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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schubvektorsteuerung für ein Fahrzeug mit Fluidantrieb, ein Fahrzeug mit einem Fluidantrieb und ein Verfahren zum Steuern eines fluidgetriebenen Fahrzeugs.
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Eine Schubvektorsteuerung wird z. B. verwendet, um Fahrzeuge in eine bestimmte Richtung zu steuern. Beispielsweise werden Schubvektorsteuerungen bei Flugzeugen oder auch Raketen verwendet. Außerdem werden Schubvektorsteuerungen auch bei Wasser- bzw. Landfahrzeugen verwendet, z. B. bei jetgetriebenen Booten oder auch bei sogenannten Sumpfbooten, bei denen eine Propellereinrichtung einen rückwärtsgerichteten Luftstrahl erzeugt, der mittels vertikaler Klappen seitlich ausgelenkt werden kann, um das Sumpfboot zu steuern. Bei Flugzeugen, beispielsweise düsengetriebenen Kampfjets, werden Schubvektorsteuerungen zur Erhöhung der Steuerbarkeit, d. h. zusätzlich zu Stellklappen des Leitwerks verwendet. Bei Raketen wird eine Schubvektorsteuerung beispielsweise auch als alleiniges Mittel für die Steuerbarkeit verwendet. Die Schubvektorsteuerung ist jedoch nur dann effektiv einsetzbar, wenn eine Antriebseinheit einen entsprechenden Schubstrom zur Verfügung stellt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Schubdüsen insbesondere bei Flugzeuganwendungen nur einen relativ kleinen Bewegungsspielraum aufweisen und so eine mögliche Ablenkung des Schubstroms nur in einem geringen Winkelsegment zur Verfügung stellen. Außerdem bedeutet eine beispielsweise durch Stellklappen herbeigeführte Umlenkung des Schubstroms auch immer einen nicht unerheblichen Verlust an Schubkraft aufgrund der entstehenden aerodynamischen, bzw. bei Jetantrieben hydrodynamischen, Verwirbelungen.
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Die
US 2010/0281874 A1 befasst sich mit einem senkrecht startenden Flugzeug und beschreibt eine Schubstromvektorsteuerung für einen nach unten gerichteten Schubstrom, wobei eine Vielzahl von sich drehenden Zylindern vorgesehen ist, die alle vollständig im Schubstrom angeordnet sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Schubvektorsteuerung zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Steuerbarkeit bei möglichst reduziertem Verlust der Schubkraft gewährleistet und gleichzeitig die Steuerbarkeit auch bei niedrigem Triebwerksschub zur Verfügung stellt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schubvektorsteuerung für ein Fahrzeug mit Fluidantrieb, durch ein Fahrzeug mit einem Fluidantrieb und durch ein Verfahren zum Steuern eines fluidgetriebenen Fahrzeugs nach einem der unabhängigen Ansprüche erreicht. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Schubvektorsteuerung für ein Fahrzeug mit Fluidantrieb vorgesehen. Die Schubvektorsteuerung weist einen Schubstrombereich für einen Schubstrom eines Antriebsstrahls auf, der eine Strömungsrichtung aufweist. Außerdem weist die Schubvektorsteuerung eine Lenkvorrichtung für den Schubstrom auf. Die Lenkvorrichtung weist mindestens eine Lenkeinrichtung auf, die zumindest in einem Randbereich des Schubstrombereichs angeordnet ist. Die wenigstens eine Lenkeinrichtung weist einen von einem Antrieb angetriebenen Rotationskörper mit einer Mantelfläche und einer Rotationsachse auf, die quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Eine dem Schubstrom ausgesetzte Mantellinie des Rotationskörpers verläuft in Richtung des Randbereichs. Ein erster Teil der Mantelfläche befindet sich wenigstens in dem Randbereich des Schubstrombereichs und ist dem Schubstrom ausgesetzt. Der Rotationskörper ist derart antreibbar, dass sich der dem Schubstrom ausgesetzte erste Teil der Mantelfläche in einer ersten Rotationsrichtung in Richtung des Schubstroms dreht, wobei damit ein Magnuseffekt erzeugbar ist zum Ablenken des Schubstroms.
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Der Rotationskörper dreht sich beispielsweise mit einer Umfangsgeschwindigkeit, die größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Schubstrombereichs, welcher die Mantelfläche ausgesetzt ist.
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Gemäß einem Beispiel beträgt die Umfangsgeschwindigkeit das drei bis vierfache der Strömungsgeschwindigkeit.
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Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Umfangsgeschwindigkeit kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit, um eine Ablenkung zu bewirken.
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Die „Mantellinie” verläuft quer zur Umfangsrichtung und quer zum Radius. Die Mantellinie kann eine Gerade sein oder auch eine polygonale Linie oder eine gekrümmte bzw. geschwungene Linie. Mit anderen Worten, der Rotationskörper kann ein Zylinder, ein Kegelsegment oder auch ein mit einem anderen Profil ausgestatteter rotationssymmetrischer Körper sein.
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Der Begriff „in Richtung” umfasst sowohl eine parallele Ausrichtung sowie auch eine schräg bzw. geneigt zueinander verlaufende Ausrichtung, z. B. in einem Winkel von bis zu 5° oder auch in einem Winkel bis zu 10° oder auch in einem Winkel bis zu 30°.
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Der Begriff „erster Teil” bezieht sich auf den Bereich des Rotationskörpers in nicht drehendem Zustand. Wenn sich der Rotationskörper dreht, wandert der „erste Teil” nicht mit, sondern bezeichnet das jeweilige Segment, das in seiner Lage der Lage des „ersten Teils” entspricht.
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Durch das Vorsehen eines angetriebenen Rotationskörpers, beispielsweise eines schnell rotierenden Zylinders, wird ein Magnuseffekt erzeugt, der das Strömungsfeld, d. h. den Schubstrom, zur Seite ablenkt. Mit anderen Worten, der Magnuseffekt, der durch den rotierenden Zylinder entsteht, führt eine Steuerung des Richtungsvektors des Schubstroms herbei, d. h. eine Schubvektorsteuerung.
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Der Schubstrombereich ist zumindest teilweise durch einen Auslassrand begrenzt, der eine Auslassöffnung für den Schubstrom des Antriebsstrahls aufweist.
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Gemäß der Erfindung ist der Schubstrombereich zumindest teilweise von einem Auslassrand begrenzt, der eine Auslassöffnung für den Schubstrom des Antriebsstrahls aufweist, wobei die Lenkvorrichtung den aus der Auslassöffnung austretenden Schubstrom lenkt. Dazu ist die wenigstens eine Lenkeinrichtung in einem Randbereich des Auslassrandes angeordnet, und eine dem Schubstrom ausgesetzte Mantellinie des Rotationskörpers verläuft in Richtung des Randbereichs des Auslassrandes.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Schubstromerzeuger vorgesehen, der den Schubstrom erzeugt.
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Beispielsweise handelt es sich bei dem Schubstromerzeuger um einen Propeller oder eine Turbine zur Erzeugung eines Luft- bzw. Abgasgemisch-Stroms. Bei dem Schubstromerzeuger kann es sich auch um einen Jetantrieb handeln, bei dem durch eine Pumpvorrichtung ein Wasserstrahl als Schubstrom erzeugt wird.
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Die Lenkvorrichtung ist derart angeordnet, dass zumindest ein Teil der Mantelfläche wenigstens dem Rand des Schubstroms ausgesetzt ist.
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Die Bezeichnung „zumindest ein Teil der Mantelfläche” umfasst auch das vollständige Aussetzen der Mantelfläche dem Luftstrom, was auch weiter unten im Zusammenhang mit Leitblechen vor einem Teil der Mantelfläche beschrieben wird.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Lenkvorrichtung eine erste Lenkeinrichtung und eine zweite Lenkeinrichtung auf, die an gegenüberliegenden ersten und zweiten Randbereichen angeordnet sind und unabhängig voneinander antreibbar sind.
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Die Lenkvorrichtung kann auch eine dritte und vierte Lenkeinrichtung aufweisen, die an zwei gegenüberliegenden Randbereichen angeordnet sind, welche zwischen den ersten und zweiten Randbereichen angeordnet sind. Darüber hinaus kann selbstverständlich auch eine Vielzahl von weiteren Lenkeinrichtungen vorgesehen sein, um beispielsweise entlang einer polygonal geschnittenen Öffnung für den Auslass eines Schubstroms eine umlaufende Steuermöglichkeit bzw. Schubvektorsteuerung zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß der Erfindung weist die Lenkvorrichtung wenigstens ein Leitblech auf, das entlang einer Schwenkachse verstellbar ist, welche quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist.
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Bei dem Leitblech handelt es sich beispielsweise um die bisher verwendeten Stellelemente, die in Ergänzung mit dem durch den Rotationskörper hervorgerufenen Magnuseffekt eine zusätzliche Ablenkung, d. h. eine weiter verbesserte Schubvektorsteuerung zur Verfügung stellt.
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Beispielsweise können zwei Leitbleche an gegenüberliegenden Bereichen des Schubstroms vorgesehen sein. Darüber hinaus kann auch eine Vielzahl von umlaufend angeordneten Leitblechen um eine Auslassöffnung des Schubstroms vorgesehen sein.
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Die Leitbleche können neben dem oder den Rotationskörpern vorgesehen sein, oder auch, auf die Strömung des Schubstroms bezogen, vor oder hinter dem bzw. den Rotationskörpern.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Leitblech im Bereich des Rotationskörpers im Schubstrombereich mit Abstand zum Rotationskörper angeordnet.
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Durch Vorsehen eines Abstands zwischen einem oder mehreren Leitblechen und einem oder mehreren Rotationskörpern wird gewährleistet, dass der Schubstrom auf möglichst gesamter Querschnittsfläche entsprechend der gewünschten Steuerung abgelenkt wird.
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Beispielsweise können das Leitblech, oder die Leitbleche, in der Auslassöffnung mit Abstand zum Rotationskörper angeordnet sein.
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Als weiteres Beispiel ist eine Konfiguration vorgesehen, bei der die Schubvektorsteuerung neben dem oder den Rotationskörpern Leitbleche aufweist: Wenn diese, d. h. die Leitbleche in Neutralstellung sind, d. h. in Richtung des Schubstroms des Antriebsstrahls ohne Ablenkung, haben die rotierenden Zylinder keinen oder nur einen geringen Effekt, d. h. es erfolgt keine oder nur eine geringe Ablenkung. Ab einem bestimmten Ausschlag der Leitbleche, z. B. schon bei geringem Abweichen von der Neutralstellung, wird die Effektivität der Leitbleche durch den Magnuseffekt proportional verstärkt, bis zu der Stellung, in der die Leitbleche nahezu an der Mantelfläche anliegen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein dem ersten Teil gegenüberliegender zweiter Teil des Rotationskörpers mit einer Abschirmung versehen, die den zweiten Teil von dem Schubstrom abschirmt, wobei sich der zweite Teil bei Antrieb des ersten Rotationskörpers in der ersten Rotationsrichtung entgegen der Richtung des Schubstroms dreht.
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Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Rotationskörper auch mitten in dem Schubstromquerschnitt anzuordnen, d. h. der Rotationskörper wird auf beiden Seiten von dem Schubstrom umströmt, wobei die Abschirmung auf der einen Seite verhindert, dass es zu ungünstigen Verwirbelungen kommt, während die freie Seite, d. h. der erste Teil, auf den Schubstrom durch den Magnuseffekt einwirkt, um den Schubstrom abzulenken. Mit einer Abschirmung versehen kann demnach der Rotationskörper, abweichend von dem zuerst genannten Aspekt auch mitten im Schubstrom angeordnet werden, wobei sich der Begriff „Randbereich” dann auf den Bereich des Schubstroms bezieht, der auf der nicht abgeschirmten Seite liegt; d. h. der Strombereich, der durch die Abschirmung sozusagen vorbeigeleitet wird, wird bei dem Merkmal des Randbereichs gedanklich ausgeblendet.
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Die Abschirmung kann in ihrer Drehwinkellage verstellbar sein. Alternativ oder ergänzend kann die Abschirmung auch in ihrer Winkelerstreckung verstellbar sein.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Rotationskörper innerhalb des Schubstrombereichs mit Abstand zum Randbereich des Schubstrombereichs angeordnet.
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Beispielsweise ist der Rotationskörper mit Abstand zum Auslassrand angeordnet.
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Es können auch mehrere Rotationskörper nebeneinander, oder auch hintereinander, oder auch versetzt vorgesehen sein, um den Schubstrom abzulenken. Insbesondere können dabei auch unterschiedliche Ausrichtungen der Rotationsachsen, bzw. verschiedene Ausrichtungen der wirksamen Oberflächen des jeweiligen Rotationskörpers vorgesehen sein, um den Schubstrom abzulenken, z. B. zwei Rotationskörper mit einer zur Rotationsachse geneigten Oberfläche, z. B. Kegelstumpfsegmente, die gegensinnig geneigt angeordnet sind.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Fluidantrieb in Form eines Triebwerks für ein Luftfahrzeug vorgesehen, wobei der Schubstrom durch das Triebwerk erzeugt wird.
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Bei dem Triebwerk kann es sich beispielsweise um ein Turbinentriebwerk handeln, aber auch um eine Vorrichtung, bei der mittels eines Propellers ein Luftstrom für den Schubstrom erzeugt wird.
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Der Begriff „Luftfahrzeug” umfasst z. B. unbemannte und bemannte Flugzeuge, Raumschiffe sowie auch Raketen. Der Begriff Luftfahrzeug umfasst demnach auch Luftgeräte.
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Die Auslassöffnung bildet beispielsweise eine Schubdüse eines Kampfjets.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Fluidantrieb in Form eines Jetantriebs für ein Wasserfahrzeug vorgesehen, wobei der Schubstrom ein Wasserstrahl ist.
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Der Begriff „Wasserfahrzeug” umfasst z. B. Sportmotorboote, Rettungsmotorboote, Rennmotorboote und Jetboote (bekannt z. B. unter dem Markennamen Jet-Ski).
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Die erfindungsgemäße Schubvektorsteuerung ist darüber hinaus auch für Sumpfboote und Luftkissenboote vorgesehen, bei denen der Vortrieb durch einen Luftstrom erzeugt wird und eine Ablenkung des Luftstroms eine Lenkbewegung des Fahrzeugs, d. h. des Sumpfboots oder eines Luftkissenboots, bewirkt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist auch ein Fahrzeug mit einem Fluidantrieb und wenigstens einer Schubvektorsteuerung nach einem der oberhalb beschriebenen Beispiele vorgesehen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Steuern eines fluidgetriebenen Fahrzeugs vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist: a) Erzeugen eines Schubstroms eines Antriebsstrahls; b) Leiten des Schubstroms in einem Schubstrombereich; und c) Antreiben wenigstens eines Rotationskörpers, der eine Mantelfläche und eine Rotationsachse aufweist, die quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist, und der in einem Randbereich des Schubstrombereichs angeordnet ist. Eine Mantellinie des Rotationskörpers verläuft in Richtung des Randbereichs, und ein Teil der Mantelfläche ist dem Schubstrom ausgesetzt. Der Rotationskörper wird derart angetrieben, dass der dem Schubstrom ausgesetzte Teil der Mantelfläche in Richtung des Schubstroms gedreht wird und einen Magnuseffekt erzeugt zum Ablenken des Schubstroms.
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Beispielsweise wird in Schritt b) der Schubstrom durch eine Auslassöffnung geleitet, die von einem Auslassrand gebildet wird, wobei in Schritt c) der Rotationskörper in einem Randbereich des Auslassrandes angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist auch die Verwendung einer Schubvektorsteuerung für ein Luftfahrzeug mit Fluidantrieb vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein rotierender Rotationskörper bei einem Schubstrom eingesetzt, um mittels des Magnuseffekts eine Ablenkung des Luftstroms bzw. des Schubstroms zu erreichen. Aufgrund des Magnuseffekts kommt es dabei nur zu minimalen Leistungseinbußen der Schubkraft des Schubstroms. Da der Magnuseffekt auch bereits bei geringen Luftgeschwindigkeiten bzw. Fluidgeschwindigkeiten auftritt, ist bereits bei niedrigen Schubkräften eine Steuerbarkeit gegeben. Da mittels des Magnuseffekts eine im Vergleich zu konventionellen Steuerklappen verbesserte, d. h. über einen größeren Winkelbereich mögliche Ablenkung zur Verfügung gestellt wird, ist insgesamt eine erhöhte Steuerbarkeit beispielsweise auch bei niedrigem Triebwerksschub gegeben, z. B. bei einem Landeanflug oder bei Ausfall eines von mehreren Triebwerken. Die erfindungsgemäße Schubvektorsteuerung kann in verschiedene Richtungen durch Anordnen entsprechender Rotationskörper zur Verfügung gestellt werden, so dass es möglich ist, auf zusätzliche Seiten- oder Höhenruder bei Luftfahrzeugen zu verzichten und trotzdem unterschiedliche Flugmanöver steuern zu können, wie z. B. der erwähnte Landeanflug. Die erfindungsgemäße Schubvektorsteuerung kann bei einem Luftfahrzeug auch für die Stabilisierung des Luftfahrzeugs verwendet werden, so dass auf ein konventionelles Leitwerk völlig verzichtet werden kann.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Ausführungsbeispiele und Aspekte der Vorrichtungen auch für Ausführungsformen des Verfahrens sowie Verwendung der Vorrichtung gelten und umgekehrt. Außerdem können auch diejenigen Merkmale frei miteinander kombiniert werden, bei denen dies nicht explizit erwähnt ist.
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
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1a eine Schubvektorsteuerung für ein Fahrzeug mit Fluidantrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Längsschnitt in Richtung des Schubstroms;
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1b eine schematische Perspektivansicht der Schubvektorsteuerung aus 1a;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schubvektorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schubvektorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schubvektorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schubvektorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6a–c weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Schubvektorsteuerung;
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7 ein Ausführungsbeispiel eines Luftfahrzeugs mit einer Schubvektorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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8 ein Ausführungsbeispiel für ein Sumpfboot mit einer Schubvektorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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9 ein Ausführungsbeispiel für ein Wasserfahrzeug mit einem Jetantrieb und einer Schubvektorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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10 Verfahrensschritte eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern eines fluidgetriebenen Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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11 ein Diagramm mit einer Gegenüberstellung von Seitenkraft und Schubwinkel für eine konventionelle Schubvektorsteuerung und eine Schubvektorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine Schubvektorsteuerung 10 für ein Fahrzeug mit Fluidantrieb. Die Schubvektorsteuerung 10 weist einen Schubstrombereich 12 für einen Schubstrom 14 eines Antriebsstrahls auf, der eine Strömungsrichtung 16 aufweist. Die Schubvektorsteuerung 10 weist außerdem eine Lenkvorrichtung 18 für den Schubstrom 14 auf, die wenigstens eine Lenkeinrichtung 20 aufweist, die zumindest in einem Randbereich 22 des Schubstrombereichs 12 angeordnet ist. Die Lenkeinrichtung 20 weist einen mit einem Antrieb 24 angetriebenen Rotationskörper 26 mit einer Mantelfläche 28 und einer Rotationsachse 30 auf, die quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist. Der Antrieb 24 ist in 1a nicht gezeigt, sondern lediglich in 1b schematisch angedeutet.
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Eine dem Schubstrom ausgesetzte Mantellinie 32 (siehe die gestrichelte Linie in 1b) des Rotationskörpers verläuft in Richtung des Randbereichs. Ein erster Teil 34 der Mantelfläche befindet sich wenigstens in dem Randbereich des Schubstrombereichs und ist dem Schubstrom ausgesetzt. Der erste Teil 34 ist in 1a durch eine Strichelung angedeutet, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Strichelung sozusagen auf der Innenseite der Mantelfläche dargestellt ist und nicht auf der Mantelfläche selbst, was jedoch nur zeichentechnisch bedingt ist. Selbstverständlich bezeichnet die Strichelung den außen liegenden Teil der Mantelfläche. Mit anderen Worten, die Strichelung 34 bezeichnet lediglich das Segment der Mantelfläche, welches dem Schubstrom ausgesetzt ist.
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Der Rotationskörper ist derart antreibbar, dass sich der dem Schubstrom ausgesetzte erste Teil der Mantelfläche in einer ersten Rotationsrichtung 36 in Richtung des Schubstroms dreht, und damit ein Magnuseffekt erzeugbar ist zum Ablenken des Schubstroms.
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Der Schubstrom 14 ist in 1a mit einer Reihe von Pfeilen 38 dargestellt und in 1b ebenfalls mit einer Reihe von Pfeilen 40. Diese Pfeile 38, 40 dienen lediglich dem besseren Verständnis und bedeuten nicht, dass in diesem Bereich einzeln identifizierbare Luftströmungsrichtungen vorliegen, sondern vielmehr eine Luftströmung insgesamt, die den Schubstrom darstellt. Die Umfangsgeschwindigkeit beträgt z. B. das drei bis vierfache der Strömungsgeschwindigkeit; die Umfangsgeschwindigkeit kann jedoch auch geringer sein als die Strömungsgeschwindigkeit.
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Aufgrund des sich drehenden Rotationskörpers kommt es am Rotationskörper zu einem Magnuseffekt, der eine Ablenkung des Schubstroms bewirkt, nämlich in 1a nach oben, was durch die entsprechende Verformung der Pfeilstrukturen 38 bzw. 40 in den 1a und 1b angedeutet ist.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schubstrombereich 12 zumindest teilweise durch einen Auslassrand 42 begrenzt, der eine Auslassöffnung 44 für den Schubstrom des Antriebsstrahls aufweist. Der Auslassrand 42 kann beispielsweise durch eine seitliche Fassung, beispielsweise eine umlaufende Wandung 46 zur Verfügung gestellt werden. Die Lenkvorrichtung 18 Lenkt den aus der Auslassöffnung 44 austretenden Schubstrom 14. Die wenigstens eine Lenkvorrichtung ist dabei in einem Randbereich des Auslassrandes angeordnet, und eine dem Schubstrom ausgesetzte Mantellinie des Rotationskörpers verläuft in Richtung des Randbereichs des Auslassrandes.
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Gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform ist ein Schubstromerzeuger 48 vorgesehen, der den Schubstrom erzeugt. Beispielsweise handelt es sich dabei um eine Propellereinrichtung, die den Schubstrom erzeugt oder auch um eine Turbine bzw. ein Triebwerk. Bei dem Schubstromerzeuger kann es sich auch um einen Jetantrieb bei einem Wasserfahrzeug handeln. Die Schubvektorsteuerung 10 bewirkt auch hier durch die Lenkvorrichtung 18 ein Umlenken des Schubstroms, wie dies durch die entsprechende Pfeilstruktur angedeutet ist.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Schubstromerzeuger 48 aus 3 auch mit anderen Merkmalen aus den übrigen Figuren kombiniert werden kann.
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Gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Lenkvorrichtung 18 eine erste Lenkeinrichtung 50 und eine zweite Lenkeinrichtung 52 auf, die an gegenüberliegenden ersten und zweiten Randbereichen 54, 56 angeordnet sind und unabhängig voneinander antreibbar sind. Beispielsweise lässt sich die erste Lenkeinrichtung 50, d. h. der entsprechende Rotationskörper, in die erste Richtung 36 drehen und die zweite Lenkeinrichtung 52, d. h. der entsprechende Rotationskörper, in eine zweite Richtung 58, die mit einem gestrichelten Rotationspfeil angedeutet ist.
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Das Drehen in der ersten Rotationsrichtung 36 bewirkt ein entsprechendes Ablenken der Luftströmung, dargestellt durch eine Pfeilstruktur 60 mit durchgehenden Linien. Das Drehen in der zweiten Rotationsrichtung 58 bewirkt ein entsprechend gegensinniges Ablenken des Schubstroms, was mit einer gestrichelten Pfeilstruktur 62 angedeutet ist.
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Die Rotation der beiden Rotationskörper der ersten und zweiten Lenkeinrichtung 50, 52 kann zu verschiedenen Zeiten, d. h. versetzt zueinander erfolgen sowie selbstverständlich auch gleichzeitig, falls eine entsprechende Verwirbelung aufgrund der gegensinnig abgelenkten Schubströme gewünscht ist.
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Gemäß einem weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind eine dritte und eine vierte bzw. auch weitere Lenkeinrichtungen vorgesehen, die an entsprechenden Randbereichen angeordnet sind.
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Gemäß des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels weist die Lenkvorrichtung wenigstens ein Leitblech 64 auf, das entlang einer Schwenkachse 66 verstellbar ist, welche quer zur Strömungsrichtung 16 angeordnet ist. Beispielsweise sind Leitbleche 64 vorgesehen, deren Schwenkachse 66 parallel zu den Rotationsachsen 30 der Rotationskörper angeordnet sind. Darüber hinaus ist es auch möglich, ein oder mehrere Leitbleche mit der Schwenkachse 66 sowohl quer zur Strömungsrichtung als auch senkrecht oder quer zu den Rotationsachsen 30 anzuordnen, was jedoch nicht näher dargestellt ist.
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Beispielsweise kann das Leitblech, bzw. können die Leitbleche, mit Abstand zum Rotationskörper im Schubstrombereich angeordnet sein, wie dies in 5 gezeigt ist.
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Gemäß den in 6a–c gezeigten Ausführungsbeispielen kann ein dem ersten Teil des Rotationskörpers gegenüberliegender zweiter Teil mit einer Abschirmung 68 versehen sein, die den zweiten Teil von dem Schubstrom abschirmt, wobei sich der zweite Teil bei Antrieb des ersten Rotationskörpers in der ersten Rotationsrichtung 36 entgegen der Richtung des Schubstroms 14 dreht.
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In 6a ist der erste Teil mit der aus der 1a bereits bekannten Strichelung 34 hervorgehoben, während der zweite Teil mit einer zweiten Strichelung 70 analog zur ersten Strichelung 34 hervorgehoben ist. Die Strichelungen bezeichnen die Mantelfläche bzw. einen Teil der Mantelfläche und nicht den Bereich innerhalb des Rotationskörpers.
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Wie in 6a durch eine die Luftströmung bzw. den Schubstrom darstellende Pfeilstruktur 72 angedeutet ist, erfolgt ein Umströmen des Rotationskörpers, d. h. der Lenkvorrichtung 18 auf beiden Seiten, wobei es jedoch aufgrund der Rotation des Rotationskörpers zu einem Magnuseffekt kommt und folglich zu einer in 6a nach schräg rechts oben gerichteten Umlenkung des Schubstroms 14. In 6a sind weitere Elemente, beispielsweise die in den vorhergehenden Figuren dargestellten Randbereiche, Leitbleche oder ähnliches, nicht dargestellt.
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In 6b ist in einer weiteren Ausführungsform der Abschirmung 68 angedeutet, dass diese auch mit einem aerodynamischen Profil 74 ausgebildet sein kann, um an dem Bereich der Abschirmung einen möglichst geringen Luftwiderstand für die vorbeiströmende Strömung des Schubstroms 14 darzustellen. In 6b ist der Schubstrom nicht dargestellt.
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In 6c ist ein Ausführungsbeispiel der Abschirmung 68 gezeigt, bei dem die Abschirmung in ihrer Drehwinkellage verstellbar ist, was durch einen Doppelpfeil 76 angedeutet ist. Die Abschirmung 68 kann auch in ihrer Winkelerstreckung verstellbar sein, wobei die Winkelerstreckung in 6c mit einem Winkelsymbol 78 angedeutet ist bzw. die Verstellbarkeit durch zwei Pfeile 80. Auch in 6c sind weitere Merkmale (siehe oben) nicht näher dargestellt, jedoch vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, ist der Rotationskörper innerhalb des Schubstrombereichs mit Abstand zum Randbereich des Schubstrombereichs angeordnet, wie das z. B. in 6b in Kombination mit der Abschirmung gezeigt ist, jedoch auch ohne die Abschirmung vorgesehen sein kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Schubvektorsteuerung vorgesehen, bei der ein Fluidantrieb in Form eines Triebwerks für ein Luftfahrzeug vorgesehen ist, und wobei der Schubstrom durch das Triebwerk erzeugbar ist.
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7 zeigt beispielsweise zwei Triebwerke 82 eines angedeuteten Luftfahrzeugs 84, z. B. in Form eines Kampfjets, bei dem an den hinteren Auslassöffnungen 86, aus denen der Schubstrom austritt, umlaufend mehrere Lenkvorrichtungen 18 vorgesehen sind, beispielsweise durch vier Rotationskörper 26, die eine Umlenkung des Schubstroms bewirken, wie dies oberhalb bereits ausführlich dargestellt worden ist. Selbstverständlich können zusätzlich auch noch weitere Leitbleche vorgesehen sein, die jedoch nicht näher dargestellt sind.
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Gemäß einem weiteren, nicht näher gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Luftfahrzeug vorgesehen, bei dem statt eines Turbinentriebwerks ein Propellerantrieb als Triebwerk vorgesehen ist, um den Schubstrom zu erzeugen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Rakete mit einem Raketenantrieb vorgesehen, bei dem eine Schubvektorsteuerung, wie oberhalb beschrieben, mit einem oder mehreren Rotationskörpern vorgesehen ist (jedoch nicht näher dargestellt).
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In 8 ist ein sogenanntes Sumpfboot 88 gezeigt, bei dem ein Propellerantrieb 90 den Vortrieb erzeugt. Seitlich des Propellerantriebs 90 sind zwei gegenüberliegende Rotationskörper 26 vorgesehen, um den durch den Propellerantrieb 90 erzeugten Luftstrom abzulenken, um das Boot zur einen oder anderen Seite hin manövrieren zu können.
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In 9 ist als Fluidantrieb ein Jetantrieb 92 für ein Wasserfahrzeug, beispielsweise ein Motorboot 94, gezeigt, bei dem der Schubstrom ein Wasserstrahl 96 ist. Seitlich einer Auslassöffnung 98 sind zwei Rotationskörper 26 vorgesehen, um den Wasserstrahl seitlich abzulenken, um so eine Steuerung des Motorboots 94 zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch ein Fahrzeug, beispielsweise das in 7 dargestellte Flugzeug 84, das Sumpfboot 88 aus 8 oder das Motorboot 94 aus 9, mit einem Fluidantrieb und wenigstens einer Schubvektorsteuerung 10 nach einem der oberhalb dargestellten Ausführungsbeispiele vorgesehen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die in den einzelnen Figuren beschriebenen Merkmale auch miteinander kombiniert werden können, beispielsweise der Schubstromerzeuger 48 mit den gegenüberliegenden Lenkeinrichtungen aus 4 und/oder mit den Leitblechen aus 5 und/oder auch mit der Abschirmung aus den 6a–c.
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Gemäß einem nicht separat gezeigten Beispiel, das für den Fachmann aus den Figuren jedoch ersichtlich ist, weist die Schubvektorsteuerung neben den rotierenden Zylindern (o. a. Rotationskörpern) Leitbleche auf. Solange die Leitbleche in Neutralstellung sind, haben die rotierenden Zylinder keinen oder nur einen geringen Effekt. Ab einem geringen Ausschlag der Leitbleche wird die Effektivität der Leitbleche durch den Magnuseffekt proportional verstärkt, bis die Leitbleche quasi an der Mantelfläche anliegen. Dadurch können die Zylinder (Rotationskörper) zum Beispiel zur Vorbereitung auf eine Landung schon mal hochgefahren werden, d. h. in Rotation versetzt werden. Dieses Hochfahren kann z. B. ein paar Sekunden dauern.
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In 10 ist ein Verfahren 100 zum Steuern eines fluidgetriebenen Fahrzeugs dargestellt, das die folgenden Schritte aufweist: In einem ersten Schritt 102 wird ein Schubstrom eines Antriebsstrahls erzeugt. In einem zweiten Schritt 104 wird der Schubstrom in einen Schubstrombereich geleitet. In einem dritten Schritt 106 wird wenigstens ein Rotationskörper angetrieben, der eine Mantelfläche und eine Rotationsachse aufweist, die quer zur Strömungsrichtung angeordnet ist, und der in einem Randbereich des Schubstrombereichs angeordnet ist, wobei eine Mantellinie des Rotationskörpers in Richtung des Randbereichs verläuft und ein Teil der Mantelfläche dem Schubstrom ausgesetzt ist, und wobei der Rotationskörper derart angetrieben wird, dass der dem Schubstrom ausgesetzte Teil der Mantelfläche in Richtung des Schubstroms gedreht wird und einen Magnuseffekt erzeugt zum Ablenken des Schubstroms.
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Der erste Schritt 102 wird auch als a) bezeichnet, der zweite Schritt 104 als Schritt b) und der dritte Schritt 106 als Schritt c).
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Die Schritte a) bis c) werden gleichzeitig ausgeführt, bzw. das Steuern des fluidgetriebenen Fahrzeugs setzt das Erzeugen und das Leiten des Schubstroms gemäß der Schritte a) und b) voraus, wobei eine Steuerung mittels des Schubvektors erst durch das Antreiben des Rotationskörpers in Schritt c) erfolgt. Die beiden Schritte a) und b) können folglich auch unabhängig von Schritt c) vorgesehen sein, beispielsweise für einen Antrieb des Fahrzeugs, ohne dass es dabei zu einer Steuerung kommt, da die Schubvektorsteuerung erst durch den Schritt c) zur Verfügung gestellt wird.
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In 11 ist ein Diagramm 108 gezeigt, bei dem auf einer Vertikalen 110 die Seitenkraft in Prozent der totalen Schubkraft Ftotal aufgetragen ist und in einer horizontalen Achse 112 der Schubwinkel in Grad. Mit einem ersten Kurvensegment 114 ist eine konventionelle Schubvektorsteuerung, beispielsweise eines Luftfahrzeugs, gezeigt, bei der es z. B. konstruktionsbedingt nur zu einem Bewegungsspielraum von maximal +/–25° kommt. In einem zweiten Kurvensegment 116 ist der entsprechende, mittels der vorliegenden Erfindung mögliche Schubwinkel in Zusammenhang mit der erzeugbaren Seitenkraft dargestellt.
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Wie aus den Darstellungen oberhalb in Zusammenhang mit 11 ersichtlich ist, wird mittels der vorliegenden erfindungsgemäßen Schubvektorsteuerung eine erhöhte Steuerbarkeit aufgrund eines vergrößerten Schubwinkelbereichs und einer verbesserten Seitenkraft zur Verfügung gestellt.
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Die oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiele können in unterschiedlicher Art und Weise kombiniert werden. Insbesondere können auch Aspekte des Verfahrens für Ausführungsformen der Vorrichtungen sowie Verwendung der Vorrichtungen verwendet werden und umgekehrt.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele und Aspekte beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer, oben beschriebener Ausführungsbeispiele und Aspekte verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
