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1 Technisches Gebiet der Erfindung
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Bei
der im Folgenden beschriebenen zusammenhängenden Gruppe
von Erfindungen geht es um eine Verbesserung von Hängegleitern
hinsichtlich Flugeigenschaften, Komfort (geringeres Gewicht) und
Preis-Leistungs-Verhältnis.
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Hängegleiter,
in Deutschland auch 'Drachen' genannt, sind leichte manntragende
Flugsportgeräte mit Spannweiten um 10 m und mehr. Sie sind
fußstartfähig, können also durch einen
Lauf des Piloten am Hang oder geschleppt von einer Winde oder einem
langsam fliegenden Leichtflugzeug gestartet werden. Gelandet werden
kann ebenfalls auf den Füßen.
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Man
unterscheidet zwischen Geräten mit flexiblen Flügeln,
den 'Flexiblen', und mit starren Flügeln, den 'Starren'.
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Die
in den 70-er Jahren in den USA entstandenen Flexiblen bestehen aus
einem faltbaren Gestell aus hochfesten Aluminiumrohren, das durch dünne
Stahlseile verspannt und mit einem Segel oben und meist auch unten
bespannt ist, siehe 1. Dem oberen Segel (Obersegel)
wird durch entsprechend geformte Segellatten das Profil eines Tragflügels
gegeben. Das untere Segel (Untersegel) wird am Innenflügel
durch wenige gerade Latten eben gehalten. Der Flügel gilt
vor allem deswegen als flexibel, da im hinteren Flügelbereich
nur die Segelspannung den Luftkräften (Auftrieb und Abtrieb)
entgegenwirkt, so dass er dort unter Last je nach Spannung des Segels
nachgibt, sich nach oben (bei Auftrieb) oder nach unten (bei Abtrieb)
wölbt (Aeroelastizität). Der unter dem Flügel
am Kielrohr in einem Gurtzeug hängende Pilot hält
mit den Händen die Basis eines Trapezes, das gleichzeitig
der unteren Verspannung dient, so dass er sein Gewicht gegenüber dem
Auftriebspunkt des Flügels sowohl längs als auch
seitlich verschieben kann. Dadurch lässt sich die Flugbahn
des Gerätes beeinflussen (Gewichtskraft-Steuerung). Die
erforderliche Sicherheit gegenüber unkontrollierbaren Sturzflügen
und Überschlägen (Nick-Stabilität) wird
durch ein Mindestmaß an Pfeilung und Schränkung
(nach außen abnehmender Anstellwinkel) des Flügels
erreicht. Auf die stabilisierende Wirkung eines Heckleitwerks kann
damit verzichtet werden (Nurflügel-Konzept).
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Das
notwendige Mindestmaß an Schränkung wird durch
Schränkungsanschläge (Swivel(tipps) und Sprogs)
und ggf. eine Abspannung der Segelhinterkante nach oben (Segel-Abspannung)
erreicht. Schränkungsanschläge sind am Flügelrohr gelenkig
angebrachte in Richtung Flügeltiefe verlaufende Stäbe,
die nach oben schwenkbar sind, so dass sie einer Wölbung
des Segels durch Auftriebskräfte nicht entgegenwirken.
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Die
in den 90-er Jahren entstandenen Starren bestehen aus zwei Carbon-Holmen,
die den Nasenbereich des Flügels formen. Die beiden Holme sind
durch ein Klappgelenk miteinander verbunden. Aufgrund der Festigkeit
der Holme und des Gelenks kann eine Verspannung entfallen. An den
Rückseiten der Holme sind seitlich ausklappbare Rippen
angebracht, die ein Segeltuch nach hinten aufspannen. Gegenüber
einem Flexiblen wird ein Starrer in die Kurve gesteuert, indem durch
ein seitliches Schwenken des Trapezes (Wackeltrapez) über
Steuerseile Störklappen oder Querruder betätigt
werden (aerodynamische Kurvensteuerung). Durch die bei der Atos-Familie
des Marktführers AIR auf der Oberseite der Außenflügel
angebrachten Störklappen kann auf jeweils einer Seite der
Auftrieb des Flügels reduziert werden, so dass sich das
Gerät in die Kurve neigt. Dies ist zwar mit geringem Auftriebsverlust
verbunden, vermeidet aber ein negatives (gegen die Kurve drehendes)
Wendemoment (Moment um die Hochachse), so dass sich ein Seitenleitwerk
erübrigt. Bei Modellen, die wie üblich durch Querruder
in eine Kurvenlage gebracht werden, übernehmen Winglets
die Funktion des Seitenleitwerks, die aber gleichzeitig den Luftwiderstand
des Gerätes reduzieren, da sie die Energie verbrauchenden
Randwirbel reduzieren.
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2 Stand der Technik, Grenzen und Mängel
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Im
Folgenden werden der Entwicklungsstand im Bau von Hängegleitern
und die derzeit deutlich gewordenen Entwicklungsgrenzen kurz skizziert.
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2.1 Stand der Technik
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Starre
sind den Flexiblen aufgrund des steifen, und damit definierteren,
Flügels in der Leistung prinzipiell überlegen.
Hinzu kommt, dass aufgrund der hohen Festigkeit der Carbon-Holme
und der aerodynamischen Kurvensteuerung durch Störklappen oder
Querruder höhere Spannweiten möglich sind, was
die Leistung zusätzlich verbessert. Außerdem verlangt
die aerodynamische Kurvensteuerung gegenüber der Gewichtskraft-Steuerung
bei den Flexiblen wesentlich weniger Krafteinsatz des Piloten und ermöglicht
damit auch eine aerodynamische Pilotenhaltung (anliegendere Arme).
Durch die höhere Festigkeit des Flügels lassen
sich die Anforderungen an die Nick-Stabilität (Sicherheit
gegen Überschlag) bereits durch weniger Pfeilung und Schränkung
des Flügels erfüllen, was weiter zur Leistungssteigerung beiträgt.
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Um
auch die Starren mit ihrem flachen Gleitwinkel und ihrer höheren
Geschwindigkeit auf kleinen Feldern und auf den Füßen
landen zu können, verfügen sie am Innenflügel über
verstellbare Wölbungs- bzw. Landeklappen, die eine Landung
mit steilem Gleitwinkel und geringer Geschwindigkeit ermöglichen.
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Bei
den Flexiblen konnte durch eine Verstärkung der Struktur,
insbesondere beim Querrohr und Querrohrgelenk, auf die obere Abspannung
mit Turm verzichtet werden (Turmlose). Außerdem ließ sich dadurch
auch die Segelspannung erhöhen. Zur Gewährleitung
der notwendigen Flugstabilität wurde die Segel-Abspannung
durch zusätzliche innere Schränkungsanschläge
(Sprogs) ersetzt. Durch diese Maßnahmen konnte der Luftwiderstand
reduziert und der Auftrieb durch eine definiertere Segelstellung
und einen gleichmäßigeren Verlauf des Anstellwinkels
erhöht werden, was gegenüber früheren
Geräten zu einer Leistungssteigerung (Gleitwinkel) geführt
hat.
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Für
verschiedene Flugsituationen (Starten, Landen, Langsamflug, Thermikflug,
Schnellflug, geringstes Sinken, bestes Gleiten) kann bei höherwertigen
Geräten die Segelspannung während des Fluges über
die Stellung der Querrohre variiert werden (Variable Geometrie (VG)).
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Für
die Sicherheit des Drachenflugsports ist im Auftrag des Luftfahrt-Bundesamts
(LBA) der Deutsche Hängegleiter-Verband (DHV) zuständig.
Er gibt auch Anforderungen an die Sicherheit der Flugsportgeräte
vor. Demnach muss u. a. die Festigkeit eines Hängegleiters
so hoch sein, dass weder positive Lasten (Auftriebskraft) vom 6-fachen
der Nutzlast (Pilot im Gurtzeug) und des halben Eigengewichts noch negative
Lasten (Abtriebskräfte) vom 3-fachen dieses Gewichtes das
Gerät schädigen.
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2.2 Grenzen und Mängel
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Der
Nachteil der Starren gegenüber hochwertigen Flexiblen liegt
in ihrem höheren Gewicht von gut 40 kg gegenüber
gut 35 kg, ihrem höheren Packmaß hinsichtlich
Länge und Volumen und ihrem gut doppelt so hohen Preis.
Das Laminieren der Holme ist arbeitsintensiv, die gegenüber
den industriell produzierten Alu-Rohren höheren Fertigungstoleranzen erfordern
entsprechende Sicherheitszuschläge.
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Hinzu
kommt, dass durch die aerodynamisch ungünstige Position
des unter dem Flügel hängenden Piloten die hohe
Leistung des Flügels, die früherer Segelflugzeuge
entspricht, stark beeinträchtigt wird. Außerdem
ist das Nurflügel-Konzept, auf dem die Hängegleiter
beruhen, mit zunehmender Spannweite bzw. Streckung (Verhältnis
von Spannweite zu Flügeltiefe) dem Rumpflugzeug hinsichtlich
Flugleistung und -stabilität unterlegen. Das Ausreizen
geringer Pfeilung und Schränkung hat die Geräte
gegenüber Störungen anfälliger werden
lassen (Überschlag, Trudeln). Schließlich wird
mit einer inzwischen bis auf 14 m erhöhten Spannweite auch
das Starten und Landen immer anspruchsvoller.
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Um
die aerodynamische Güte des Flügels besser ausspielen
zu können, gibt es Modelle, bei denen der Pilot in einer
stromlinienförmigen Pilotenkanzel (Cage) sitzt, wie z.
B. beim Swift. Aerodynamisch noch günstiger ist eine Integration
des Piloten in den Flügel, wie schon seit den 40-er Jahren
bei den Nurflüglern der Gebrüder Horten realisiert.
Dasselbe Ziel verfolgt Felix Rühle für seine Atos-Serie
mit seinem Patent
DE
10 2006 059 111 A1 von 2006 für ein Steuerelement
für einen im Flügel liegenden Piloten.
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Zur
Gewährleistung einer ausreichenden Stabilität
wird inzwischen die Verwendung einer Höhenflosse am Kielrohrende
empfohlen.
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In
der Schweiz (ETH Zürich) ist mit dem Archaeopteryx ein
noch fußstartfähiges Leichtsegelflugzeug (Rumpfflugzeug)
entwickelt worden.
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All
diese Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung haben die
Geräte jedoch immer größer, schwerer
und teurer werden lassen. Für weitere Leistungssteigerungen
muss ein immer höherer Aufwand getrieben werden. Die Fußstartfähigkeit
ist zwar noch bedingt erhalten geblieben, das Erlebnis des unmittelbaren,
leichten Fliegens aber zunehmend verloren gegangen. Bei dieser Entwicklung
gerät man zunehmend in Konkurrenz zum Segelflug.
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Auch
die noch erreichte Leistungssteigerung bei den Flexiblen hat ihren
Preis: Die Geräte sind gegenüber der vorherigen
Generation, der Geräte mit Turm (Turmgeräte),
deutlich schwerer (gut 35 statt 30 kg) und teurer (etwa 50%) geworden.
Inzwischen ist man z. T. zu Modellen mit Turm zurückgekehrt,
hat dort jedoch anstelle der früheren Segel-Abspannung die
inneren Schränkungsanschläge der Turmlosen beibehalten.
Offensichtlich ist nämlich der Leistungsgewinn der Turmlosen
weniger auf den geringfügig verminderten Widerstand zurückzuführen,
sondern viel mehr auf die bessere Definition des Segels durch eine
höhere Spannung und die zusätzlichen Schränkungsanschläge.
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Hinsichtlich
Segelspannung und Spannweite bzw. Streckung hat man jetzt aber die
Grenze erreicht, die Material (Aluminium-Rohre) und Bauweise (Verspannte
Stabkonstruktion) Flexibler zulassen. Durch Verwendung von Carbon
für die besonders beanspruchten Teile, die Querrohre und
die äußeren Flügelrohre, konnte diese
Grenze zwar noch ein wenig hinausgeschoben werden, jedoch zu Lasten
höherer Preise.
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Die
Gleitwinkel Flexibler sind auch bei reduzierter Segelspannung (durch
die variable Geometrie (VG)) noch so gut, dass ein Landen auf kleinen
Flächen schwierig ist, schwieriger als mit einem Starren mit
Landeklappen. Manche Piloten setzen daher Bremsschirme ein. Ein
Bremsschirm lässt sich jedoch nicht dosieren, allenfalls
noch ablösen, wenn der Pilot erkennt, dass er zu kurz kommt.
Die Übertragung von Landeklappen auf Flexible, Patent bzw. Gebrauchsmuster
DE 200 17 488 U1 aus
2000 vom Tomas Pellicci, erscheint vielversprechend, konnte sich
bisher aber nicht durchsetzen.
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Der
wesentliche Nachteil bisheriger Flexibler liegt aber in ihrer Kurvensteuerung.
Das durch eine seitliche Verlagerung des Piloten entstehende Gewichts-Moment
um die Längsachse (Flugbahn) ist so gering, dass eine Kurve
allein dadurch nur sehr langsam eingeleitet würde. Daher
ist das Kielrohr nur lose mit den Querrohren verbunden (Schwimmendes Kielrohr),
so dass das es durch eine seitliche Verlagerung des Piloten seitlich
etwas mit verschoben wird. Dadurch wird die Spannung des mit dem
Kielrohr verbundenen Segels auf der einen (kurveninneren) Seite
verringert, so dass sich dort die Segelhinterkante mehr wölbt,
was den Auftrieb verringert, während gleichzeitig auf der
anderen Seite die Segelspannung erhöht wird, siehe 2.
Erst dadurch entsteht ein Rollmoment, das eine befriedigende Kurvensteuerung
ermöglicht.
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Das
seitliche Spiel des schwimmenden Kielrohrs wird allerdings nicht
nur durch seine lose Verbindung mit den Querrohren begrenzt, sondern
auch durch die Spannung des Segels. Ein straff gespanntes Segel,
das einem Flexiblen mehr Leistung bringt, reduziert daher seine
Wendigkeit.
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Entspannt
der Pilot mit der variablen Geometrie (VG) das Segel, um z. B. mit
verringerter Leistung des Flügels leichter landen zu können,
neigt das System zum Gieren und Aufschaukeln.
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Wird
ein Flexibler durch Turbulenzen zur Seite gekippt, verstärkt
der nach unten fallende Pilot die Störung, da er das Kielrohr
mit nach unten zieht, und so leicht in eine unbeabsichtigte Kurve
geworfen wird. Das macht das Einkreisen in Thermik oft so mühsam.
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Ähnlich
unerwünscht wirkt sich eine unsauber geflogene Kurve aus.
Bei unzureichender Fliehkraft neigt das Gerät zum Einzirkeln,
der Pilot muss sich nach oben stemmen, um ein Abschmieren zu vermeiden.
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3 Lösungs-Konzept, Erfindung
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Kern
des Lösungs-Konzepts ist eine Kurvensteuerung für
Hängegleiter durch eine Veränderung des Anstellwinkels
bzw. der Schränkung am Außenflügel. Hierfür
bietet sich die flexible Flügelkonstruktion Flexibler geradezu
an. Aber auch bei Starren ist das Konzept umsetzbar. Ein hinten
flexibler Innenflügel ermöglicht dort eine Veränderung
der Profilwölbung mit der Wirkung von Wölb- bzw.
Landeklappen.
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Der
vordere Innenflügel wird dagegen durch Rippen und verlängerte
innere Querstreben fixiert.
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Die
Veränderung der Schränkung am Außenflügel
erfolgt durch an den Flügelrohren angebrachte steuerbare
Schränkungshebel, die die dortigen äußeren
Schränkungsanschläge der Flexiblen ersetzen. Bei
Starren sind die äußersten Rippen vertikal schwenkbar
und steuerbar zu gestalten.
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Die
Veränderung der Profilwölbung am Innenflügel
erfolgt durch Wölb-Seile, die dort den hinteren Flügelbereich über
Wölb-Hebel und im Flügel quer verlaufende Wölb-Streben
nach unten ziehen. Dies setzt voraus, dass der hintere Flügelbereich nicht
mit dem Kielrohr verbunden ist. Bei Starren erübrigen sich
bei dieser Wölbungssteuerung die an der Segel-Hinterkante
des Innenflügels angebrachten Wölb- bzw. Landeklappen.
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Die
Steuerkräfte zur Bewegung der Schränkungshebel
sind gering, wenn das Segel im hinteren Bereich nur so stark gespannt
wird, dass die Segelhinterkante glatt gezogen und ein Flattern vermieden wird.
Außerdem sind die Randbögen in den äußeren Flügelrohren
drehbar gelagert, so dass sie vom Schränkungshebel nach
oben leicht mitbewegt werden können. Nach unten ist ihr
Schwenkbereich zum Erhalt einer Mindestschränkung begrenzt.
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Die
bisher hohe Spannung im hinteren Bereich des Segels von Flexiblen,
die den dortigen Auftriebskräften entgegenwirken muss,
kann entfallen, da diese Kräfte beim neuen Konzept durch
die Schränkungshebel und festen Rippen, die die inneren
Schränkungsanschläge der Flexiblen ersetzen, aufgefangen
werden.
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Aber
auch bisherige straff gespannte Flexible lassen sich auf eine Kurvensteuerung
durch Schränkungshebel umrüsten. Da die Schränkungshebel
dann gegen das zwischen Randbögen und Kielrohr gespannte
Segel drücken, sind hierbei aber höhere Steuerkräfte
hinzunehmen.
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4 Gestaltung des Konzepts und Ausführungsbeispiele
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Das
obige Konzept lässt sich bevorzugt als 'Semiflexibler Hängegleiter'
(Semiflexibler) ausführen. Daher wird vor allem hierauf
im Folgenden näher eingegangen.
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4.1 Kurvensteuerung über Schränkungshebel
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Die
Struktur eines Semiflexiblen entspricht in ihren Grundzügen
der eines Flexiblen. Sie ist mit ihren wesentlichen Komponenten
der Kurvensteuerung durch vertikal schwenkbare Schränkungshebel in 3 und
alternativ in 9 dargestellt. Während die
Innenflügel durch Rippen (bisher innere Schränkungsanschläge)
mit verlängerten Querstreben versteift sind, lässt
sich der Anstellwinkel bzw. die Schränkung der Außenflügel über
die Schränkungshebel (bisher äußere Schränkungsanschläge),
die vom Piloten über Seile gesteuert werden, verstellen.
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Die
Schränkungshebel sind so ausgeführt, dass sie
(wie bisher die Schränkungsanschläge) negative
Lasten (Abtrieb) zur Gewährleistung der Nick-Stabilität
aufnehmen können, zusätzlich aber auch positive
Lasten (Auftrieb).
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Bei
der Ausführung nach 3 wird der Schränkungshebel
wie bei Flexiblen der äußere Schränkungsanschlag
gegen Abtrieb durch ein oben am äußeren Flügelrohr
befestigtes Abspannseil (dünnes Stahlseil) gehalten. Der
Auftriebskraft wirkt die Spannung einer Drehstab-Feder entgegen,
die den Schränkungshebel bis zum Anschlag (Abspannseil)
nach unten drückt. Die Abspannseile sind durch ein Kontrollseil
(ebenfalls dünnes Stahlseil) so miteinander verbunden,
dass sie in Richtung Kielrohr etwas ausgelenkt werden. An der Verbindung
mit dem Kontrollseil sind die Abspannseile daher geteilt (Kauschen),
um Knickschäden zu vermeiden. Durch die Längen
des Kontrollseils und der Abspannseile lässt sich eine
für die Nick-Stabilität erforderliche Mindestschränkung
einstellen. Gegen die Spannung des Kontrollseils sind die Schränkungshebel
auch nach außen abgespannt.
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Wird
das Kontrollseil quer zum Kielrohr verschoben, werden die Schränkungshebel,
und damit die Außenflügel, gegensinnig zueinander
verdreht, siehe 4 bis 8. Dabei
ist die Verdrehung nach oben stärker als die nach unten,
wodurch sich die ein Wendemoment erzeugenden Faktoren (Rollbewegung
und asymmetrischer Widerstand) neutralisieren. Allerdings bewegen
sich die Außenflügel in einem Anströmwinkelbereich,
in dem sich der Auftrieb mit dem Anströmwinkel stark, der
Widerstand jedoch nur gering verändert. Das Verschieben
des Kontrollseils durch den Piloten erfolgt über eine auf
der Trapezbasis seitlich verschiebbare Steuerhülse, die
mit dem Kontrollseil durch ein umlaufendes Steuerseil verbunden
ist, siehe 3, 7 und 9.
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Die
Drehstab-Feder, siehe 3 bis 6, ist so
stark vorgespannt, dass der Schränkungshebel bei normalen
Auftriebskräften (bei einem Auftrieb des gesamten Flügels
zwischen Gesamtgewicht und etwa halber positiver Prüflast)
am unteren Anschlag gehalten wird und der Außenflügel
sich damit in seiner Grundstellung befindet. Der auf einen Außenflügel
entfallende Auftriebsanteil beträgt etwa 1/6 des Gesamtauftriebs,
also z. B. 20 kp bei 120 kp Gesamtauftrieb. Liegt der Auftriebspunkt
des Außenflügels bei 1/4 der Flügeltiefe,
so ergibt sich z. B. bei 20 kp und einer Flügeltiefe von
1,2 m am Außenflügel bzw. Schränkungshebel
ein Drehmoment von 6 kpm. Bei überhöhter positiver
Last, z. B. ab einem Drehmoment am Außenflügel
von 15 kpm, gibt der Schränkungshebel nach, so dass der
Außenflügel, wie bei Flexiblen auch, einer solchen Überlast
ausweichen kann (Überlast-Schutz). Dies begrenzt die auf
den Flügel wirkenden maximalen Biege- und Torsions-Momente.
Damit müssen die hauptsächlich beanspruchten Bauteile,
die äußeren Flügelrohre und die Querrohre,
gegenüber Flexiblen trotz erhöhter Spannweite
nicht bzw. kaum stärker ausgelegt werden, so dass das Gewicht
des Gerätes hierdurch nicht erhöht wird.
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Die
durch solche Ausweichbewegungen der Schränkungshebel entstehende
Lockerung des Kontrollseils wird durch einen Spanner am Kielrohr
(vorzugsweise ein vorgespanntes Gummiseil) ausgeglichen, der das
Kontrollseil in der Mitte nach vorne straff hält. Dadurch
wird das Steuersystem gleichzeitig ohne Einwirkung des Piloten in
seine Neutralstellung gebracht. In der Mitte ist das Kontrollseil
geteilt (Kauschen), um Knickschäden zu vermeiden. Damit das
Steuerseil den Ausgleichsbewegungen des Kontrollseils bei Überlast
ohne wesentliche Längendehnung folgen kann, greift es an
der Kontrollseil-Mitte an, wird von dort über die äußeren
Enden der Querrohre umgelenkt, bevor es dann durch die Trapez-Seitenrohre
zur Steuerhülse läuft. Wegen der vielen Umlenkungen
(in den Trapezecken, am Kielrohr und an den Querrohren) ist ein
weiches Steuerseil (z. B. aus Polyester) zu verwenden.
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Das
Steuerseil muss genügend fest sein, um die Steuerkräfte
sicher übertragen zu können. Bei einem Riss des
Steuerseils bleibt dem Piloten als Notlösung die Kurvensteuerung
durch seitliche Gewichtsverlagerung. Außerdem lassen sich
die Seile zur Veränderung der Profilwölbung so
führen, siehe unten, dass eine asymmetrische Wölbung
erzeugt und so notfalls auch eine Kurve geflogen werden kann.
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Die
vom Piloten im Trapez durch eine seitliche Auslenkung A seines Gewichtes
G über die Steuerhülse aufzubringende Steuerkraft
K errechnet sich bei einer Länge L der Pilotenaufhängung
(Abstand Kielrohr – Pilotenschwerpunkt) nach K = G·A/(L2 – A2)½. Sie beträgt z. B. bereits
bei einer Auslenkung von nur 10 cm, einem Gewicht von Pilot und
Gurtzeug von 90 kp und einer 110 cm langen Pilotenaufhängung
gut 8 kp, bei einer Auslenkung um 20 cm sind es schon bald 17 kp.
Da die Stellwege an den Schränkungshebeln klein sind (um
die 10 cm), lassen sich die Stellkräfte dort bei genügend
verschiebbarer Steuerhülse durch eine Untersetzung im Steuerseil (z.
B. Flaschenzug) ggf. noch erhöhen (verdoppeln).
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Durch
die kraftschonende Kurvensteuerung über kleine Verschiebungen
der Steuerhülse kann der Pilot, wie auch bei den Starren,
eine aerodynamischere Haltung (anliegendere Arme) annehmen.
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Da
sich die äußeren Schränkungsanschläge Flexibler
mit ihren Abspannseilen leicht zu drehstabgefederten Schränkungshebeln
umbauen lassen, bietet sich die obige Ausführung des neuen
Konzepts auch zur Umrüstung von Flexiblen an. Neben der
Realisierung der Schränkungshebel sind ggf. die inneren
Schränkungsanschläge elastisch so zu fixieren, dass
diese das Segel auch gegen Auftriebskräfte in seiner gewünschten
Lage halten. Zudem ist die Trapezbasis mit einer Steuerhülse
zu versehen und es sind die Kontroll- und Steuerseile zu verlegen.
Wird eine hohe Segelspannung beibehalten, kann auf die Drehstab-Federn
verzichtet werden, wenn das Segel auch unter Last die Schränkungshebel
unten hält. Die 'Variable Geometrie' (VG) kann ausgebaut
werden.
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Eine ähnliche
Umrüstung eines Starren ist möglich, wenngleich
aufwendiger, obwohl wegen des Wackel-Trapez, siehe oben, auf die
Steuerhülse verzichtet werden kann.
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Der
Nachteil drehstabgefederter Schränkungshebel als auch solcher,
die durch eine hohe Segelspannung unten gehalten werden, besteht
darin, dass bei der Steuerung gegen die Feder- bzw. Spannkräfte
gearbeitet werden muss, was höhere Steuerkräfte
verlangt. Dies kann allerdings durch eine flache Federcharakteristik,
wenn sich also die Federkraft mit dem Federweg nur wenig ändert
(z. B. lange Drehstab-Feder), abgemildert werden.
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Durch
den nach 10 alternativ konstruierten
Schränkungshebel wird dies vermieden. Die notwendige Kraft,
um die Schränkungshebel gegen den Auftrieb unten zu halten,
wird nicht durch Drehstab-Federn sondern durch die Stützkraft
von Knick-Streben aufgebracht, die durch ein Spannseil erzeugt wird,
das die Schränkungshebel bzw. ihre Knick-Streben miteinander
verbindet, siehe 9. Dieses Spannseil wirkt entsprechend
dem Kontrollseil wie ein Differential: Das Spannseil folgt einer
gegensinnigen Veränderung der Schränkung der Außenflügel,
ohne dass dessen Spannkraft am Kontrollseil wahrzunehmen ist. Damit
auch hier die Schränkungshebel einer Überlast
ausweichen können, wird das Spannseil durch einen Spanner
am Kielrohr nach vorne gezogen, der dann bei Überlast nachgibt.
Da das Spannseil an den Außenflügels (und am Spanner)
umgelenkt wird, besteht es aus weichem Material (z. B. Polyester).
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Die
Knick-Streben ersetzen bei dieser Konstruktion der Schränkungshebel
die Abspannseile, was mehr Aufwand und mehr Gewicht bedeutet. Ein weiterer
Nachteil besteht in einer, wenn auch geringen, zusätzlichen
Belastung (Knicklast) der Flügelrohre und Querrohre durch
das Spannseil.
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4.2 Veränderbare Profilwölbung
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Die
Flexibilität der Flügelkonstruktion wird auch
für eine Veränderung der Profilwölbung
des Innenflügels genutzt.
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Dazu
sind die inneren Segellatten im hinteren Bereich (hinter den inneren
Querstreben) besonders biegsam ausgeführt (Carbon) und
in einem geeigneten Abstand von der Segel-Hinterkante (ca. 1/4 bis
1/5 der Flügeltiefe) durch Wölb-Streben so miteinander
verbunden, dass diese auch unter Last das Segeltuch noch nicht berühren,
siehe 11 und 12.
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Einige
(2 bis 3) der unteren Segellatten und die Wölb-Streben
sind mit Wölb-Hebeln versehen, an denen dann über
Wölb-Seile der hintere Bereich des Innenflügels
etwas nach unten gezogen werden kann. Da der vordere Bereich des
Innenflügels aufgrund der Rippen und inneren Querstreben
fest verbleibt, wird die Profilwölbung des Innenflügels
erhöht, wenn dieser hinten herunter gezogen wird.
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Die
Wölb-Seile sind so an die Trapezbasis zu führen,
dass sie vom Piloten im Flug gespannt werden können, z.
B. ähnlich wie die VG Flexibler aus einer (der rechten)
Trapez-Ecke heraus, oder durch einen Schlitz in der Steuerhülse
aus der Mitte der Trapez-Basis heraus. In 11 und 12 sind
alternative Möglichkeiten der Seilführung angegeben.
Können die beiden seitlichen Wölb-Seile vom Piloten wahlweise
auch einzeln betätigt werden, so lassen sich durch asymmetrische
Wölbungen notfalls (bei Ausfall der regulären
Kurvensteuerung) auch Kurven fliegen.
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Die
oben ausgeführte Erhöhung der Profilwölbung
führt zu einer Erhöhung des Anstellwinkels. Da
dies nur den Innenflügel betrifft, bedeutet dies gleichzeitig
eine Erhöhung der Flügelschränkung, nicht
jedoch automatisch eine (entsprechende) Erhöhung des aufrichtenden
Momentes, da sich mit einer Wölbung vor allem der hinteren
Profilkontur der Auftriebspunkt (Neutralpunkt) des Flügels
nach hinten verschiebt. Diese Auswirkungen auf die Geometrie und
das Verhalten des Flügels sind zu tolerieren bzw. durchaus
erwünscht.
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Neben
einem Herunterziehen des hinteren Innenflügels ist auch
ein Hochziehen vom Kielrohr aus denkbar, angedeutet in 12.
Dies bewirkt ein Verringerung der Flügelschränkung,
gleichzeitig aber die Entstehung eines S-Schlag-Profils, so dass
auch hierbei das aufrichtende Moment bzw. die notwendige Nick-Stabilität
erhalten bleiben dürfte. Genaueres bleibt Berechnungen
und Messungen vorbehalten.
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Um
den hinteren Bereich des Innenflügels wie oben verformen
zu können, darf der Flügel hinten nicht mit dem
Kielrohr verbunden sein, sondern das Kielrohr muss dort klar oberhalb
des Flügels verlaufen. Dies macht ein Nachrüsten
Flexibler mit einer solchen Wölbungsmechanik äußerst
schwierig, da die schwimmenden Kielrohre Flexibler immer fest mit der
Segel-Hinterkante verbunden sind und unterhalb der Querrohre verlaufen.
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Des
weiteren müssen sich bei einer solchen Veränderung
der Profilwölbung die Hinterkanten von Ober- und Untersegel
in Längsrichtung (Richtung Kielrohr) gegenseitig verschieben
können, siehe 12. Mit zunehmender Wölbung
kommt das Untersegel unter dem Obersegel (weiter) hervor. Die Hinterkanten
dürfen daher zumindest im Wölbungsbereich des
Flügels (Innenflügel) nicht oder nur mit entsprechendem
Spielraum miteinander vernäht sein. Hier wird von einem
Segel ausgegangen, das noch über den Bereich der unteren
Segellatten des Innenflügels hinaus hinten offen ist (Ober-
und Untersegel nicht miteinander vernäht), wie übrigens
bei Starren üblich. Außerdem ist die Hinterkante
des Obersegels mit den Segellatten so elastisch zu verbinden, dass
eine solche Verschiebung gegenüber dem Untersegel möglich
ist.
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4.3 Baumerkmale eines Semiflexiblen
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Das
vorgeschlagene Konzept in seiner Ausführung als Semiflexibler
enthält zunächst folgende, oben bereits genannte
Abweichungen von der Struktur Flexibler:
- – Für
die Kurvensteuerung:
- • Schränkungshebel statt äußere
Schränkungsanschläge.
- • Rippen statt innere Schränkungsanschläge.
- • Einzug eines Kontroll-, Steuer- und Spannseils.
- • Einsatz einer Steuerhülse auf der Trapez-Basis.
- • Nach oben schwenkbare Randbögen.
- – Für die Flügelwölbung:
- • Im hinteren Bereich des Innenflügels besonders flexible
Segellatten.
- • Deutlich über der Segel-Hinterkante verlaufendes
Kielrohr.
- • Einsatz von Wölb-Hebeln, -Streben und -Seilen.
- • Am Innenflügel hinten offenes Segel.
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Folgende
weitere Baumerkmale und konstruktive Ausführungen sind
zu beachten:
- • Die äußeren
Querstreben sind mit den Schränkungshebeln in geeignete
Weise, wie bei Flexiblen, zu verbinden.
- • Die Rippen sind an den Querrohren möglichst
in der Nähe ihrer Verbindungen (Gelenke) mit den inneren
Flügelrohren anzubringen, damit die auf Knick belasteten
Querrohre möglichst wenig ein zusätzliches Torsionsmoment
aufnehmen müssen.
- • Die mit den Rippen verbundenen inneren Querstreben
sollten sich innen entweder am Kielrohr abstützen, oder
ggf. am Querrohr in der Nähe des Querrohr-Gelenks, damit
auf das Querrohr möglichst kein Biegemoment zusätzlich
einwirkt.
- • Die inneren und äußeren Querstreben
sowie die Wölb-Streben sollten trotz der notwendigen Festigkeit
möglichst leicht sein (Carbon), damit der Schwerpunkt des
Gerätes zur Sicherung der Nick-Stabilität möglichst
weit vorne liegt.
- • Die Querstreben und Wölb-Streben sind mit
den oberen und unteren Segellatten so zu verbinden, dass sie sich
unter Last weder in das obere noch untere Segel drücken.
Für
diese Verbindungen sind daher Abstandshalter vorgesehen, die sowohl
bei Auftrieb als auch bei Abtrieb den vorgegebenen Abstand der Streben
zu den Latten einhalten. Hierzu sind ggf. auch Druckkräfte
aufzunehmen.
Die Verbindungen der Wölb-Streben mit
den oberen Latten müssen wegen der Verschiebung zwischen
Ober- und Untersegel bei der Wölbungsverstellung entsprechend
beweglich sein.
- • Die über die Trapez-Basis geschobene Steuerhülse
muss aufgrund der notwendigen Stellkräfte und Stellwege
seitlich genügend (ca. 20 bis 40 cm) verschiebbar sein.
Außerdem muss sie einen genügenden (ca. 50 cm)
Griffbereich aufweisen. Hieraus ergibt sich, dass die Trapez-Basis über eine
genügende (ca. 70 bis 90 cm) Länge stetig (gerade
oder gleichmäßig gebogen) verlaufen muss.
- • Sind die Wölb-Seile aus der Mitte der Trapez-Basis
zu ziehen, muss die Steuerhülse im mittleren Bereich (über
ca. 20 bis 40 cm) hinten offen sein.
- • Im Zielkonflikt 'Geringerer Luftwiderstand eines Turmlosen – Geringeres
Gewicht eines Turmgerätes' wird die Konstruktion mit Turm
bevorzugt.
- • Die Aerodynamik einer Höhenflosse am Ende des
Kielrohrs, siehe 3 und 9, erhöht
bei entsprechender Anstellung die Nick-Stabilität bei 'Nurflüglern'.
Bei Hängegleitern, bei denen der Pilot nicht fest mit dem
Gerät verbunden ist, sondern lose unter ihm hängt,
führen negative Lasten zu einer Verschiebung des wirksamen
gemeinsamen Schwerpunktes von Gerät und Pilot in Richtung
des Schwerpunktes des Gerätes. Je weiter dieser hinten
liegt, z. B. aufgrund einer Heckflosse, desto geringer wird die
Nick-Stabilität. Daher ist eine Heckflosse nur zu empfehlen,
wenn dabei der Schwerpunkt des Gerätes vor dem Aufhängepunkt
des Piloten, zumindest aber vor dem Abtriebspunkt der Fläche
(bei deutlich negativen Anströmwinkeln etwa der Flächenschwerpunkt), bleibt.
Bei
der Verwendung einer Heckflosse muss das Kielrohr die an der Heckflosse
entstehenden Kräfte aufnehmen können.
-
5 Durch die Erfindung erzielte Vorteile
-
Zusammenfassend
die durch die Erfindung 'Semiflexibler' bzw. durch die hiermit zusammenhängende
Gruppe von Erfindungen erzielten Vorteile gegenüber Flexiblen
und Starren:
- – Gegenüber
Flexiblen:
- • Aufgrund der aerodynamischen Kurvensteuerung durch
Schränkungshebel:
- • Hohe Leistung bei gleichzeitig hoher Wendigkeit. Dadurch
u. a. bessere Nutzung von Thermik.
- • Höhere Leistung durch größere
steuerbare Spannweite (Streckung).
- • Höhere Leistung durch geringere Schränkung bzw.
günstigeren Schränkungsverlauf aufgrund eines
durch die Rippen definierteren Flügels (anstatt der Wölbung
der Segel-Hinterkante bei inneren Schränkungsanschlägen).
- • Höhere Leistung durch aerodynamischere Haltung
des Piloten (anliegendere Arme) beim Steuern.
- • Höhere Leistung bzw. längere Flüge
durch die kraftschonende aerodynamische Steuerung.
- • Gewichtsersparnis durch leichteres Tuch aufgrund
einer geringeren Segelspannung.
- • Aufgrund der veränderbaren Profilwölbung:
- • Leichteres Landen durch geringere Mindestgeschwindigkeit.
- • Bessere Nutzung von Thermik durch geringere Mindestgeschwindigkeit.
- • Sowohl aufgrund der aerodynamischen Kurvensteuerung
als auch der veränderbaren Profilwölbung:
- • Höhere Leistung durch geringeren Widerstand des
in Anströmrichtung verlaufenden Kielrohres (statt eines
Anströmwinkels von 10 bis 15 Grad).
- • Wegfall der 'Variablen Geometrie (VG)'.
- – Gegenüber Starren:
- • Reduzierter Leistungsabstand durch Annäherung
in den Leistungsparametern 'Streckung', 'Pfeilung' und 'Schränkung'
bzw. 'Flügeldefinition'.
- • Erhalt des geringeren Preises durch geringeren Herstellungsaufwand
aufgrund umfangreicher Verwendung industriell konfektionierter Materialien.
-
Folgende
zusammenhängende Patentansprüche werden aufgrund
der Beschreibung der Erfindung erhoben auf:
- • Das
erdachte Gesamtkonzept und der daraus entstandene 'Semiflexible',
ein neuer Typ eines Hängegleiters, siehe 3, 9 und 11.
- • dessen neue Komponenten und deren Funktionsweisen,
insbesondere
- • steuerbare Schränkungshebel mit Überlast-Schutz,
siehe 4 bis 6 und 10,
- • System aus Kontroll-, Steuer- und ggf. Spannseil,
siehe 3 und 9,
- • Steuerhülse, siehe 3 und 7 bis 9,
- • System aus Wölb-Hebel, -Streben und -Seilen, siehe 11 und 12,
- • Rippen mit Querstreben, siehe 3, 9, 11 und 12,
- • die erdachten Ausführungen dieser Komponenten
und
- • die teilweise Verwendung' dieser Komponenten bzw.
Ausführungen bei den bisherigen Typen von Hängegleitern,
den 'Flexiblen' und den 'Starren'.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006059111
A1 [0015]
- - DE 20017488 U1 [0021]