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Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beförderung einer
Nutzlast durch die Luft mit Hilfe des aerostatischen Auftriebs,
bei welcher der Auftrieb ballastfrei bi-direktional geregelt werden
kann.
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Stand der Technik
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Charlièren
stellen eine Untergruppe der Aerostaten dar, bei denen mit Hilfe
eines speziellen Traggases (z. B. Helium, Wasserstoff) Auftrieb
erzeugt wird. Bei auf dem Charlièren-Prinzip basierenden
Luftfahrzeugen lassen sich zwei grundlegende Bauformen unterscheiden:
Ballone
sind drucklos mit Traggas gefüllte, meist textile Hüllen,
deren Volumen sich mit der Flughöhe vergrößert,
bis das maximale geometrische Volumen vollständig mit Traggas
gefüllt und somit die Prallhöhe erreicht ist.
Aufgrund ihrer rotationssymmetrischen Gestalt und des dadurch bedingten
großen aerodynamischen Widerstands sind diese nicht angetrieben
und werden daher zu Sport-(Streckenflüge durch Windversatz)
oder als gefesselte Einheiten zu Beobachtungs- oder Werbezwecken
verwendet.
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Luftschiffe
gibt es in drei Ausführungsformen, denen allen gemeinsam
ist, dass sie einen Antrieb und eine schlanke, widerstandsarme Form
aufweisen, die durch unterschiedliche Konstruktionsmerkmale stabilisiert
wird.
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Beim
Blimp enthält die äußere Hülle
das Traggas, die Formstabilisierung bei mit der Höhe veränderlichen
Traggasvolumina erfolgt durch ein oder mehrere druckbelüftete
Ballonets im Innern der Hülle. Durch den Innendruck verursachte
Zugspannungen in der Hülle kompensieren Druckspannungen aus
deren Biegung sowie dem Staudruck im vorderen Bereich. Die realisierbare
Größe von Blimps ist durch die Festigkeit des
Hüllenmaterials begrenzt. Eine unterschiedliche Befüllung
der Ballonets wird i. d. R. zur Trimmung der Längslage
vorgenommen. Starrluftschiffe benutzen eine äußere
Tragstruktur zur Formhaltung sowie zur Aufnahme von Traggaszellen,
deren Volumen sich wie bei Ballonen höhenabhängig
verändern kann ohne den Widerstand zu beeinflussen. Bei
Kielluftschiffe handelt es sich dem Prinzip nach um Blimps, bei
denen die Biegedruckspannungen in der Hülle jedoch durch
einen starren Kiel nahezu vermieden werden, der benötigte
Innendruck deshalb geringer ist und die Größenbegrenzung
dadurch nach oben verschoben wird.
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Die
Masse des verwendeten Traggases bestimmt bei Luftschiffen und Gasballonen
den Auftrieb, das maximale zu Verfügung stehende Traggasvolumen
die maximale Betriebshöhe.
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Nachteile des Stands der Technik
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Nachteilig
für das Betriebsverhalten wirken sich Temperaturunterschiede
zwischen der Umgebungsluft und dem Traggas aus, wie sie z. B. durch Sonneneinstrahlung
verursacht werden. Erwärmt sich das Traggas eines Gasballons,
die sich auf Prallhöhe befindet, steigt dieser weiter.
Da dieses den Hüllendruck unzulässig erhöhen
würde, wird mittels eines Überdruckventils Traggas
an die Umgebung abgegeben, der dadurch entstehende Verlust an Traggasmasse
reduziert irreversibel den aerostatischen Auftrieb und lässt
den Ballon wieder sinken. Dieses kann nur durch Abgabe von Ballast
beendet werden. In der Praxis wird bei Ballonen durch Überfüllung
mit Traggas und entsprechende Mitnahme von Ballast die Durchführung
einer Anzahl von Flugmanövern ermöglicht, die
allerdings die Flugdauer deutlich begrenzen, da jeder Gasverlust
eine Ballastabgabe zur Folge hat und letztlich eine Restmenge zur
Kontrolle der Landung an Bord verbleiben muss. Bei Luftschiffen
wird durch Nutzung aerodynamischen Abtriebs am Hüllenkörper
bzw. an den Leitwerken ein Übersteigen der Prallhöhe
vermieden, was allerdings, insbesondere bei stratosphärischen Luftschiffen,
an Grenzen stößt, wenn sich das Traggas durch
Sonneneinstrahlung stark erwärmt. Zugleich bewirkt hierbei
eine Abkühlung des Traggases in der Nacht eine Abnahme
des Auftriebs, was zum Sinken des Aerostaten führt. Der
Flug über die Dauer eines Tag-Nacht-Zyklusses ist dadurch
ohne eine hinreichende aerodynamische Auftriebsunterstützung
und die dazu erforderliche Antriebsleistung nicht möglich.
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Möglichkeiten
zur Kontrolle des aerostatischen Auftriebs sind gegeben durch die
Regulierung
- • des Traggasdrucks,
- • der Traggastemperatur und
- • des Traggasvolumens
und von Kombinationen
daraus, wobei für eine Temperaturkompensation nur die beiden
anderen Möglichkeiten in Frage kommen. Eine Erhöhung
des Drucks, die mit einer Volumenvergrößerung
einhergeht, hat nur einen geringen Wirkungsgrad im Bezug auf eine
Auftriebsverringerung, da die Einzelwirkungen entgegengerichtet
sind. Die Volumenvariation ist nur für Starrluftschiffe
sinnvoll, denn es kann sich hierbei die Gaszellengeometrie ohne Änderung
der äußeren Fahrzeuggeometrie verändern.
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Eine
Reihe von Patenten beschreiben mögliche Maßnahmen
zur Beeinflussung des aerostatischen Auftriebs durch Variation des
Hüllendrucks bei Luftschiffen. Einige davon (z. B.
DE 601 09 763 T2 ,
FR2320229 ,
US3432122 ,
US1797502 ,
EP1736405 A1 ) nutzen die
Druckbelüftung von Strukturelementen des Luftschiffs aus
dem Traggasvolumen, um den aerostatischen Auftrieb bei Bedarf zu
verringern. In den genannten und weiteren Patenten (z. B.
US4215834 ,
GB1348408 ) wird der Auftrieb durch Temperierung
des Traggases beeinflusst.
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Aufgabe der Erfindung
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Mit
Hilfe dieser Erfindung sollen zwei Aufgaben erfüllt werden:
- 1. Realisierung eines sicheren, ballastfreien
Betriebs von Gasballonen, deren Flugdauer nur durch die zur Verfügung
stehende Energie zum Antrieb einer Pumpe begrenzt bzw., bei der
Nutzung von Solarenergie, unbegrenzt ist.
- 2. Realisierung eines Ballon- oder Luftschiffkonzepts für
den Langzeitflug in Höhen oberhalb der Tropopause, bei
dem durch die Sonneneinstrahlung thermisch bedingte Veränderungen
des aerostatischen Auftriebs vollständig kompensiert werden.
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Lösung der Aufgabe
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Die
vorliegende Erfindung schlägt die Aufteilung des Traggasvolumens
in mindestens zwei unterschiedlich große, hermetisch voneinander
getrennte Hüllen mit unterschiedlicher Membransteifigkeit
vor, die miteinander über ein regelbares Ventil und eine Pumpe
verbunden sind, wobei die steifere Hülle mit einem einstellbaren,
größeren Druck als die andere beaufschlagt wird
und sich deren Volumen nur geringfügig nach Maßgabe
der elastischen Steifigkeit verändert.
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Ausführungsbeispiele
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In
den folgenden Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise
dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung
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2 eine
schematische Seitensicht des Gasballons
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3 die
Seitenansicht eines Blimps in Starthöhe
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4 die
Seitenansicht eines Blimps in Prallhöhe (Max. Höhe)
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5 die
Seitenansicht eines Blimps mit mehrere Gaszellen
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6 die
Seitenansicht eines starren Luftschiffs in Starthöhe
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7 die
Seitenansicht eines starren Luftschiffs in Prallhöhe (Max.
Höhe)
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8–9 das
Funktionsprinzip
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10–15 mögliche
Ausführungsbeispiele
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Gemäß 1 und 2 besteht
die Vorrichtung aus den folgenden Hauptbestandteilen: Eine gasdichte
Hülle 1, eine Gaszelle 2, eine gasdichte Hülle 3 sowie
eine Gaszelle 4. Die Gaszelle 2 besteht aus einem
nicht oder nur gering dehnbarem, gasdichten Material und ist in
der Lage ohne eine signifikante Volumenvergrößerung
einen Überdruck zu halten. Die Hüllen 1 und 3 weisen
eine Membran (Diaphragma) 5 als gemeinsames Element auf
und die Gaszellen 2 und 4 sind über einen
Kompressor oder Ventilator 6 verbunden, der mit einem Rücklaufventil
ausgestattet ist. Die Vorrichtung weist ferner ein Ventil 7 zwischen
beide Gaszellen 2 und 4 sowie ein weiteres Sicherheitsventil 8 zwischen
der Gaszelle 4 und der umgebenden Luft auf. Gemäß 2 besteht
die Vorrichtung für Gasballone neben den bereits beschriebenen
Elementen aus den folgenden Hauptbestandteilen: Parachuteventil 8,
Lastgurt 9, Tragseile 10, Nutzlastgondel 11,
Gondelring 12, Gondelleinen 13, Füllansatz 14,
Notöffnung 15, Notöffnungsleine 16, Parachuteleine 17,
Akkus 18 und Solarzellen 19.
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Der
Lastgurt dient der Verbindung der Hüllen 1 und 3,
der Membran 5 und der Hüllenseile 10 als Lastübertragungselement.
Die unter Überdruck stehende Hülle 2 befindet
sich oberhalb der Hülle 3.
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Gemäß 3, 4 und 5 besteht
die Vorrichtung für Luftschiffe nach dem Blimp-Prinzip neben
den bereits beschriebenen Elementen aus den folgenden Hauptbestandteilen:
Eine mit Luft 21 gefüllte Hülle 20,
Steuerungselemente 22, einem Ventilator 23, einem
Ventil 24, einem rohrförmigen flexiblen Plenum 25,
welches zum Gasaustausch zwischen den Zellen 4, 2 und 21 verwendet
werden kann sowie den Membranen 26.
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Gemäß 6 und 7 besteht
die Vorrichtung für ein starres Luftschiff neben den bereits
beschriebenen Elementen aus den Hauptbestandteilen luftgefüllter
Rumpf 27, Tragstruktur 28 und ggf. einer Schutzhülle 29 (siehe 12).
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Beispiel 1: Die Vorrichtung als ein Gasballon
ausgeführt
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Der
Betrieb einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist in 2 detailliert dargestellt. Wenn die Auftriebskraft
verringert werden muss, entnimmt man Traggas, z. B. Helium, der
Zelle 4 mit Hilfe eines Kompressors 6 und erhöht
mit diesem den Druck in der Zelle 2. Der aerostatische
Auftrieb sinkt dabei infolge der Traggasdichteerhöhung
in Zelle 2 sowie der Traggasvolumenverringerung in Zelle 4.
Das Traggas in der Zelle 2 (siehe 8) hat die
Dichte r1, den Druck P1 und
das Volumen V1. In der Zelle 4 befindet sich ähnliches
Traggas mit der Dichte r2, dem Druck P2 und dem Volumen V2.
Die Luft in der Umgebung der Zellen hat eine Dichte r0 und
den Druck P0.
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Der
aerostatische Auftrieb für die in 2 gezeigte
Konfiguration beträgt vor der Traggaskomprimierung 2,00
kg, da für den Auftrieb gilt: Auftrieb
= Auftrieb1 + Auftrieb2 =
(r0 – r1)·V1 + (r0 – r2)·V2
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Für
P0 = P1 = P2
V1 = 1 m3
V2 = 1 m3
r0 = 1,2 kg/m3
r1 = 0,2 kg/m3
r2 = 0,2 kg/m3
erhält man somit Auftrieb = Auftrieb1 +
Auftrieb2 = 1 + 1 = 2 kg
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Nach
der Traggaskomprimierung auf 20% beträgt der Auftrieb für
die gleiche Konfiguration 1,76 kg (siehe 9), denn
mit r1 = r2 erhält
man: Auftrieb = Auftrieb1 +
Auftrieb2 = (r0 – r1)·V1 +
(r0 – r2)·V2
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Wenn
P0 = P2
V1 = 1 m3
V2 = 0,8 m3
P1 = 1,2 P2
r0 = 1,2 kg/m3
r1 = 0,2 kg/m3
r2 = 0,24 kg/m3
ergibt
sich Auftrieb = Auftrieb1 +
Auftrieb2 = 0,8 + 0,96 = 1,76 kg
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Will
man die Auftriebskraft vergrößern, entlässt
man Traggas aus der Zelle 2 über das Ventil 7 (siehe 2)
und erhöhte dadurch das Volumen in der Zelle 4.
Der Auftrieb steigt wegen verringerter Traggasdichte in der Zelle 2 und
einer Vergrößerung des Traggasvolumens in der
Zelle 4 an. Für einen schnellen Gasablass bei
der Landung kann man das Parachuteventil 8 in der Zelle 4 sowie
das Ventil 7 öffnen. Die Energieversorgung des
Kompressors 6 kann mit Hilfe von Akkumulatoren und/oder
Solarzellen realisiert werden. Die Hülle 1 besteht
aus einem wenig elastischen, biegsamen und dehnungsarmen Material,
z. B. aus beschichteter Aluminiumfolie und ist so dimensioniert
dass sie einen Überdruck gasdicht halten kann. Zur Komprimierung
des Traggases in der Zelle 2 benötigt man eine
Membran 5, welche deren gasdichten Abschluss zur Zelle 3 bildet.
Das Traggas kann in den beiden Zellen 2 und 4 bereits beim
Start unter Überdruck stehen. Die dann zur Auftriebserzeugung überschüssige
Traggasmasse kann dabei über eine längere Flugzeit
unvermeidliche Traggasverluste kompensieren. Der Druckunterschied
in den Zellen 2 und 4 braucht für eine
effiziente Funktion nicht mehr als 200 mbar betragen. Die Leistung
der Kompressoren wird durch die Anforderungen an die Manövrierbarkeit
dimensioniert. Als Kompressor man kann einen Hochleistungsturbokompressor
benutzen.
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Wenn
die Belastbarkeit der Membran 5 geringer ist als die der
Hüllen 1 und 3 man kann auch bei einem
Versagen der Hülle 1 oder der Hülle 3 eine sichere
Landung durchführen, denn dieses würde nicht zu
einem Totalverlust der Traggasmasse führen. Der verfügbare
Restauftrieb verhindert dabei zusammen mit einem vergrößerten
Widerstand der zerstörten, flatternden Hülle eine
zu große Sinkgeschwindigkeit. Die unter Innendruck stehende
Hülle 1 wird sich geometrisch als Kugel und die
Hülle 3 als Kugelsegment ausbilden (1).
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Das
Traggas kann von der unter Überdruck stehenden Hülle 1 in
die unter geringeren Druck stehende Hülle 3 zur
Auftriebsverringerung über das Ventil 7 ohne Pumpeneinsatz
befördert werden. Der Kompressor 6 enthält
ein Rückschlagventil. Das Hüllensystem ist von
einer weiteren Hülle 20 (siehe 12)
und/oder einem Netz umgeben, welches die Auftriebskräfte
in die Gondel 11 (siege 2) überleitet.
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Beispiel 2: Die Vorrichtung, ausgeführt
als ein stratosphärisches Luftschiff (Blimp)
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Der
Betrieb dieser Vorrichtung ist in den 3, 4 und 5 detailliert
dargestellt. Die zusätzliche Zelle 21 ist dabei
mit Luft gefüllt, welche unter einem so großen
Innendruck steht, dass die Gestalt des Luftschiffs stets erhalten
bleibt.
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Beim
Start (3) befindet sich Traggas in der Zellen 2 und 4.
Während des Aufstiegs vergrößert sich
das Volumen Traggas der Zellen 2 und 4 infolge
der Ausdehnung des Traggases, wobei die Luft aus der Zelle 21 durch
das Ventil 24 entweicht, um ein Ansteigen des Drucks in
der Zelle 21 zu vermeiden.
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Während
das Luftschiff in einer Höhe von ca. 20 km stationiert
ist erwärmt sich die mit Solarzellen 19 ausgestattete
Oberfläche durch die Sonnenstrahlung. Dadurch vergrößert
sich der aerostatische Auftrieb dieser Konfiguration. Ein Ventilator 23 befördert ggf.
Umgebungsluft durch eine Öffnung (nicht gezeigt) in die
Zelle 21, welche die Traggaszellen umspült und
auf diese Weise kühlt und über das Ventil 24 wieder
an die Umgebung abgegeben wird.
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Um
ein Aufsteigen über die Höhe, in der die Zellen 2 und 4 ihr
maximales Volumen erreicht haben (Prallhöhe), infolge des
Auftriebsüberschusses zu vermeiden, muss der Auftrieb verringern
werden. Dazu wird Traggas, z. B. Helium, mit Hilfe des Kompressors 6 aus
der Zelle 4 unter erhöhtem Druck in die Zelle 2 befördert.
Der Auftrieb sinkt wegen der Erhöhung der Traggasdichte
in der Zelle 2 und wegen der Verringerung des Traggasvolumens
in der Zelle 4. Die Vorrichtung kann auch mit einen zusätzlichen druckfesten
Behälter (nicht gezeigt) mit einem konstanten Volumen ausgestattet
sein, der mit der Zelle (2) und/oder der Zelle (4) über
eine Pumpe bzw. einen Kompressor sowie mit einem Ventil (nicht gezeigt)
verbunden ist. Durch Druckbefüllung dieses Behälters
lässt sich der Gesamtauftrieb variieren, jedoch wirkt hierbei
nur die Verringerung der Traggasdichte in den Traggaszellen Auftrieb
mindernd, da das Verdrängungsvolumen unverändert
bleibt. Die Zellen können mit Hilfe zusätzlicher
Membranen 26 (5) in Einzelzellen geteilt sein,
was zur Trimmung des Luftschiffs genutzt werden kann, wenn man die
Befüllung in den einzelnen Zellen entsprechend reguliert.
Ein im Zentrum des Luftschiffkörpers positioniertes rohrförmiges,
in der Länge durch eine teleskopartige Ausführung
flexibles, vertikal ausgerichtetes Plenum 25 kann für
die Traggasbeförderung zwischen den Zellen verwendet werden.
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Beispiel 3: Die Vorrichtung, ausgeführt
als ein starres Luftschiff
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Der
Betrieb einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist in den 6 und 7 detailliert
dargestellt. Beim Start (6) befindet sich Traggas in
den Zellen 2 und 4. Während des Aufstiegs
vergrößert das Traggas in der Zellen 2 und 4 sein
Volumen (7). Durch individuelle Druckregulierung
in den einzelnen Traggaszellen lässt sich die Längsneigung des
Luftschiffes trimmen.
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Die 10–15 zeigen
weitere Ausführungsbeispiele mit den folgenden Merkmalen:
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10 und 11:
Die Hülle 3 kann sich sowohl über als
auch unter der unter Innendruck stehenden Hülle 1 befinden
(siehe auch 1, 2 und 8).
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12:
Die Zellen 2 und 4 können von einer weiteren
Schutzhülle eingeschlossen sein.
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13, 14 und 15:
Die Hülle 3 kann sich neben der unter Innendruck
stehenden Hülle 1 befinden.
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Das
maximale Gesamtvolumen von Hüllen 1 und 3 kann
größer sein als das maximale Volumen der Hülle 1 (siehe
auch 2).
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Vorteile der Erfindung
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Aerostatensysteme
auf der Basis dieser Erfindung weisen folgende Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik in den genannten Anwendungsbereichen auf:
- 1. Im Gasballonsport würde die Flugdauer
nicht mehr durch die maximale Ballastierbarkeit begrenzt und diesem
damit neue Dimensionen eröffnet werden. Da mit der Flugdauer
auch die erzielbare Flugstrecke nicht mehr begrenzt wird, sind neue
Flugrekorde in allen Kategorien realisierbar. In Verbindung mit
der Solarenergietechnik wird dabei keine zusätzliche Energie
benötigt und damit die Umweltfreundlichkeit dieses Sports
erhalten. Aufgrund der wesentlich präziseren Höhensteuerbarkeit
wären zudem Landungen möglich, bei denen nur noch
ein geringer Teil des teuren Traggases verloren geht. Der größte
Anteil könnte wieder komprimiert und einer weiteren Verwendung
zugeführt werden.
- 2. Im Bereich der Luftschiffe werden keine aerodynamischen Auftriebskompensation
und der dafür erforderliche Vortrieb benötigt.
Damit wird zugleich eine äußert sensible und wirksame
Höhensteuerung auch im gestörten Schwebeflug realisierbar
und, in Verbindung mit der Solartechnik, ein vom Tages-Nacht-Zyklus
unabhängiger, zeitlich unbegrenzter Betrieb von Luftschiffen
bis in die Stratosphäre ermöglicht, wo der Wärmeeintrag
besonders groß ist. Ferner kann das Luftschiff im gesamten
Geschwindigkeitsbereich stets in Horizontallage betrieben werden,
was für bestimmte Nutzlasten (z. B. Passagiere, Sensoren, Antennen)
vorteilhaft sein kann.
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Darüber
hinaus liegen Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik und zu
den Alternativkonzepten:
- • in der
besonders guten Wirksamkeit von gleichzeitiger Volumen- und Druckvariation
bei der Auftriebsregulierung,
- • in den Möglichkeiten einer bi-direktionalen
Auftriebssteuerung,
- • in der direkten Auftriebsanpassung beim Be- und Entladevorgang,
- • in der universellen Anwendbarkeit für verschiedene
Aerostaten- und Hybridkonzepte,
- • in einer zusätzlichen Auftriebserhöhung
bei Mitnahme eines komprimierten Traggasreservoirs,
- • in der geringen flugmechanischen Reaktionszeit des
Aerostaten,
- • in der verbesserten Betriebssicherheit,
- • in einer verringerten Systemkomplexität
wegen nicht benötigter Wärmetauscher (geringer
Druckunterschied in den Hüllen),
- • in den geringeren Abmessungen,
- • im geringeren Aufwand und
- • im geringeren Gewicht des Systems.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 60109763
T2 [0008]
- - FR 2320229 [0008]
- - US 3432122 [0008]
- - US 1797502 [0008]
- - EP 1736405 A1 [0008]
- - US 4215834 [0008]
- - GB 1348408 [0008]