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Segelflugzeuge werden seit der Markteinführung der DG-400 in den 1980ger Jahren in immer größerem Umfang serienmäßig mit Hilfsantrieben ausgerüstet.
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Diese Erfindung beschreibt einen Antrieb, der einfach in die Struktur und Bedienbarkeit Luftfahrzeuges, eines Segelflugzeuges oder sonstigen Fluggerätes oder Bodeneffektfahrzeuges eingepasst werden kann.
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Klapptriebwerke weisen aerodynamisch ungünstige Eigenschaften auf. Insbesondere der Wechsel zwischen Segelflug und Kraftflug ist sehr kritisch. Dies wird unter anderem in der BFU Flugsicherheitsmitteilung V177 dargelegt.
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In den letzten Jahren haben sich sowohl ausklappbare Kleinturbinen als auch Faltpropeller in der Rumpfspitze, FES, als Alternative für Heimkehrhilfen bei Segelflugzeugen verbreitet. Diese beiden Methoden zeichnen sich dadurch aus, dass die bisherigen Konstruktionskonzepte nur geringfügig verändert werden müssen.
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Für das Strahlseglerkonzept, STSK,
DE-10300621-B4 ,
EP 2 222 960 B1 ist eine größere Modifikation des Rumpfes notwendig. Ein Vorteil ist, dass die Antriebseinheiten radialer Schubgebläse hintereinander in der Rumpfröhre angeordnet werden können.
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Die elektrischen Antriebe mit ihren Motoren, Controllern und bislang noch sehr schweren Energiespeichern liefern die Basis für einen völlig neuen Bereich von Flugantrieben aufgrund ihrer Schwingungsarmut, des geringen Gewichtes, des hohen Wirkungsgrades und der Verfügbarkeit in vielen Baugrößen.
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Diese Antriebe können deswegen an vielen bislang ungewöhnlichen Punkten eines Fluggerätes angebracht werden. z. B. der FES in der Rumpfspitze.
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Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich elektrische Antriebe auch dazu aus der Flugzeugkontur herausbewegt zu werden. Diese Eigenschaft ist bei Segelflugzeugen wichtig für den Wechsel zwischen Segelflug und Kraftflug.
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Mantelluftschrauben, Fans, werden mittlerweile in Gruppen oder Feldern, Arrays, für Vorwärts- oder Schwebeflug vorgeschlagen.
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Gruppen beweglicher Antriebselemente finden sich z. B. in
DE-1952662 B oder in
DE 10 2014 213 215 A1 insbesondere für ein senkrecht startendes Flugobjekt. Auf der Internetpräsenz von Lilium wird das Konzept einer drehbaren Flügelhinterkante mit einer aufgesetzten Bläserreihe dargestellt. (Juli 2016)
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Aus dem Modellflugbereich sind mittlerweile Elektro-Impeller, also Gebläse für Mantelluftschrauben, bekannt, die Schübe über 100 N liefern. Die Entwicklung geht auch zu Impellern, deren axiale Baulänge immer mehr vermindert wird, so dass diese sich vom Aussehen immer mehr flachen axialen Computerlüftern annähern. Nachteilig bei axialen Antrieben, Propellern und Fans, ist, dass diese nicht hintereinander angeordnet werden können, sondern nebeneinander angeordnet werden müssen. Anm: Impeller bezeichnet eine Fan im Modellflugbereich.
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Wichtig für den Strahlwirkungsgrad aller Strahlantriebe ist eine möglichst große Durchtrittsfläche. Dies kann durch Erhöhung des Durchmessers der Gebläse geschehen oder durch eine Anordnung vieler Gebläseeinheiten nebeneinander oder hintereinander beim STSK.
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Dabei sind die großen Durchtrittsflächen hauptsächlich für den Start und Steigflug notwendig. Für den eigentlichen Reiseflug kommt man mit kleineren Durchtrittsflächen bzw. Antriebseinheiten aus.
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Grundgedanke der Erfindung ist, dass eine Reihe von flachen Impellern bzw. flachen Fans nebeneinander angeordnet und mit einem Mechanismus versehen wird, mit dem dieses Bauteil in der Flugzeugkontur versenkt werden kann.
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Ausfahren und Versenken einer Antriebseinheit bei einem Fluggerät, insbesondere Segelflugzeug, gehört zum Stand der Technik, z. B.
DE-2720957 für Fans oder das Klapptriebwerk bei Propellern. Segelflugzeuge sind zumeist mit Schempp-Hirth Bremsklappen, SH, ausgestattet. Dabei wird eine Störklappe aus der Flügeloberseite ausgeschert, z. B. beim Standard Cirrus.
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Da diese Klappen normalerweise zum Bremsen des Flugzeuges eingesetzt werden, scheint es gedanklich widersinnig, diese mit einer Antriebseinheit, z. B. einer Reihe flacher Impeller, zu versehen. Aber dies ist der Vorschlag dieser Erfindung. Werden die Klappen voll ausgefahren und die beiden Gebläsegruppen angeschaltet, dann wirken diese Bremsklappen als Schubklappen. Werden die Klappen mit nicht angetriebenen Gebläsen betrieben, dann wirken sie wie Bremsklappen. Diese Bremswirkung ist geringer, wenn die Gebläse arretiert sind. Lässt man die Gebläse mitdrehen, was dem mitdrehenden (windmilling) Propeller entspricht, dann erhöht man die Bremswirkung in der Regel. Außerdem lässt sich auf diese Weise Energie-Rekuperation durchführen, d. h., dass die Gebläsemotoren als Generatoren arbeiten und die Batterien wieder aufladen. Die Größenordnung dieser Rekuperation kann als ein Mittel der Gleitwinkelsteuerung, z. B. beim Landeanflug, benutzt werden.
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Der Pilot hat also die Option die ganzen Klappen zu verstellen oder in einer Klappenstellung, zumeist wohl voll ausgefahren, über eine Art Gasgriff an den Bremsklappen, z. B., die Rekuperation und damit den Gleitwinkel zu steuern. Kommt der Pilot mit seinem Flugzeug zu kurz, dann kann er durch Einschalten der Gebläse und Schubgeben wieder zurück auf den richtigen Gleitpfad steuern. Dies entspricht der Schleppgaslandung bei Verbrennungsmotoren.
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Der Antrieb befindet sich etwa im Schwerpunktes, so dass keine Lastigkeitsänderungen zu erwarten sind.
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Es ist sinnvoll die Klappen auch im ausgefahrenen Zustand, oder sogar in Zwischenpositionen, arretieren zu können und nicht nur im eingefahrenen Zustand. Damit hat der Pilot die Hand frei für die Bedienung des Leistungsreglers der Schubklappen. Die Arretierung der Schubklappen muss schnell, sicher und einfach bedienbar sein. Konstruktionsbeispiel dafür wäre die Druckknopfbedienung der Höhenruder-Trimmung der H-205 Glasflügel Club-Libelle.
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Beim Abbau von Geschwindigkeit oder beim Absteigen aus großer Höhe oder beim Vorfliegen durch starke Aufwinde, etwa unter Wolkenstraßen, können die Schubklappen ausgefahren und im Rekuperationsbetrieb verwendet werden.
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Statt einer Reihe von Gebläsen können natürlich auch mehrere Reihen oder eine andere z. B. unregelmäßige oder regelmäßige Anordnung von Gebläsen innerhalb eines Feldes oder lediglich ein Gebläse gewählt werden. Eine solche Anordnung soll als „Gebläsefeld” bezeichnet werden.
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Mit den 2016 am Markt erhältlichen Impellern lässt sich damit ein einfacher Segelflugantrieb realisieren.
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Diese Antriebskonfiguration in den Tragflächen kann mit anderen Antrieben, die im Rumpf angebracht werden, z. B. dem FES oder dem STSK, vorteilhaft kombiniert werden, um eine Verkürzung der Startstrecke oder eine höhere Steigrate zu erreichen. Der FES kann mittels der Schubklappen vom Boden freikommen, bevor der durch Bodenberührung gefährdete Propeller eingesetzt wird.
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Ein Störklappe bzw. ein Gebläsefeld kann nicht nur ausgeschert werden, sondern kann auch linear ausgefahren (wie eine Schublade) oder über eine Drehachse ausgeklappt werden, wie z. B. die Störklappen des SF-25 Scheibe-Motorfalken.
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Denkbar ist natürlich auch, dass es neben den normalen Bremsklappen zusätzlich die Schubklappen gibt, die separat über eigene Steuerelemente bedient werden können.
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Da die Flügeldicke zur Flügelwurzel hin zunimmt, kann man um so größere Gebläse verwenden, je näher die Klappen an die Wurzelrippe positioniert werden.
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Die Kabel zu den Gebläsen in den Schubklappen laufen z. B. über Energieführungsketten, so dass ein störungsfreier Betrieb bei jeder Klappenstellung ermöglicht wird. Gefährlich ist ein einseitiger Ausfall von Schub- oder Bremsklappen, da dies ein starkes Giermoment (Drehung um die Hochachse) erzeugt. Der einseitige Ausfall kann durch einen Schutzalgorithmus erkannt werden, der dafür sorgt, dass beide Schubklappen mit gleicher Energiemenge versorgt werden, bzw. gleichen Schub abgeben. Diese Gefahr wird vermindert, wenn zu jedem Gebläse ein eigener Kabelstrang läuft und jedem Gebläse eine eigene Regeleinheit und Batterie zugeordnet wird, so dass ein Totalausfall einer Seite unwahrscheinlich wird.
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Impeller und auch die Einläufe von Schubgondeln z. B. bei Verkehrsflugzeugen weisen eine für die Zuströmung günstige Kontur auf. Bei normalen Gebläsen entspricht dies der Einströmdüse. Bei einer Anordnung von Gebläsen nebeneinander berühren sich diese Einströmdüsen. Es ist also möglich die Einströmdüsen eines Gebläsefeldes als ein Bauteil auszuführen. Weiter kann man diese Einströmdüse auch als Gesamthalterung zur Befestigung aller Impeller vorsehen. Anstelle der normalen Klappen wird dann diese Gesamthalterung mit den in ihr befestigten Impellern bewegt.
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Bei der SH-Bremsklappe hingegen befindet sich der Ausschermechanismus, in der Regel zwei Anlenkhebel, oft innerhalb einer U-förmigen Bremsklappe. Auf der u-förmigen Klappe befindet sich eine Konturfläche, die im eingefahrenen Zustand die Profilkontur des Tragflügels bildet. Alternativ ist die Klappe nur mit einer einfachen Bremsfläche (Klappenblech) und der Konturfläche sozusagen T-förmig aufgebaut.
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Die Bremsklappen befinden sich gewöhnlich in einem Klappenkasten. Die Drehachsen der Anlenkhebel werden in der Regel auf beiden Seiten dieses Klappenkastens gelagert.
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Die u-förmigen SH-Klappen weisen Aussparungen dort auf, wo die Bremsklappen beim Einscheren mit den Drehachsen der Anlenkhebel in Kontakt kommen könnten.
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Die Schubklappe besteht aus folgenden Komponenten:
a) einer oberen Konturfläche, die die Flugzeugoberfläche im eingefahrenen Zustand bildet b) dem Feld der Schubgebläse und der Gesamthalterung mit der Einströmgeometrie, c) einer unteren Konturfläche die im ausgefahrenen Zustand die Kontur der Flugzeugoberfläche schließt, d) dem Ausfahrmechanismus.
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Die Gebläse sind in etwa in Flugzeuglängsrichtung ausgerichtet.
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Denkbar ist es auch eine oder beide Konturflächen unabhängig von der eigentlichen Schubklappe, dem Gebläsefeld zu bewegen.
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Von Vorteil für die Integration in einen Tragflügel sind Schubklappen mit axial sehr kurzbauende Impeller. Als zusätzlicher axialer Bauraum wird bei einer ausscherenden Schubklappe Raum für den Schermechanismus benötigt. Die Gebläse befinden sich entweder vor oder hinter dem Schermechanismus.
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Der Bauraumbedarf für die Schubklappe in dieser Richtung setzt sich also mindestens aus der axialen Bautiefe für den Ausfahrmechanismus und der axialen Gebläselänge zusammen.
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Je nach Bremsklappenkonzept stellen sich die Schubklappen unterschiedlich dar, wie in den folgenden Zeichnungen dargestellt wird.
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Zeichnungen
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1 zeigt einen Tragflügel 20 mit einer eingefahrenen SH-Klappe 10. Die obere Konturfläche 30 bildet dabei die Oberfläche des Flügels 20.
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2 zeigt einen Tragflügel 20 mit einer über die Anlenkhebel 40 ausgefahrenen SH-Klappe. Man erkennt, dass die SH-Klappe beim Ausfahren nach links und nach oben bewegt wird.
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3 zeigt ein Segelflugzeug 50 in der Aufsicht. In der Fläche links befindet sich eine SH-Klappe 10. In der Fläche rechts befindet sich eine Schubklappe 11.
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4 zeigt dieses Flugzeug 50 von vorne. Die SH-Klappe 10a und die Schubklappe 11a sind ausgefahren mittels der Anlenkhebel 40. Bei der SK-Klappe 11a ist die Stirnfläche die Gebläsereihe 60. Bei der SH-Klappe 10a ist 70 die Bremsfläche.
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5 zeigt das Flugzeug 50 auf beiden Seiten mit ausgefahren SK-Klappen 11a.
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6 zeigt das Flugzeug 50 mit eingefahren SK-Klappen 11e. Die Anlenkhebel 40 sind nach innen zum Rumpf hin gekippt.
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7 zeigt ein Tragflügelprofil 80, in dem sich eine eingefahrene SK-Klappe 11e befindet. Der Anlenkhebel 40 weist eine klappenseitige Lagerung 90k und eine flügelseitige Lagerung 90f auf. Die Lagerung 90f ist einseitig, um mehr Raum für das Verfahren der Schubklappe zu haben.
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8 zeigt das Tragflügelprofil 80 mit ausgefahrener SK-Klappe 11a, die aus der oberen Formfläche 30, der Gebläsereihe 60s und der unteren Formfläche 35 besteht, die im ausgefahrenen Zustand die Flügelkontur bildet. Die Wände des Klappenkastens 100 weisen nur einseitig eine Lagerung 90f für den Anlenkhebel 40 auf.
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9 zeigt im Schnitt eine Abdichtung 110f, 100k der unteren Formfläche 35 in dem Bereich, der vom Anlenkhebel 40 nicht beim Verschieben durchlaufen wird. Dabei ist 110f die flügelseitige Dichtfläche und 110k die klappenseitige Dichtfläche.
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10 zeigt ein schematisiertes Gebläse 65, das aus einem Motor 130 und dem Gebläsemantel 140 besteht. Die Gebläseschaufeln wurden weggelassen. Aus diesen Gebläsen besteht die Gebläsereihe 60 der Schubklappe in 11 und 12.
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11 zeigt eine aus einer Tragfläche 20 ausgefahrene SK-Klappe 11a und die zugehörige obere Konturfläche 30 und untere Konturfläche 35. Die Bewegung der Anlenkhebel 40 bedingt Aussparungen 120 in der unteren Konturfläche 35. Diese Aussparungen können z. B. mit Bürsten oder elastischen Folien abgedichtet werden. Die untere Konturfläche 35 ist im Verhältnis zur oberen Konturfläche 30 um das Überstandstück 35 nach rechts verschoben. Die Gebläsereihe 60 und die oberen, untere Formfläche 30, 35 bilden ein Bauteil. Nicht dargestellt ist in dieser schematischen Darstellung die zuvor beschriebene Gesamthalterung der Gebläse und die Geometrie der Einströmdüsen.
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12 zeigt die Schubklappe 11a ohne die Tragfläche.
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13 zeigt eine um die Drehachse 150 drehbare Schubklappe 11d im Schnitt eines Tragflügelprofiles 80. Die Schubklappe 11d besteht aus der drehbaren Gebläsereihe 60d und der Formfläche 30d. Diese um die Achse 150 drehbare Formfläche 30d bildet die Profilkontur im Bereich der Schubklappe. Die innere Formfläche 35d, die um die Drehachse 150b drehbar ist, ist noch nach unten geklappt.
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14 zeigt die drehbahre SK-Klappe 11d im ausgefahrenen Zustand. Die Formfläche 30d befindet sich vor der Gebläsereihe 60d und blockiert die Zuströmung. Diese Formfläche besteht wie eine Jalousie aus drehbaren Formelementen 160.
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15 zeigt die Formelemente 160 der Jalousie geöffnet. Die untere Konturfläche 35d ist um die Drehachse 150b nach oben geklappt. Die Anlenkung der beweglichen Teile ist nicht dargestellt.
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16 zeigt eine um die Achse 150a drehbare SK-Klappe 11d im eingefahrenen Zustand. Die obere und untere Formfläche 30l und 35l sind linear verschiebbar. Die Anlenkung der beweglichen Teile kann z. B. über normale Schermechanismen oder Linearverschieber bewerkstelligt werden. Die Anlenkung und die Mechaniken dazu sind nicht dargestellt.
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17 zeigt die obere Formfläche 30l nach oben verschoben und die Schubklappe 11d ausgeklappt.
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18 zeigt die untere Formfläche 35l in die Position zum Bilden der Profiloberfläche geschoben.
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19 zeigt eine linear verschiebbare SK-Klappe 11l und eine ausscherbare SK-Klappe 11s in Verbindung mit einem Tragflügel 20.
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20 zeigt die beiden SK-Klappen 11l, 11s in Schrägansicht alleine.
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21 zeigt die beiden SK-Klappen 11l, 11s von Vorne
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22–24 zeigen eine drehbare SK-Klappe, die nach sich nach hinten ausklappt in Verbindung mit einer oberen Formfläche 30d, die nach vorne ausklappt. Das Konzept erinnert etwas an die konventionellen Klapptriebwerke, da zuerst die Formfläche 30d unter großer Widerstandserzeugung geöffnet werden muss, 23, bevor die SK-Klappe 60d herausgeklappt werden kann, 24. Für den Kraftflug wird die Formfläche 30d wieder zurückgeklappt.
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Man kann 23 auch so interpretieren, dass die obere Formfläche 30d wie eine normale Störklappe arbeitet und die Option für den Kraftflug durch das Herausklappen der SK-Klappe 11d besteht. Auf jeden Fall ist diese Anordnung vom Handling her umständlicher als die ausscherbaren oder linear ausfahrbaren Schubklappen. Der Vorteil der drehbaren Klappen besteht darin, dass der Gebläse-Durchmesser größer sein kann, da die Gebläse schräg bzw. liegend im Flügel untergebracht sind.
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Die unteren Formflächen 35s, 35l, 35d können natürlich auch mit einer exakten Profilkontur versehen sein, im Gegensatz zur prinzipiellen Darstellung in den 7–9, 12–15 und 22–23.
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Vom fliegerischen Standpunkt aus ist sicherlich die ausscherbare Schub-Klappe die sich eng an der SH-Klappe orientiert besser, einfacher aufgebaut, zügiger zu bedienen und deswegen vor allem sicherer.
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Schlussbemerkung:
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Ziel bei Motorseglern ist es eine möglichst große Wirkfläche mit wenig Aufwand aus der Kontur eines Flugzeuges ausklappen zu können. Der Klapptriebwerksantrieb erreicht dies durch Einfädeln des Propellers in der Rumpfröhre. Der Strahlseglerantrieb ordnet die Gebläse hintereinander an. Die Schub-Klappe ordnet die Gebläse nebeneinander an und benutzt zum Einfahren den Stauraum in den Tragflächen. Der FES als Vertreter der Klapppropeller versteckt die Propellerflügel in der Rumpfkontur. Die Segelflugzeugturbine wird aus dem Rumpf ausgefahren und weist kaum Wirkfläche auf.
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Unter diesen Konzepten ist die Schubklappe das einzige Konzept, das auf eine vorhandene Baugruppe in einem Segelflugzeug, nämlich die SH-Klappe Klappen aufbaut. Es gibt zwei ausgezeichnete Stauräume bei Flugzeugen, insbesondere Motorsegler mit dem Wechsel zwischen Kraft und Reiseflug. Das ist der Raum in den Flächen, der für das Aus/Ein-Fahren von Axialgeblösen nebeneinander und für externe Durchströmung geeignet sind, und das ist der Rumpf, der für die Anordnung von Radialgebläsen hintereinander für interne Durchströmung geeignet ist.
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Abkürzungen:
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- BFU
- Bundesanstalt für Flugsicherung
- FES
- Front Electrical Sustainer
- SH
- Schempp-Hirth
- SK-Klappe
- Schubklappe
- STSK
- Strahlseglerkonzept
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schempp-Hirth SH-Klappe
- 10a
- SH Klappe ausgefahren
- 10e
- SH Klappe eingefahren
- 11
- Schubklappe oder SK-Klappe
- 11a
- SK-Klappe ausgefahrenen
- 11d
- SK-Klappe drehbar
- 11e
- SK-Klappe eingefahren
- 11l
- SK-Klappe linear verschiebbar
- 11s
- SK-Klappe ausscherbar
- 20
- Tragflügel, Tragfläche
- 30
- obere Konturfläche
- 30d
- obere Konturfläche drehbar
- 30l
- obere Konturfläche linear verschiebbar
- 35
- untere Konturfläche
- 35d
- untere Konturfläche drehbar
- 35l
- untere Konturfläche linear verschiebbar
- 35ü
- Überstandstück
- 40
- Anlenkhebel
- 50
- Segelflugzeug
- 60
- Gebläsereihe
- 60d
- Gebläsereihe drehbar
- 65
- Gebläse
- 70
- Bremsfläche
- 80
- Tragflügelprofil
- 90f
- flügelseitige Lagerung
- 90k
- klappenseitige Lagerung
- 100
- Wände des Klappenkastens
- 110f
- flügelseitige Dichtfläche
- 110k
- klappenseitige Dichtfläche
- 120
- Aussparungen in der unteren Konturfläche 35
- 130
- Motor
- 140
- Gebläsemantel
- 150, 150a, b
- Drehachse
- 160
- drehbares Formelement der Jalousie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10300621 B4 [0005]
- EP 2222960 B1 [0005]
- DE 1952662 B [0010]
- DE 102014213215 A1 [0010]
- DE 2720957 [0015]
