DE102013013849A1

DE102013013849A1 - Landesystem für ein Luft- oder Raumfahrzeug

Info

Publication number: DE102013013849A1
Application number: DE201310013849
Authority: DE
Inventors: Detlev Konigorski
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-03-12
Also published as: US20150251561A1; CA2859855A1

Abstract

Bei einem Landesystem, das aus einem Luft- oder Raumfahrzeug und aus einer Landebahn besteht, weisen sowohl das Luft- oder Raumfahrzeug als auch die Landebahn magnetische Elemente auf. Dabei kann an Bord des Luft- oder Raumfahrzeuges supraleitendem Material und in der Landebahn wenigstens eine Quelle zur Erzeugung eines Magnetfeldes angeordnet sein. In gleicher Weise kann aber auch eine Quelle zur Erzeugung eines Magnetfeldes an Bord des Luft- oder Raumfahrzeuges und das supraleitende Material in der Landebahn angeordnet sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Landesystem, bestehend aus einem Luft- oder Raumfahrzeug sowie aus einer Landbahn.
Luft- und Raumfahrzeuge landen üblicherweise mit Hilfe eines Fahrwerks auf einer Landbahn. Das Fahrwerk stellt dabei einen physischen Kontakt zwischen der Landebahn und dem Fluggerät her. Es kann entweder aus Rädern oder aber aus feststehenden Kufen, wie beispielsweise im Fall des raketengetriebenen Experimentalflugzeuges X-15 oder auch im Fall von Wasserflugzeugen, bestehen. Kennzeichnend für alle Landeverfahren sind hohe mechanische Belastungen, die auf das Fluggerät einwirken, sowie das hohe Gewicht des Fahrwerks aufgrund bestehender Festigkeits- und Dämpfungsanforderungen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Landesystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die auf das Fluggerät sowie auf die Landebahn einwirkenden mechanischen Belastungen auf ein absolutes Minimum beschränkt sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass bei einem derartigen Landesystem sowohl das Luft- oder Raumfahrzeug als auch die Landbahn magnetische Elemente aufweisen.
In den letzten zwanzig Jahren wurde zwar bereits vermehrt darüber nachgedacht, Fahrzeuge mit Supraleitern auszurüsten, die durch eine Magnetfelderzeugung, beispielsweise in Form eines elektrodynamischen Hitzeschildes (EDH), vielfältige Aufgaben übernehmen können, so zum Beispiel die Energiespeicherung oder die Strömungskontrolle, derartige Überlegungen bezogen sich jedoch bisher nicht auf den Einsatz von Supraleitern bei mechanischen Vorgängen, wie dem Start und der Landung von Luft- und Raumfahrzeugen. Eine weitere Eigenschaft von Supraleitern ist es, dass sie nicht von Magnetfeldern durchdrungen werden können. Trifft ein Supraleiter auf ein externes Magnetfeld, so wird das Magnetfeld diesen Supraleiter von der das Magnetfeld erzeugenden Quelle – beispielsweise einer Spule – fortdrücken und es kommt zu keinem physischen Kontakt zwischen dem Supraleiter und der Quelle.
Die Erfindung macht damit von einem an sich bekannten physikalischen Effekt Gebrauch, indem sie davon ausgeht, dass, sofern sich eine Magnetfeldquelle unter einer Landebahn und ein Supraleiter an Bord eines landenden Fluggerätes befindet, das Magnetfeld zwischen beiden Systemen das Zustandekommen eines physischen Kontaktes verhindert. Dadurch ist bei dem System nach der Erfindung eine kontaktlose Landung immer dann möglich, wenn das Magnetfeld stark genug ist, einen genügend großen Abstand zwischen dem Fluggerät und der Landebahn zu generieren. In gleicher Weise funktioniert dieses der Erfindung zugrunde liegende Prinzip auch umgekehrt, nämlich wenn sich eine Magnetfeldquelle an Bord des landenden Fluggerätes und ein Supraleiter in bzw. unter der Landebahn befinden.
Grundsätzlich ist das magnetische Schweben zwar bereits in zwei technischen Varianten realisiert, nämlich mittels des elektrodynamischen Schwebens bei der japanischen Magnetschwebebahn und mittels des elektromagnetischen Schwebens beim Transrapid, jedoch sind beide Verfahren für Luft- und Raumfahrtanwendungen ungeeignet. Im elektromagnetischen Fall ist es zwar möglich, bewegungslos auf der Stelle und im bewegten Zustand zu schweben, jedoch ist es dazu notwendig, dass das Fahrzeug die Tragschiene umklammert. Eine Landung würde daher ein zentimetergenaues Einfädeln auf die Tragschiene – unter allen Wetterbedingungen und bei gegebenenfalls hohen Landegeschwindigkeiten – erfordern. Im elektrodynamischen Fall muss sich das Fahrzeug oberhalb einer Mindestgeschwindigkeit bewegen, um sich im Schwebezustand zu halten. Ein Abbremsen auf eine Geschwindigkeit unterhalb dieser Mindestgeschwindigkeit hätte zur Folge, dass der Schwebeeffekt verschwände und das Fahrzeug mit der Landebahn in Kontakt geriete. Somit würde es im Ruhezustand dennoch ein Fahrwerk benötigen. Diese Einschränkungen gelten für die erfindungsgemäße Anordnung nicht.
Die Vorteile der Erfindung sind dabei mannigfaltig. Befinden sich für andere Aufgaben ohnehin bereits Supraleiter an Bord eines Fluggerätes, beispielsweise in Form eines elektrodynamischen Hitzeschildes, so kann ein kontaktloser Landevorgang gemäß der Erfindung realisiert werden, ohne dass hierzu zusätzliche, mit Zusatzgewicht verbundene Komponenten erforderlich wären. Außerdem entfallen die hohen mechanischen Belastungen bei der Landung, was wiederum einen geringeren Verschleiß und geringe Anforderungen an die strukturelle Integrität des Fluggerätes bedeutet, so dass die eingesetzten Materialstärken und damit wiederum seine Masse verringert werden können. Eine geringere Masse bedeutet zugleich auch weniger Treibstoff bei gleicher Reichweite des Fluggerätes oder aber die Zulademöglichkeit für mehr Nutzlast. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass alle schweren und energieintensiven Komponenten am Boden verbleiben können.
Zudem funktionieren das erfindungsgemäße Landesystem und das mit ihm realisierte Landeverfahren auch unter Weltraumbedingungen. Da dieses Verfahren allein auf dem Meissner-Ochsenfeld-Effekt beruht, bedarf es zu seiner Anwendung außerdem keiner elektronischen Regelung, wie dies beispielsweise beim Transrapid der Fall ist, und keiner Mindestgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise im Fall der japanischen Magnetschwebebahn erforderlich ist.
Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt ist eine für Supraleiter sehr charakteristische Eigenschaft. Das externe Magnetfeld dringt etwa einhundert Nanometer tief in das Material ein, tiefer gelegene Schichten bleiben dagegen feldfrei. Dieses ”Herausdrängen” des Magnetfeldes ist unabhängig davon, ob die Probe bereits vor dem Einschalten des Magnetfeldes supraleitend war oder ob sie erst supraleitend gemacht wird, nachdem das Magnetfeld eingeschaltet wurde. Außerdem hängt dieser Effekt nicht von der Vorgeschichte des Materials ab und ist damit reversibel und ein echter thermodynamischer Zustand. Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt wird zum Beispiel in supraleitenden Magnetlagern genutzt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß der Erfindung in seitlicher Ansicht,
2 ein Detail der Anordnung gemäß 1 und
3 den schematischen Aufbau der Anordnung gemäß 1 in Draufsicht.
Die 1 zeigt einen Flugkörper 1, im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels ein Flugzeug, das sich im Landeanflug oberhalb einer Landebahn 2 befindet. Innerhalb des Flugkörpers 1 ist in dessen Bodenbereich ein Kryostat 3 mit einem darin befindlichen Supraleiter 4 angeordnet, der in 2 noch einmal im Detail dargestellt ist. Bei Supraleitern, die bei Raumtemperatur oder einer noch höheren Temperatur supraleitend sind, kann dieser Kryostat künftig sogar entfallen. Der Flugkörper 1 und der Kryostat 3 können aus Faserverbundmaterialien oder aus anderen geeigneten Materialien bestehen, die die Wechselwirkung zwischen dem Supraleiter 4 und dem Magnetfeld 6 nicht behindern, wie beispielsweise Nickel oder einem ähnlichen Metall.
Die Kühlung erfolgt je nach Anwendungsfall beispielsweise durch verflüssigte Gase, wie im Fall erdnaher Raumfahrt oder Luftfahrt, durch Kühlung mittels Kryokühlern, ebenfalls im Fall erdnaher Raumfahrt oder Luftfahrt, oder aber ohne eine spezielle technische Kühlung allein durch die vorherrschenden Umweltbedingungen Dies ist in der Luft- und Raumfahrt immer dann gegeben, wenn geeignete Supraleiter zur Verfügung stehen. Unterhalb der Oberfläche der Landebahn 2 ist ein Dauermagnet, ein einstellbarer Elektromagnet – beispielsweise ebenfalls supraleitend – oder eine Kombination aus beiden 5 angeordnet, durch die ein externes Magnetfeld 6 erzeugt wird. Die supraleitenden Magnete befinden sich im Dauerstrombetrieb, wie dies beispielsweise bei einem Kernspintomographen der Fall ist, so dass es außer durch die Kühlung zu keinerlei elektrischen Verlusten kommt. Die 3 zeigt diese Anordnung noch einmal in Draufsicht.
Die Nutzung einstellbarer Elektromagnete hat dabei den Vorteil, dass die Kraftwirkung des magnetischen Landefeldes dem Gewicht des Flugkörpers 1 angepasst werden kann. Die Integration des Kryostaten 3 kann dabei entweder als eigenständiges Subsystem oder systemintegriert erfolgen. Das Magnetfeld 6 ist so stark ausgelegt, dass es einen genügend großen Abstand zwischen dem Flugkörper 1 und der Landebahn 2 erzeugt, wodurch das Zustandekommen eines physischen Kontaktes zwischen beiden verhindert wird und auf diese Weise eine kontaktlose Landung des Flugkörpers 1 erfolgt.
In gleicher Weise ist es im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch möglich, im Gegensatz zu dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel eine entsprechende Magnetfeldquelle an Bord eines landenden Flugkörpers 1 und einen Supraleiter unterhalb der Landebahn 2 anzuordnen.

Claims

Landesystem, bestehend aus einem Luft- oder Raumfahrzeug sowie aus einer Landbahn, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Luft- oder Raumfahrzeug (1) als auch die Landbahn (2) magnetische Elemente (4, 5) aufweisen.
Landesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus supraleitendem Material (3, 4) an Bord des Luft- oder Raumfahrzeuges (1) sowie aus einer Landbahn (2) besteht, die wenigstens eine Quelle zur Erzeugung eines Magnetfeldes (5) aufweist.
Landesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus wenigstens einer Quelle zur Erzeugung eines Magnetfeldes an Bord des Luft- oder Raumfahrzeuges (1) sowie aus einer Landebahn (2) besteht, die ein supraleitendes Material aufweist.