossen, dass die obengenannten Flügel einen überkritischen Anstellwinkel erreichen können. Das Steuersystem (8) ermöglicht eine Drehung des Flugapparates (20) um die Vertikalachse nicht nur während des Starts und der Landung, sondern auch während des Horizontalfluges. In der Konstruktion des Flugapparates ist der rotierende Schubvektor (360°) angewandt und für die absolute Stabilität in der Längs- und Querneigung sorgt der gyroskopische Effekt des Scheibenschwungrads (12). Das Cockpit als ein Mini-Flugapparat (Mini-Diskoplan) kann seinerseits nach dem Abkoppeln vom Flugapparat (20) selbstständig weiterfliegen.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung gehört ins Gebiet der Flugapparate.
In der Konstruktion des Flugapparats von P. Moller (Patent Nr. 3410507 aus dem Jahre 1968) wird für den Senkrechtstart die Schubkraft von 2 Ventilatoren mit einem kleinen Durchmesser verwendet.
Aus dem Patent Nr. 3933325 von D. Kaelin (1976) ist der Einsatz von 4 Turboventilatoren mit einem kleinen Durchmesser für den Senkrechtstart bekannt.
In der Konstruktion des Flugapparats aus dem Patent Nr. 4196877 von J. Matrax (1980) wird für den Senkrechtstart ein Propeller mit großem Durchmesser verwendet.
In der Konstruktion des Flugapparats aus dem Patent Nr. 4941628 von J. Sakamoto (1990) ist der Schubvektor vorgestellt, der durch das Ausstoßen der Gase nach unten entlang der gesamten Umfangslänge mit gleichzeitigem Ansaugen (Ejektion) der Luft aus der Atmosphäre entsteht.
Die technische Lösung für den Auftrieb des Flugapparats aus dem Patent Nr. 6050520 von S. Kirl (2000) basiert auf der Drehung der oberen Sphäre des Flugapparats und der daraus resultierenden Drehung der Fliehkräfte, die die Umgebungsluft nach unten entlang der gesamten Umfangslänge abstoßen.
In der Konstruktion des Flugapparats (Patent Nr. 6254032 von F. Bücher, 2001) werden für den Senkrechtstart 12 Turboventilatoren mit kleinem Durchmesser verwendet, die entlang der gesamten Umfangslänge angebracht sind.
Alle oben aufgeführten patentierten Flugapparate verfügen über eine scheibenförmige (runde) Form und bedienen sich unterschiedlicher Verfahren, um den Senkrechtstart und Landung, sowie Horizontalflug zu ermöglichen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Flugapparat zu schaffen, der über eine außerordentliche Stabilität und hohe Manövrierfähigkeiten verfügt, der keine äußeren rotierenden oder abstehenden Teile hat, welcher im Stande ist, zwischen den Bäumen, im Gebirge und in der Stadt zu fliegen sowie sich unter Wasser zu bewegen.
Das Beispiel der technischen Umsetzung der Erfindung ist zeichnerisch dargestellt.
1: Querschnitt eines Flugapparats mit einem Flügel im Flügel und einem Schwungrad.
2: Flugapparat mit einem Flügel im Flügel und einem Schwungrad – Ansicht von oben.
3: Schematische Darstellung der Entstehung aerodynamischer Kräfte beim Umströmen des Flügels durch die Luft.
4: Schematische Darstellung der Wirkung von Schlitz- und Strahldüsen auf die vom gesamten Umfang des Flugapparats abgehende Hochgeschwindigkeitsluftströmung.
Der Flugapparat (20) (1) mit einem Flügel (2, 3, 6) im Flügel (20) und einem Schwungrad (12) ist ein scheibenförmiger Apparat (Diskoplan), der in eine obere Sphäre (7), eine untere Sphäre (9) und ein Mittelteil (16) unterteilt ist.
Die obere Sphäre (7) stellt den oberen Teil des Flügels (20) dar und erfüllt gleichzeitig die Rolle des Luftkanals (17), innerhalb dessen sich die ringförmigen Flügel (2, 6), die Seitenruder (8), die Längsneigungsruder (13), die Querruder (13), die Schubvektorruder, die Ejektionsanlagen (22, 23) sowie die Schlitz- und Strahldüsen (21) befinden (4). Im Zentralbereich des Flügels befindet sich im Luftkanal die Axialturbine (4).
Der Mittelteil (16) erfüllt die Aufgaben des Luftkanals, in dem sich der Zentrifugalventilator (5), Ejektionsanlage (22), der ringförmige Flügel (3) und das Scheibenschwungrad (12) befinden.
Die untere Sphäre (9) stellt den unteren Teil des Flügels (20) dar und beherbergt den Raum für den Motor, Frachtflächen und den Passagiersalon. Die untere Sphäre (9) ist in einige Sektionen unterteilt. Dabei sind der Motorraum und der Fracht- und Passagierraum von den anderen Sektionen abgetrennt und hermetisch abgeriegelt.
Die Luftzufuhr in den Motorraum erfolgt durch spezielle Kanäle, die in die Hohlräume der ringförmigen an der Oberfläche perforierten Flügel (2, 3) münden, was dazu führt, dass die von der oberen Flügeloberfläche (2, 3) abgerissene laminare Strömung angesaugt wird, ohne dass es zum Abbremsen und dem vorzeitigen Abreißen derjenigen kommt. Somit wird der Bereich des ununterbrochenen Umströmens erweitert, was zur Erhöhung der Reichweite und zur Treibstoffeinsparung führt.
Entlang der gesamten Umfangslänge der unteren Sphäre sind Längsneigungs-, Quer- und die Schubvektorruder angebracht.
Die Steuerung des Flugapparats (20) erfolgt in der Flugrichtung mittels der Seitenruder (8), die sich im Mittelteil entlang der gesamten Umfangslänge des Flugapparats (20) befinden. Da sie sich in dem Luftkanal (16) befinden und von einer Hochgeschwindigkeitsluftströmung umströmt werden, die ihrerseits durch die laufenden Ventilator- oder Turbogebläse-Einheiten (4, 5, 10) erzeugt wurde, verfügen diese über maximal mögliche Wirkung zu jeder Flugphase. Da die Anzahl der Seitenruder einige Dutzende zählen kann, hat der Ausfall einiger von ihnen praktisch keine Auswirkung auf die Wirksamkeit der Steuerung des Flugapparats (20).
Das Steuerungssystem für Längs- (13) und Querneigung (13) besteht aus 2 profilierten Ringen-Elevons (13), die auch für die Schubvektorsteuerung zuständig sind. Beide Elevons arbeiten in der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Hochdruckluftströmung, die von den Ventilator- und Turbogebläse-Antriebsanlagen (4, 5, 10) erzeugt wird, unter Verwendung der Ejektion (22, 23) der vom Mittelteil der gesamten Umfangslänge des Flugapparats (20) abströmenden Luft. Der eine Ring-Elevon (13) befindet sich in dem unteren Bereich der oberen Sphäre (7) und kann von oben in jedem beliebigen Winkel den sich in der Mitte der gesamten Umfangslänge des Flugapparats (20) befindenden Luftkanal (16) zur Hälfte absperren.
Der andere Ring-Elevon (13) befindet sich im oberen Bereich der unteren Sphäre (9) und kann von unten in jedem beliebigen Winkel zur Hälfte den Luftkanal (16), der sich in der Mitte der gesamten Umfangslänge des Flugapparats (20) befindet, absperren.
Beide Ringe-Elevons (13) können autonom, unabhängig voneinander oder synchron betrieben werden, um den Schubvektor zu erzeugen oder ihn um 360 Grad (bezogen auf die Achse des Flugapparats (20)) zu verändern, was gemeinsam mit den Seitenrudern für eine außergewöhnliche Manövrierfähigkeit des Flugapparats (20) sorgt.
Beim Wechseln in den Horizontalflug in beliebiger Flugrichtung schließen beide Ringe-Elevons (13) in der Fahrtrichtung in einem bestimmten Winkel unter gleichzeitiger Bildung einer Schlitzdüse auf der gegenüberliegenden Seite, wobei sich der Schließwinkel (im Berührungspunkt) der Ringe-Elevons (13) gegenüber der Umfangslänge des Flugapparats (20) um 360 Grad in einem Zeitraum unter 1 Sekunde verändern kann. D. h. der Schubvektor ist im Stande, seine räumliche Lage um 360 Grad in beliebiger Richtung innerhalb von weniger als 1 Sekunde zu verändern, dabei den Umlauf der Umfangslänge des Flugapparats (20) absolvierend.
Für eine effektive Steuerung des Schubvektors sind die Ringe-Elevons (13) zusätzlich mit Schiebeklappen ausgestattet, die automatisch arbeiten können.
Entlang der gesamten Umfangslänge der beiden Ringe-Elevons (13) sind Strahl- und Schlitzdüsen (21) angebracht, die eine unterstützende und dublierende Funktion für die Längsneigungs- (13) und Querruder (13) übernehmen, und eine im Winkel θ zur unteren und oberen Oberfläche der beiden Sphären angewinkelte mit einer hohen Geschwindigkeit abströmende flache Luftströmung darstellen. Durch das Ausströmen des Luftstrahls steigt die effektive Fläche des Flügels (20), es kommt zur Veränderung des Profilumströmens, außerdem wird durch den Impuls des ausströmenden Luftstrahls mVc die vertikale Komponente der Kraft mVc sin gebildet, die den Flügel (20) entlastet. Die Wirkung der Strahlklappe hängt vom Impulsbeiwert des ausgeblasenen Luftstrahls und des Winkels θ ab. Für die annähernde Berechnung des Zuwachses des Auftriebsbeiwerts der Strahlklappe kann folgende Näherungsformel genutzt werden: Δcy ≈ 3,9√c μ sinθ
Durch den Einsatz von Strahl- und Schlitzdüsen (21, 4) werden hohe Auftriebsbeiwerte erreicht. Die Luftzufuhr zu den Strahl- oder Schlitzdüsen (21) erfolgt mittels eines Luftkompressors oder aus einem Reservesystem.
Für das Anströmen der ringförmigen Flügel (2, 3, 6) werden Axial- und Zentrifugalventilatoren oder Turbogebläse eingesetzt, die über eine Spezialkonstruktion (4, 5, 10) verfügen und die die Ejektion der umgebenden Luft (22, 23) nutzen. Es liegt darin begründet, dass die vom Triebwerk (10) entwickelte Kraft dem Produkt aus der Masse des ausgestoßenen Arbeitsmittels und dessen Geschwindigkeit pro Zeiteinheit entspricht. Die Erhöhung der Geschwindigkeit des Arbeitsmittels, um den Vertikalschub zu erhöhen, ist aber nicht von Vorteil, denn je höher die Geschwindigkeit, desto schlechter ist das Verhältnis der erzeugten Schubkraft zur Leistungsfähigkeit des Triebwerks. Die Triebwerkskapazität wird desto besser genützt, je niedriger die Geschwindigkeit der Luft- oder Gasströmung ist. Das bedeutet, es ist wirtschaftlicher und günstiger, eine größere Masse des Arbeitsmittels mit einer niedrigeren Geschwindigkeit auszustoßen. Darin liegt auch der Hauptvorteil der Ejektionsanlage begründet – die Erhöhung der Schubkraft, und zwar um 30% bezogen auf die Gesamtleistung beider Motoren (Triebwerke). Die wissenschaftlichen Untersuchungen und Laborversuche demonstrieren die Fähigkeit des Systems, pro 1 kg Gase, die der Düse entströmen, über 7 kg Luft anzusaugen.
Die Hauptrotoren eines Hubschraubers verfügen über einen großen Durchmesser und setzen eine enorme Luftmasse mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit durch.
Das ist die sparsamste Art des Vertikal- bzw. Senkrechtstarts. Unter den Senkrechtstartern, die sich in der Standschwebe befinden, ist diese konkurrenzlos.
Zugleich wirkt sich die hohe Eigenmasse des Hubschraubermotors, seine niedrigen aerodynamischen Qualitäten, die sich mit steigender Fluggeschwindigkeit enorm verschlechtern, negativ auf seine Reichweite und Fluggeschwindigkeit aus.
Außerdem kann man seine großen Hauptrotoren für Hochgeschwindigkeitssenkrechtstarter nicht verwenden. Einen großen Verbrauch des Arbeitsmittels bei niedriger Geschwindigkeit der Ausströmung leisten die Triebwerksanlagen mit relativ kleinen Propellern von der in den Flugzeugen verwendeten Art, obwohl ihre Wirkung für den Vertikalstart schlechter ist. Ein Verbundhubschrauber, der Vorteile in der Standschwebe aufweist, kann eine 1,5 bis 2 mal so grolle Fluggeschwindigkeit und Reichweite erzielen, dennoch ist er sehr kompliziert in seinem Aufbau und verfügt über eine relativ niedrige Leistung bezogen auf das Eigengewicht.
Noch weniger ökonomisch sind die senkrechtstartenden und -landenden Flugzeuge, ausgerüstet mit einem Turbinenluftstrahlmotor, da die Ausströmungsgeschwindigkeit der Gase bei solchen Flugzeugen sehr hoch ist. Aber sie haben andere Vorteile:
gerade diese Motoren ermöglichen ein gutes Verhältnis zwischen der Schubkraft und der Eigenmasse der Triebwerke. Und es ist für ein Flugzeug im Allgemeinen und für einen Senkrechtstarter im Besonderen außerordentlich wichtig, eine hohe Schubkraft bei einer minimalen Eigenmasse zu bekommen, denn je größer die Eigenmasse des Triebwerks, desto größer ist der Anteil der Schubkraft, die eigens für das Hochheben des Motors selbst verwendet wird.
Der Luftstrahl, der vom Propeller eines Sportflugzeugs in seiner klassischen Form zurückgeworfen wird, strömt etwa 20–40% der Flügeloberfläche an. Durch das Anströmen wird die lokale Geschwindigkeit des Flügelumströmens erhöht, was zur Erhöhung des Auftriebsbeiwerts Cy um 10–20% führt. Je niedriger die Fluggeschwindigkeit ist, desto spürbarer wird der Effekt des Flügelanströmens, welches durch die Propeller erfolgt, als Folge der großen Differenz der lokalen Luftstrahlgeschwindigkeiten um die anzuströmenden Flügelsegmente. Zu bestimmten Zeitpunkten des Fluges kann die Auftriebskraft des Flugzeugs um 15–20% allein durch die Kraft der Propeller erhöht werden. Daraus folgt, dass sich das Flugzeug in der Luft bei einem laufenden Motor und bei einer Geschwindigkeit halten kann, die kleiner ist, als die Geschwindigkeit des Flugzeugs mit einem abgeschalteten Motor.
Eine Verkürzung der Start- und Landestrecke steht im Mittelpunkt der Forschungen von General Dynamics. Bei der Entwicklung der Flugzeuge vom Typ Short Snort und Jimini Criket wurde eine Lösung angewandt, bei der der Schubvektor des Motors über die obere Flügeloberfläche geleitet wurde, was dazu führte, dass ein Jagdflugzeug eine Startstrecke von nur einigen Hunderten Fuß brauchte. Um das zu erreichen, wurde ein System von Rohrleitungen und Öffnungen angewandt, die dafür sorgten, dass der Abgasstrom als ein Fächer über die obere Flügeloberfläche umgeleitet wurde. Dank dieser technischen Lösung war es möglich, bei einer relativ niedrigen Geschwindigkeit einen gigantischen Auftrieb zu entwickeln. Dennoch erwies sich das derartige Rohrleitungssystem als sehr schwer.
Das Anströmen eines Flügelsegments mit einer kleinen Spannweite wurde im Prototyp des Flugzeugs „Swjatoslaw" verwendet. Dieses Flugzeug demonstrierte extrem niedrige Abkippgeschwindigkeiten, beeindruckende Flüge bei niedrigen Geschwindigkeiten und eine sehr hohe Manövrierfähigkeit.
Um all diese Widersprüche aufzuarbeiten, entwickelten wir eine neuartige Konstruktion des Flugapparats (20) unter Verwendung eines Flügels mit kleiner Flügelstreckung und einer Scheibenform (den Diskoplan). Die kleine Flügelstreckung (20) erlaubt einen Flug bei größeren als üblichen Anstellwinkeln. Ein charakteristisches Merkmal eines Flugzeugs mit kleiner Flügelstreckung ist die Tatsache, dass das Abreißen der Strömung bis zu 45–50 Grad ausgedehnt werden kann (C y max).
Das räumliche Wirbelsystem induziert auf der oberen Flügeloberfläche (20) entlang der Flügeltiefen eine zusätzliche Geschwindigkeit, was zu einer stärkeren Luftverdünnung und dementsprechend auch zur Steigerung des Auftriebs führt, was den Verlust der lokalen Luftstromabrisse entlang der seitlichen und vorderen Kanten mehr als kompensiert. Diese aerodynamische Wirkung des Flügels mit kleiner Flügelstreckung wird gleichzeitig mit der Erhöhung der Anstellwinkel gesteigert. Da ein scheibenförmiger Flügel (20) keine Tendenz zum Flügelabkippen zeigt, kippt er nicht ins Trudeln, was seinerseits einen langsamen und sicheren Sinkflug wie im Falle eines Fallschirms garantiert.
Die Ergebnisse dieser Erforschungen wurden bei der Entwicklung der zurückkehrenden Weltraumflugapparate verwendet.
Ein wichtiger Vorteil des scheibenförmigen Flugapparats (20) ist auch die Tatsache, dass die finanziellen Mittel sich um die Höhe reduzieren lassen, die in etwa der Spannweite des Flügels hoch drei entspricht. Das Fehlen des Höhenleitwerks, als einer selbständigen Baugruppe, führt zur Reduktion der Kosten um weitere ca. 10–15%.
Es ist anzumerken, dass das Höhenleitwerk grundsätzlich bei einem nicht manövrierfähigen Überschallflugzeug hauptsächlich bei großen Anstellwinkeln (während des Starts, der Landung, im Abreißbereich der Strömung u. ä.) von Nöten ist. Beim Reiseflug können die Funktionen des Höhenleitwerks auf die Klappen-Elevons übertragen werden. Während des Starts und der Landung weist ein heckloses Flugzeug gegenüber einem normalen Flugzeug dennoch Schwachstellen auf, weil der Flügel eines hecklosen Flugzeugs nicht mechanisiert werden kann. Aus dem Grund der Längstrimmung des Flügels muss seine hintere Kante in der günstigsten Flugphase, d. h. im Bereich der Geschwindigkeiten, die der minimalen Sinkgeschwindigkeit entsprechen, nach oben angehoben werden. Dies führt zum Absenken des getrimmten (ausbalancierten) Auftriebsbeiwerts und somit zur Erhöhung der Fluggeschwindigkeit.
In unserem Flugapparat (20) ist dieses Problem durch einen höheren absoluten Bereich der Massenmittelpunktverteilung (des aerodynamischen Neutralpunktes) und durch eine maximale Flügeltiefe gelöst. Am wichtigsten ist dennoch die Konstruktion des Flugapparats (20) selbst mit einem Flügel (2, 3, 6) im Flügel (20) und einem Scheibenschwungrad (12), mit einem Steuersystem, mit den Seiten- (8), Längsneigungs- (13) und Querrudern (13) und einem Schubvektor, die sich in der aktiven Luftströmung entlang der gesamten Umfangslänge des Flugapparats befinden. Die Luftströmung ihrerseits erzeugt einen zusätzlichen Auftrieb, indem sie die effektive Flügelstreckung (20) erhöht und den induzierten Widerstand beim Niedriggeschwindigkeitsflug absenkt. Eine derartige Konstruktion ermöglicht es, die Vorzüge eines runden Flügels (20) vollständig zu nützen. (Obwohl die Verwendung der Längsinstabilität des Massenmittelpunkts hinter dem Flügelmittelpunkt wie bei den landenden Vögeln eine Teillösung wäre, ist es uns gelungen, eine prinzipiell neuartige Lösung zu finden, die die Nachteile der existierenden hecklosen Flugapparate aufhebt.)
Die Auftriebskraft des Flügels (2, 3, 6, 20) entsteht als Folge dessen asymmetrischen Umströmens durch die Luftströmung. Dieses Umströmen entsteht aufgrund des vorhandenen asymmetrischen Profils oder des vorhandenen Anstellwinkels oder durch beide Faktoren gleichzeitig.
Es sei das Umströmen des Flügels beim positiven Anstellwinkel betrachtet. Auf 3 ist zu sehen, dass die Luftströmung durch den vorderen Teil des Flügels in zwei Luftströmungen aufgeteilt wird, die die untere und die obere Flügeloberflächen umströmen. Dabei werden die Luftfäden, die die obere Flügeloberfläche umströmen, angesogen und deren Querschnitt verkleinert sich. Entsprechend der Kontinuitätsgleichung erhöht sich die Geschwindigkeit der Luftströmung in den Luftfäden und wird größer als die Geschwindigkeit der Luftströmung der Luftfäden, die die untere Flügeloberfläche umströmen.
Entsprechend dem Bernoulli-Gesetz (welches besagt: je höher die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in einem Behälter ist, desto niedriger ist der Druck, den die Flüssigkeit auf die Behälterwände ausübt.) ist der Druck auf der unteren Flügeloberfläche höher als auf der oberen.
Bekanntlich ist jeder Körper, der sich in der Luft bewegt (oder von Luft umströmt wird, wie in einem aerodynamischen Windkanal, vorliegend ein fliegender aerodynamischer Windkanal), seitens der Luft aerodynamischen Kräften ausgesetzt wird, die man durch folgende Formel ausdrücken kann:
wobei

C_Rα: ein dimensionsloser Beiwert
p: – Luftdichte
V: – Körpergeschwindigkeit bezogen auf die umgebende Luft
q: – Staudruck
S: – bestimmte charakteristische Körperfläche

Bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten (V < 100 m/s) wird der Beiwert C_Rα nur anhand der Ausrichtung des Körpers gegen die Luftströmung (Gleitwinkel) und der Reynolds-Zahl ermittelt, die die Luftviskosität Re = Vb/ν berücksichtigt.
b ist dabei ein charakteristisches lineares Körpermaß und ν ein kinematischer Viskositätsbeiwert.
Die gesamte aerodynamische Kraft lässt sich in die Auftriebskraft Yα, die senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor des Anströmens verläuft, und die Kraft des Frontalwiderstands X_A aufteilen. Die Auftriebskraft und der Frontalwiderstand werden als Yα = Cyα qS, Xα = Cxα qS bestimmt.
Hier ist S – die Fläche des Flügels
Die Beiwerte C yα, C xα sind die Beiwerte der Auftriebskraft und des Frontalwiderstands.
Das Verhältnis der Größe der Auftriebskraft zur Größe des Frontalwiderstands (bzw. deren Beiwerte)
wird als aerodynamische Qualität bezeichnet. Der maximale Wert der aerodynamischen Qualität (K max) dient als Maßstab der aerodynamischen Vollkommenheit.
Wie bereits behandelt, ist der Auftriebskraftbeiwert Cy in seiner physischen Eigenschaft eine dimensionslose Maßeinheit, die sich auf eine Flügelflächeneinheit bezieht und die im Verhältnis zu einer Staudruckeinheit steht. Der Wert Cy drückt den Nutzungsgrad der Flügelfläche und des Staudrucks zur Erzeugung der Auftriebskraft aus.
Der Auftrieb des Flügels (2, 3, 6, 20) steigt mit der Vergrößerung von dessen Fläche. Dennoch sind die Möglichkeiten einer Flügelflächenvergrößerung bei Hochgeschwindigkeitsflugzeugen sehr eingeschränkt. Wir haben dieses Problem dadurch gelöst, dass wir die ringförmigen von der Luftströmung anströmenden Flügel (2, 3, 6) innerhalb des Flugapparats (20) platziert haben. Der Auftrieb des Flügels (2, 3, 6) hängt auch von dem Anstellwinkel des Flügels (dem Winkel zwischen der anströmenden Luftströmung und der Flügelfläche) ab. Wir haben den Anstellwinkel so eingestellt, dass er am günstigsten liegt und unabhängig von der räumlichen Lage des Flugapparats (20) ist.
Bei der Landung auf das Wasser kann der Flugapparat (20) sehr schnell auf eine gewisse Tiefe herabsinken. Dafür werden an den unteren und oberen Oberflächen der unteren Sphäre (9) spezielle Ventile geöffnet und das Wasser strömt in die dafür vorgesehenen, entlang der Umfangslänge des Flugapparats (20) diagonal zueinander angebrachten differentiellen Hohlräume. Nach Erreichen der vorgegebenen Tiefe schließen das untere und das obere Ventil selbsttätig.
Unter Wasser wird der scheibenförmige Flugapparat (20) entweder aus dem Cockpit (1) oder aus dem Fracht- und Passagierraum (9) gesteuert. Das Cockpit (1), der Fracht- und Passagierraum und der Motorraum (9) sind hermetisch abgeriegelt.
Unter Wasser wird ein mit Luft-Gas-Gemisch angetriebener Dieselmotor (19) von kleiner Leistung verwendet. Das benötigte Luft-Gas-Gemisch befindet sich unter Druck in Ballons, die aus Spezialkompositionsmaterialien gebaut sind und einen Teil des Triebwerks der unteren Sphäre (9) darstellen. Beim Ausfallen des Dieselmotors (19) wird das Luft-Gas-Gemisch mittels einer Mini-Turbine für die Rotation des Zentrifugalventilators sowie des Axialventilators (4, 5) verwendet oder unmittelbar für das Ballastdurchblasen genützt, um dem Flugapparat das Auftauchen zu ermöglichen. In bestimmten Unterwasserfahrtlagen oder aber auch während des Fluges können die obere Sphäre (7) sowie auch die untere Sphäre (9) des Flugapparats (20) vollständig oder teilweise, nacheinander oder gleichzeitig, um z. B. den Frontalwiderstand abzusenken, die Luftventile (16, 17) in einem beliebigem oder in einem Null-Winkel zueinander absperren. Die Ringe-Elevons (13), die die Funktionen der Längsneigungs- (13), der Quer- (13) und der Schubvektorruder erfüllen, erweitern dabei die Möglichkeiten des Flugapparats (20). Im Falle, dass die Triebwerke des Flugapparats (20) während des Fluges versagen, kann der Flugapparat (20) basierend auf seinen aerodynamischen Eigenschaften, der relativen Lage der oberen (7) und unteren (9) Sphären und aufgrund des dabei entstehenden asymmetrischen Umströmens des Flugapparats (20) dennoch gesteuert werden.

Claims

Flugapparat mit einem Flügel im Flügel und einem Schwungrad unterscheidet sich von den herkömmlichen Flugzeugen, die für den Start und die Landung die Auftriebskraft des Flügels benützen, und die eine Startbahn für die Erreichung einer höheren als das Eigengewicht des Flugzeugs Abhebegeschwindigkeit V benötigen, dadurch, dass die innerhalb des Flügels oder des Flugapparatrumpfs (20) oder eines beliebigen Transportmittels untergebrachten ein oder einige Flügel (2, 3, 6) mit einer großen Flügelstreckung λ, ringförmig oder einer beliebigen anderen Form, die über einen Profil von maximaler aerodynamischer Qualität K = Cy / Cx = 45 – 50 verfügen, die in dem günstigsten Anstellwinkel α angebracht sind, die über den günstigsten Auftriebswiderstand Cxi = 0 verfügen und die von den Ventilator- oder Turbogebläse-Einheiten (4, 5, 10) oder einer beliebig anderen Kraftanlage unter Mitverwendung der Ejektion der umgebenden Luft (22, 23) angeströmt werden, was dazu führt, dass der maximale Auftrieb noch vor dem Start des Flugapparats (20) erzeugt werden kann, der ausreichend ist, um einen Senkrechtstart von jeder unbehandelten Oberfläche darunter auch das Auftauchen aus dem Wasser und den anschließenden Start zu ermöglichen. Die ringförmigen Flügel (2, 3, 6), die sich in den Windkanälen (16, 17) befinden und unter den günstigsten Anstellwinkeln angebracht sind, erzeugen mit Hilfe der laufenden Triebwerke (4, 5, 10) den maximalen Auftrieb unabhängig von der räumlichen Lage des Flugapparats (20), der Fehler in der Steuerung oder der erschwerten meteorologischen Bedingungen. Das Erreichen der überkritischen Anstellwinkel derartiger Flügel ist konstruktionsbedingt und funktional gesehen nicht möglich. Im Falle der Verwendung von Turbostrahlmotoren oder beliebiger anderer Motoren können die ringförmigen Flügel (2, 3), die über eine ununterbrochene geschlossene Form und eine Sektorenaufteilung verfügen, beim Erreichen der schallnahen oder Überschallgeschwindigkeit jeder für sich oder als Ganzes in einer Extranische (18) verstaut werden; der regulierbare Abstand zwischen dem Mittelteil (16) und der oberen Sphäre (7) verwandelt sich in eine Ansaugvorrichtung und jeder beliebige Sektor zwischen der oberen (7) und der unteren (9) Sphären des Mittelteils (16) kann in eine Schlitzdüse verwandelt werden. Um dies zu erreichen, können die obere Sphäre (7) und die untere Sphäre (9) vollständig oder teilweise, nacheinander oder gleichzeitig die Luftkanäle (16, 17) in jedem Winkel oder zum Null-Winkel zueiander absperren. Dabei erweitern die Ringe-Elevons (13), die die Funktionen der Längsneigungs- (13), der Querneigungs- (13) und der Schubvektorruder erfüllen, den Bereich der Möglichkeiten des Flugapparats (20). Dabei kann der Schubvektor rasch in eine entgegengesetzte Lage zwecks einer Notbremsung bei dem einen oder anderen Manöver verändert werden. Bei der laufenden Ventilator- oder Turbogebläse- (10) oder einer beliebig anderen Antriebsanlage wird die Luft über der oberen Oberfläche der oberen Sphäre (7) des Flugapparats (20) verdünnt, was zur Bildung zusätzlichen Auftriebs führt.
Flugapparat mit einem Flügel im Flügel und Schwungrad unterscheidet sich von den herkömmlichen Flugzeugen und Hubschraubern dadurch, dass für die Erreichung einer absoluten Stabilität in der Längs- und Querneigung während des Starts und der Landung sowie bei hohen Luftturbulenzen und um die Flugsicherheit zu gewährleisten, der gyroskopische Effekt des Scheibenschwungrads (12) verwendet wurde. Das Schwungrad wurde nach einem speziellen know-how gefertigt und ist innen hohl und extra-leicht. Um den gyroskopischen Effekt bzw. die Coriolis-Kraft zu erzielen, kann dem Rad Wasser oder eine frostbeständige Flüssigkeit zugeführt werden, welche ihrerseits zu jeder Flugphase blitzschnell durch die elektromagnetischen Ventile der Fernbedienungsvorrichtung abgelassen werden kann. Die vom Schwungrad erzeugte und gespeicherte kinetische Energie kann im Falle der ausgefallenen Triebwerke für den Antrieb des Luftkompressors verwendet werden, welcher das Steuersystem der Seiten-, Längsneigungs- und Querruder dubliert und somit dem Flugapparat (20) eine Stabilität in der Längs- und Querneigung gewährleistet. Im Notfall kann das Schwungrad (12) auch zur Bildung eines Wolkenschleiers um den Flugapparat oder für das Versprühen von Flüssigkeiten genützt werden.
Der Flugapparat mit einem Flügel im Flügel und einem Schwungrad unterscheidet sich von allen bekannten Flugzeug- und Hubschraubertypen dadurch, dass er unter Wasser tauchen und sich unter Wasser bewegen kann. Um schnell aufzutauchen, wird dasselbe Prinzip angewandt wie im Falle der Erzeugung des Auftriebs für den Start und die Landung. Der einzige Unterschied dabei ist aber, dass die Zahl der Umdrehungen der Ventilator- oder beliebiger anderer Antriebsanlage nur bei einigen Dutzenden Umdrehungen pro Minute liegen kann. Für den Antrieb kann ein Dieselmotor von kleiner Leistung (19) verwendet werden, der von einem Luft-Gas- Gemisch aus speziellen aus Kompositionsmaterialien gebauten Ballons gespeist wird, die ihrerseits ein Bestandteil des Flugapparatrumpfs bilden. Falls der Dieselmotor (19) ausfällt, und der Flugapparat sich in der Phase des Auftauchens befindet, kann das unter Druck stehende Luft-Gas-Gemisch mittels einer Mini-Turbine die Ventilatoranlage (4, 5) zum Laufen bringen oder unmittelbar fürs Durchblasen des Ballasts genützt werden. Das unter Druck stehende Luft-Gas-Gemisch kann im Falle der während des Flugs ausgefallenen Triebwerke als eine dublierende Anlage für die Steuerung der Seiten-, Längsneigungs- und der Querruder genützt werden, sowie zum Anwerfen des Scheibenschwungrades mit Hilfe eines Hydromotors (12) dienen.
Der Flugapparat mit einem Flügel im Flügel und Schwungrad unterscheidet sich von den herkömmlichen Flugzeugen dadurch, dass seine aerodynamischen Eigenschaften und dessen Seitensteuerung (durch die Seitenruder (8), die sich im Luftkanal zwischen der oberen (7) und der unteren (9) Sphären entlang der gesamten Umfangslänge des Flugapparats (20) befinden und von einer Hochgeschwindigkeitsluftströmung angeströmt werden, die ihrerseits von den laufenden Ventilator- und Turbogebläse-Einheiten (4, 5, 10) erzeugt wird und die deshalb über maximale Wirkung zu jeder Flugphase vertilgt, es möglich machen, dass sich der Flugapparat um die Senkrechtachse nicht nur während des Starts und der Landung drehen kann, sondern auch während des Horizontalfluges. Falls das Cockpit (1) außerhalb des Flugapparats (20) angebracht ist, entsteht als Folge der Drehung des Cockpits, das sich zusammen mit dem Korpus des Flugapparats dreht, ein asymmetrisches Umströmen, welches durch die entlang der gesamten Umfangslänge des Flugapparats angebrachten Längsneigungs- und Querruder ausgeglichen wird, die ihrerseits durch die von der komprimierten Luft aus dem Luftkompressor oder Reservetanks gespeisten Schlitz- und Strahldüsen (21, 4) dubliert werden. Falls sich das Cockpit (1) innerhalb des Flügels befindet oder falls es sich um einen unbemannten Flugapparat handelt, dann entfallen die vorbezeichneten Steuerungselemente gänzlich. Das Steuerungssystem des Flugapparats (20) hinsichtlich der Längsneigung (13) und Querneigung (13) ist an die Funktion der Schubvektorsteuerung gekoppelt und stellt 2 Ringe-Elevons (13) dar, die über eine spezielle profilierte Bauweise verfügen und sich in der oberen (7) und der unteren (9) Sphären entlang der gesamten Umfangslänge des Flugapparats (20) befinden. Beide Ringe-Elevons können autonom und unabhängig voneinander oder aber synchron zwecks Erzeugung eines gerichteten Schubvektors arbeiten. Für die Erzeugung des gerichteten Schubvektors schließen beide Ringe-Elevons (13) ineinander; dabei sperren sie jeden beliebigen Sektor des Luftkanals (16) zwischen der oberen und der unteren Sphären ab und verwandeln somit den gegenüberliegenden Sektor in eine Schlitzdüse. Die Lageveränderung des Schubvektors bzw. die 360 Grad-Drehung des Schubvektors um die Achse des Flugapparats (20) kann innerhalb einer Zeiteinheit vollzogen werden, die 1 Sekunde entspricht, was zusammen mit der Seitensteuerung (8) für eine außerordentliche Manövrierfähigkeit sorgt. In den profilierten Ringen-Elevons (13) sind entlang der gesamten Umfangslänge Strahl- und Schlitzdüsen (21, 4) angebracht, die die Hilfs- und Dublierungsfunktion der Längsneigungs- und Querneigungssteuerung des Flugapparats (20) übernehmen. Bei in sich geschlossenen Ringen-Elevons (13) öffnen sich auf der äußeren Seite der Ringe-Elevons Reserveluftkanäle. Während des Starts und um das vorzeitige Abheben des Flugapparats (20) zu verhindern, wird der Luftstrahl, der horizontal entlang der gesamten Umfangslänge des Flugapparats entweicht, mit Hilfe der Seitenruder (13) nach oben gelenkt, was zur Entstehung des Reaktionsmoments führt, was wiederum dem partiellen Ausgleich des Auftriebs dient. Das Umlenken des Luftstrahls nach oben und die dabei entstehende Rezirkulation der Luft verhindert bei z. B. nicht geteerten Startbahnen die Zerstörung der Schnee- oder Grasschicht.
Der Flugapparat mit einem Flügel im Flügel und Schwungrad unterscheidet sich von den herkömmlichen Flugzeugen und Hubschraubern dadurch, dass das Cockpit (1) als ein Mini-Flugapparat nach dem Abkoppeln vom Flugapparat (20) selbständig weiterfliegen kann. In diesem Fall wird der Mini-Flugapparat von den Elevons (15, 2) gesteuert, die einen abspreizbaren Heckflügelteil darstellen, so wie er bei Flugzeugen ohne Heckhöhenleitwerk verwendet wird. Die gefaltete Kielflosse und der in Flugrichtung ausgerichteter Propeller befinden sich vor dem Abkoppeln in einer Senkrechtlage. Der Mini-Motor, der sich im Cockpit (1) befindet, bringt den Propeller zum Drehen, indem er einen für den Horizontalflug notwendigen Schub erzeugt. Außerdem befindet sich im runden Flügel (14, 2) des Cockpits (1) ein Mini-Schwungrad (11), das analog dem Schwungrad (12) des Flugapparats (20) aufgebaut ist und dieselben Funktionen hat. Das Mini-Schwungrad dreht sich durch einen Mini-Motor mittels eines Hydromotors. Als ein Triebwerk kann in dem Fall eine Mini-Turbine verwendet werden. Dabei kann der Flugapparat (20), der über ein autonomes Navigationssystem verfügt, selbständig weiterfliegen und landen oder aber aus dem nebenher fliegenden Cockpit (1) gesteuert werden. Außerdem ist eine Steuerung von dem Doppelsteuersystem möglich, das sich in dem Fracht-Passagier-Pilotenraum (9) der unteren Sphäre befindet.