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Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einem Faltsystem, das von einer geraden Anzahl von Knotenkörpern und einer geraden Anzahl von Tragflächen gebildet wird, die untereinander entweder zu einem Polygonring oder zu einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur verbunden sind. Das Flugzeug umfasst mindestens einen Rumpf, ein Triebwerk, ein Leitwerk, und eine Landevorrichtung sowie eine Längsachse, eine Querachse, und eine Hochachse. Eine erste Schar von Tagflächen des Flugzeugs hat einen positiven Pfeilungswinkel, während eine zweite Schar von Tragflächen einen negativen Pfeilungswinkel gegenüber der Querachse aufweist. Die Tragflächen sind jeweils an beiden Enden mittels von Drehgelenken mit horizontalen Drehachsen an die Knotenkörper derart angelenkt, dass durch die Verschiebung von mindestens einem der Knotenkörper entlang der Längsachse die polygonal angeordneten Tragflächen des Faltsystems in einer zwangsläufigen und reversiblen, durch den Freiheitsgrad der Drehgelenke notwendig vorgegebenen Faltbewegung nach oben gefaltet werden und in unterschiedlichen, für den Flug-, Fahr- und Standbetrieb des Flugzeugs vorgesehenen Betriebsstellungen arretiert werden können.
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Bei dem reversiblen Faltvorgang ändern sich die Anstellwinkel der Tragflächen mit einer positiven und mit einer negativen Pfeilung jeweils gegenläufig, sodass das Faltsystem im Flugbetrieb mit unterschiedlichen Flügelstellungen auf die jeweiligen aerodynamischen Anforderungen der einzelnen Flugphasen reagieren kann. Im Rahmen der Erfindung sind unter dem Oberbegriff Flugzeug unterschiedliche Luftfahrzeuge zusammengefasst, die schwerer als Luft sind und den für das Fliegen erforderlichen dynamischen Auftrieb mittels von Tragflächen erzeugen. Die Erfindung bezieht sich sowohl auf Flugzeuge mit einem faltbaren Polygonring, bei dem vier Knotenpunkte und vier Tragflächen im Flugbetrieb starr mit einem Rumpf verbunden sind, als auch auf Flugzeuge mit einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur, bei der die Knotenkörper als Rümpfe ausgebildet sind. Das Anwendungsspektrum erfindungsgemäßer Flugzeuge betrifft Modellflugzeuge ebenso wie Flugautos, Flugtaxen, Flugbusse, Verkehrsflugzeuge, Überschallflugzeuge, Solarflugzeuge, Wasserflugzeuge und Drohnen, sowie hybride Flugzeuge, bei denen entweder die Rümpfe oder die Tragflächen jeweils mindestens eine Auftriebszelle, die mit einem Gas leichter als Luft gefüllt ist, aufweisen.
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Stand der Technik
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Faltsysteme für Flugzeuge sind immer dann von Vorteil, wenn eine Kompatibilität des Flugzeugs mit der für den Straßen, Schienen- oder Schiffstransport üblichen Maßordnung erforderlich ist. Dementsprechend besteht die Aufgabe eines Faltsystems darin, die Abmessungen des Flugzeugs in mindestens einer durch die Längs-, Quer- oder Hochachse vorgegebenen Richtung zu reduzieren. Bereits in den 30er Jahren stellte der russische Ingenieur Jean Makhonine ein Flugzeug mit Teleskoptragflächen vor.
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Aus der
US 621 195 A vom 14. März 1899 geht das von Ferdinand Graf Zeppelin erfundene Luftschiff hervor. In einer Variante des Luftschiffs wird eine von mehreren in Reihe hintereinander angeordneten Luftschiffskörpern gebildete, kinematische Gelenkkette beschrieben.
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Aus der
US 2 550 278 A geht ein Teleskopflügel von Jean Makhonine für Flugzeuge hervor.
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Aus der
US 7 866 610 B2 geht ein aus mehreren Tragflächensegmenten aufgebauter Teleskopflügel hervor.
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Aus der
EP 2 105 378 B1 geht ein Hubschrauber mit bug- und heckseitigen Tragflächen hervor, die jeweils eine positive Pfeilung aufweisen.
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Aus der
US 2011/0226174 A1 geht eine Drohne mit vier Flügeln hervor, die platzsparend an den Rumpf der Drohne angelegt werden können.
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Aus der
DE 40 14 933 A1 geht ein faltbares Ultraleicht-Flugzeug hervor, das einen deltaförmigen faltbaren Rahmen und eine pneumatisch stabilisierte Flügeloberfläche hat.
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Aus der
DE 29 01 115 A1 geht ein Flächenschrauber hervor, bei dem die Tragflächen mit darauf angeordneten Rotoren am Oberteil der Kabine angesetzt und gegenüber der Kabine verschwenkbar sind.
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Aus der
EP 3 299 280 A1 geht ein Hubschrauber mit faltbaren Rotoren und einer um die Hochachse verschwenkbaren Tragfläche hervor.
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Aus der
EP 0 313 925 B1 geht ein von Knoten und Stäben gebildetes Faltsystem hervor, bei dem die Stäbe jeweils an ihren Enden mittels von Drehgelenken an eine geradzahlige Anzahl von Knoten angelenkt sind. In einer entfalteten Stellung kann das Faltsystem auf Rädern rollen.
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Aus der
US 4 053 125 A geht ein Flugzeug mit einer gestaffelten Anordnung der Tragflächen hervor. Ein vorderes Tragflächenpaar mit einer positiven Pfeilung und ein hinteres Tragflächenpaar mit einer negativen Pfeilung sind jeweils mit dem Rumpf und untereinander verbunden. In
10-14 ist ein Flugzeug dargestellt, bei dem die Tragflächen jeweils an ihrem äußeren und an ihrem rumpfseitigen Ende ein Drehgelenk mit einer vertikalen Drehachse aufweisen, wobei sowohl der Abstand der vorderen zu den hinteren Tragflächen als auch ihre Position gegenüber dem Rumpf variabel sind.
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Aus der
US 5 899 410 A geht ein Flugzeug mit vier in einer Ebene angeordneten Tragflächen hervor, die in Flugrichtung eine Rautenform bilden und entweder starr mit dem Rumpf, oder mittels von Drehgelenken mit vertikalen Drehachsen untereinander und mit dem Rumpf derart verbunden sind, dass die Tragflächen in der Art eines Scherengitters zusammenlegbar sind.
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Aus der
US 2004 / 0 217 230 A1 geht eine Flügelanordnung für einen Flugkörper hervor, bei dem die Flügel in einer entfalteten Stellung beidseits des Flugkörpers eine Dreiecksform aufweisen. Mittels von Drehgelenken mit vertikaler Drehachse kann die Dreiecksform der Flügel so variiert werden, dass die Flügel für einen Transportzustand vollständig an den Flugkörper angelegt werden können.
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Aus der
US 4 365 773 A geht ein Flugzeug hervor, bei dem ein vorderes Flügelpaar mit positiver Pfeilung mit der Unterseite des Rumpfs und ein hinteres Flügelpaar mit negativer Pfeilung mit dem oberen Ende des Leitwerks und an den Flügelenden über feststehende Winglets miteinander verbunden sind. In
14-16 ist eine faltbare Ausführung dieser Flügelanordnung dargestellt. Dabei werden eine vordere und eine hintere Tragfläche jeweils in der Mitte durch ein Gelenk getrennt, sodass die vordere und die hintere Tragfläche gemeinsam über den Rumpf gelegt werden können. Aus der
US 2017 / 0 106 977 A1 geht ein Flugzeug hervor, bei dem drei Rümpfe starr mit einem mittleren Flügel verbunden sind, wobei die äußeren Rümpfe jeweils an ihrer Außenseite mit einem polygonalen Flügel verbunden sind.
5 zeigt die Faltbarkeit dieser polygonalen Flügel, die mittels einer Gelenkanordnung nach innen geklappt werden können, sodass das Flugzeug für den Transport an den Einsatzort möglichst wenig Raum einnimmt.
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Aus der
DE 10 2010 048 139 A1 geht ein Flugzeug mit einer variablen Tragflächengeometrie hervor. Die beidseits des Rumpfes angeordneten Tragflächen weisen jeweils einen inneren, starr mit dem Rumpf verbundenen Längsabschnitt und einen äußeren Längsabschnitt auf, der in Tragflächenmitte mittels eines Drehgelenks mit horizontaler Drehachse an den inneren Tragflächenabschnitt angelenkt ist und im Flug nach oben geklappt werden kann. Ein Verschwenkbereich von mehr als 120 Grad soll eine Verbindung der äußeren Längsabschnitte der Tragflächen mit dem Heckleitwerk ermöglichen.
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Aus der
US 2010 / 0 314 498 A1 geht ein Flugzeug mit vier Tragflächen hervor, die starr mit einem Rumpf verbunden sind und eine positive Pfeilung aufweisen. Die Tragflächen sind jeweils an ihren Enden durch Triebwerke miteinander verbunden.
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Aus der
WO 2004 / 074 093 A1 geht ein Flugzeug hervor, bei dem vier Tragflächen untereinander zu einem polygonalen Ring verbunden sind, der an seinem vorderen Ende starr mit der Unterseite des Rumpfs und an seinem hinteren Ende starr mit zwei Heckflossen verbunden ist.
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Aus der
US 6 474 604 B1 geht ein schlaufenförmige Anordnung für Flügelprofile hervor bei der die Saugseite eines Flügels in der Art eines Möbiusbands von der Außen- auf die Innenseite wechselt. Eine Anwendungsmöglichkeit für eine derartige Schlaufe betrifft die Verbindung von zwei vorderen positiv gepfeilten Tragflächen mit zwei hinteren negativ gepfeilten Tragflächen eines Flugzeugs zu einem in sich geschlossenen starren Polygonring.
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Aus der
WO 2008 / 010 226 A1 geht ein Marschflugkörper hervor, bei dem ein vorderes Paar von Tragflächen mit der Oberseite des Marschflugkörpers und ein hinteres Paar von Tragflächen mit der Unterseite des Marschflugkörpers und untereinander mittels von Abstandhaltern mit vertikalen Drehachsen derart verbunden sind, dass die vorderen und die hinteren Tragflächen für den Transport des Marschflugkörpers zum Einsatzort vollständig in den Rumpf eingeklappt werden können.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik geht die Erfindung von der Überlegung aus, die Faltbarkeit eines Polygonrings mit einer geraden Anzahl von Seiten und Ecken und die Faltbarkeit einer aus einer Mehrzahl von Polygonen gebildeten Netzstruktur für ein faltbares Flugzeug zu nutzen, bei dem die Polygonseiten als Tragflächen und die Polygonecken als Knotenkörper ausgebildet sind. Als Endlosstrukturen haben erfindungsgemäße Faltsysteme den aerodynamischen Vorteil, dass eine Wirbelablösung an den Enden der Tragflächen nicht auftritt, und verfügen unter dynamischer Beanspruchung über neuartige Stabilitätseigenschaften. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Faltsystem für Flugzeuge zu finden, das ohne unangemessenen Aufwand an die unterschiedlichen aerodynamischen Anforderungen des Flugbetriebs angepasst werden kann und sich dabei in allen Flugphasen durch einen geringen Widerstand und eine große, Auftrieb erzeugende Oberfläche der Tragflächen auszeichnet. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Im Einzelnen löst die Erfindung die folgenden Aufgaben:
- - Angabe eines Flugzeugs mit einem faltbaren Polygonring aus vier Tragflächen und vier Knotenkörpern, der zusammen mit dem Rumpf ein biege-, schub- und torsionssteifes Flugwerk bildet.
- - Angabe eines Verkehrsflugzeugs mit vier Tragflächen, die nach der Landung gefaltet und vor dem Start entfaltet werden.
- - Angabe eines energiesparenden Verkehrsflugzeugs, dessen Tragflächen verstellbar sind und sich in jeder Flugphase durch einen geringen Wiederstand auszeichnen.
- - Angabe eines Flugzeugs als Auto, dessen Fahrwerk von vier Rädern mit Autoreifen gebildet wird.
- - Angabe eines kombinierten Falt- und Teleskopsystems für die Tragflächen eines Flugzeugs mit mindestens vier Tragflächen
- - Angabe eines Flugzeugs als Bus mit falt- und teleskopierbaren Tragflächen
- - Angabe eines Überschallflugzeugs, bei dem eine voll entfaltete Betriebsstellung der Tragflächen für den Unterschallflug und eine teilweise gefaltete Betriebsstellung der Tragflächen für den Überschallflug genutzt wird.
- - Angabe eines Polygonrings mit zwei linken und zwei rechten Tragflächen, die gemeinsam oder getrennt gefaltet und entfaltet werden können und ein faltbares Leitwerk bilden.
- - Angabe eines aus mehreren Tragflächensegmenten aufgebauten Teleskopflügels
- - Angabe einer Tragfläche des Faltsystems mit Drehgelenken an beiden Enden der Tragfläche
- - Angabe eines Drehgelenks mit nur einem für die Faltung erforderlichen Freiheitsgrad
- - Angabe eines Drehgelenks mit mehreren koaxial und konzentrisch zu der horizontalen Drehachse angeordneten Wälzlagern
- - Angabe einer Verriegelung für die Drehgelenke des Faltsystems
- - Angabe eines Flugzeugs mit einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur, die im Flug-, Fahr und Schwimmbetrieb dynamische Lasten durch Faltbewegungen aufnehmen kann.
- - Angabe eines Flugzeugs mit einer Netzstruktur als Drohnenträger für einen temporär von dem Flugzeug unabhängigen Drohnenschwarm
- - Angabe einer Arbeitsteilung zwischen einer Netzstruktur aus Tragflächen und Knotenkörpern und einem Drohnenschwarm
- - Angabe eines fahr- und faltbaren Wasserflugzeugs als Feuerlöschflugzeug mit Turboprop-Triebwerken
- - Angabe eines faltbaren Solarflugzeugs
- - Nutzung des Faltsystems für die Ausrichtung der Tragflächen eines Solarflugzeugs zur Sonne
- - Angabe einer Netzstruktur für ein hybrides Flugzeug, bei dem die Tragflächen als Auftriebskörper ausgebildet sind.
- - Nutzung des Faltsystems für unterschiedliche energiesparende Flugformationen, wie einer V-Formation oder einer Stufen-Formation
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Flugzeug mit einem Faltsystem, das eine gerade Anzahl von Knotenkörpern und eine gerade Anzahl von Tragflächen aufweist, die entweder untereinander zu einem Polygonring oder zu einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur verbunden sind. Die Tragflächen sind jeweils an beiden Enden mittels von Drehgelenken mit horizontalen Drehachsen an die Knotenkörper derart angelenkt, dass durch die Verschiebung von mindestens einem der Knotenkörper entlang der Längsachse die polygonal angeordneten Tragflächen des Faltsystems in einer zwangsläufigen und reversiblen, durch den Freiheitsgrad der Drehgelenke notwendig vorgegebenen Faltbewegung nach oben gefaltet werden und in unterschiedlichen, für den Flug-, Fahr- und Standbetrieb des Flugzeugs vorgesehenen Betriebsstellungen arretiert werden können. Im Flugbetrieb ist das Faltsystem entfaltet und kann durch gesteuerte Faltbewegungen an die unterschiedlichen Flugphasen angepasst werden, sodass die Funktionen eines Leitwerks und die Funktionen von Vorflügeln und Flächenklappen an den Tragflächen mindestens teilweise durch das Faltsystem ersetzt werden kann. Für den Fahr- und Standbetrieb kann das Flugzeug auf einfachste Weise zusammengefaltet werden, sodass z.B. ein Verkehrsflugzeug für den Ein- und Ausstieg der Passagiere unmittelbar an ein Terminal heranfahren kann. Ein erfindungsgemäßes Flugzeug weist mindestens einen Rumpf, ein Triebwerk, ein Leitwerk, ein Fahrwerk, eine Landevorrichtung sowie eine in Flugrichtung ausgerichtete Längsachse, eine Querachse, und eine Hochachse auf.
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Anordnung und Ausbildung der Tragflächen
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Erfindungsgemäß hat eine erste Schar der Tragflächen des Flugzeugs einen positiven Pfeilungswinkel, während eine zweite Schar der Tragflächen einen negative Pfeilungswinkel, jeweils gegenüber der Querachse aufweist. Die Tragflächen sind an beiden Enden mittels von Drehgelenken mit horizontalen Drehachsen an die Knotenkörper derart angelenkt, dass durch die Verschiebung von mindestens einem der Knotenkörper des Faltsystems auf einer zu der Längsachse parallelen Translationsachse alle weiteren Knotenkörper und alle Tragflächen in einer zwangsläufigen, durch den einen Freiheitsgrad der Drehgelenke notwendig vorgegebenen Faltbewegung von einer für den Flugbetrieb des Flugzeugs vorgesehenen entfalteten Betriebsstellung in eine für den Fahr- und Standbetrieb des Flugzeugs vorgesehene, zusammengefaltete Betriebsstellung transformiert werden. Die Tragflächen weisen in einem Querschnitt parallel zu der Längsachse jeweils ein asymmetrisches Flügelprofil mit einer Saugseite, mit einer Druckseite und mit einer sich von einer Flügelnase bis zu einer Flügelhinterkante erstreckenden Profilsehne mit einem Anstellwinkel von 2-6 Grad in der für den Flugbetrieb vorgesehenen voll- oder teilweise entfalteten Stellung auf. Die Aerodynamik der Tragflächen kann erfindungsgemäß, entweder mittels von verstellbaren Vorflügeln an der Nase und Flächenklappen an der Hinterkante der Tragflächen, oder durch eine Faltbewegung des Faltsystems an die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Flugphasen angepasst werden. Wird der Abstand zwischen zwei Knotenkörpern des Faltsystems in einer durch die Längs-, Quer- und Hochachse repräsentierten Raumrichtungen geändert, ändern sich dadurch nicht nur die Abstände aller weiteren Knotenkörper des Faltsystems, sondern auch die Anstellwinkel der Tragflächen mit einem positiven und mit einem negativen Pfeilungswinkel jeweils gegenläufig. Diese Eigenschaft des Faltsystems wird im Rahmen der Erfindung für die Anpassung des Flugzeugs an die unterschiedlichen aerodynamischen Anforderungen des Flugbetriebs genutzt, wobei das Faltsystem mindestens teilweise die Funktionen eines Leitwerks und bei Start und Landung die Funktion von Vorflügeln und Flächenklappen übernehmen kann. Für den Überschallflug ist z.B. an einem erfindungsgemäßen Flugzeug eine Flügelstellung vorgesehen, bei der die Profilsehnen der Tragflächen parallel zur Längsachse des Flugzeugs ausgerichtet sind, wobei die beiden bugseitigen Tragflächen einteilig und die beiden heckseitigen Tragflächen zweiteilig, mit einer Flächenkappe ausgebildet sind. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung sind die Tragflächen als Teleskopflügel ausgebildet. Ein Teleskopflügel ist aus mindestens zwei Tragflächensegmenten aufgebaut, die dann wenn die Teleskopflügel in der maximal gefalteten Stellung des Faltsystems parallel zu der Hochachse ausgerichtet sind derart ineinander geschoben werden können, dass die Länge einer Tragfläche reduziert wird und das Faltsystem ein kompaktes Bündel aus den Tragflächen und den Knotenkörpern bildet, wobei mindestens ein Tragflächensegment des Teleskopflügels verstellbare Vorflügel und Flächenklappen aufweisen kann. Die Tragflächen sind bevorzugt gerade ausgebildet. Im Sinne einer ungestörten Anströmung können die diagonal überströmten Tragflächen eines Faltsystems dem Wechsel des Pfeilungswinkels folgend aber auch abwechselnd konkav und konvex gekrümmt ausgebildet werden. Bei einem Hybridflugzeug weisen die Tragflächen des Faltsystems mindestens eine Auftriebszelle auf, die mit einem Gas leichter als Luft gefüllt ist.
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Faltsysteme mit einem Polygonring
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Die bevorzugte Ausführungsform eines von einem Polygonring gebildeten Faltsystems betrifft ein Viereck, das bevorzugt als Quadrat oder als Raute oder als ein Deltoid ausgebildet werden kann, bei dem alle Tragflächen gepfeilt sind und der bugseitige Knotenkörper sowie der heckseitige Knotenkörper jeweils mit einem röhrenförmigen Rumpf verbunden sind, der als Diagonale das Viereck in Flugrichtung aussteift, wobei die beiden vorderen Tragflächen eine Schar mit einer positiven Pfeilung und die beiden hinteren Tragflächen eine Schar mit einer negativen Pfeilung bilden. Die Pfeilung erfordert die Ausbildung in sich verwundener Tragflächen mit einem Verwindungswinkel, der als konstruktiver Anstellwinkel an der Flügelwurzel der vier Tragflächen jeweils an dem bugseitigen und an dem heckseitigen Knotenkörper des Polygonrings gegenüber der Längsachse etwa sechs Grad aufweist und sich zu den als Winglets ausgebildeten steuerbordseitigen und backbordseitigen Knotenkörpern bis auf zwei Grad verringert. Im Rahmen der Erfindung kann der Polygonring auch als Sechseckring, Achteckring, Zehneckring usw. ausgebildet werden, wobei jeweils nur eine Teilmenge der Polygonseiten eine Schar von Tragflächen mit einer positiven Pfeilung und eine Schar von Tragflächen mit einer negativen Pfeilung beinhaltet. Das Faltsystem weist in der für den Stand- und Fahrbetrieb des Flugzeugs maximal gefalteten Betriebsstellung, bei der die Tragflächen möglichst parallel zu der Hochachse des Flugzeugs ausgerichtet sind, und in der für den Flugbetrieb vorgesehenen entfalteten Betriebsstellung ein spiegelsymmetrisch zu der Längsachse angeordnetes und winkeltreues Polygon auf. Der Rumpf ist als Röhre mit einem kreisrunden, ovalen, polygonalen oder nach aerodynamischen und funktionalen Gesichtspunkten frei geformten Querschnitt ausgebildet und erstreckt sich koaxial zu der Längsachse zwischen einem strömungsgünstigen Bug und einem hochgezogenen, spitz zulaufenden Heck des Flugzeugs. Das Faltsystem hat einen bugseitigen Knotenköper, an den vordere, rechte und linke Tragflächen angelenkt sind und einen heckseitigen Knotenkörper, an den hintere, rechte und linke Tragflächen angelenkt sind. Alle vier Tragflächen sind untereinander jeweils an ihren äußeren Enden mit steuer- und backbordseitigen, als Winglets ausgebildeten Knotenkörpern verbunden. Bei einer ersten Ausführungsvariante des Faltsystems mit einem Polygonring ist der heckseitige Knotenkörper starr mit dem Leitwerk des Rumpfs verbunden, während der bugseitige Knotenkörper als ein Schieber auf einer Schiene an der Unterseite der Röhre innerhalb eines Verstellbereichs entlang einer zu der Längsachse parallelen Translationsachse in Richtung Heck verschoben werden kann und dann in einer hinteren Position arretiert wird, wenn die maximal gefaltete Betriebsstellung des Faltsystems erreicht ist. Dabei nehmen die Tragflächen eine platzsparende, stehende Stellung ein und können parallel zu der Hochachse des Flugzeugs ausgerichtet werden. Ein quadratischer Polygonring wird von vier Knotenkörpern und vier gleich langen Tragflächen mit acht Drehgelenken gebildet, wobei die steuerbordseitigen und die backbordseitigen Tragflächen in der für den Flugbetrieb vorgesehenen entfalteten Stellung bezüglich der Hochachse jeweils mit einem vertikalen Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Dabei ist der bugseitige Knotenköper z.B. mit der Unterseite und der heckseitige Knotenkörper mit der Oberseite eines als Röhre ausgebildeten Rumpfs verbunden, wobei der bugseitige und/oder der heckseitige Knotenkörper als Schieber auf einer Schiene mit einer zu der Längsachse parallelen Translationsachse ausgebildet ist. Die maximal gefaltete Betriebsstellung des Faltsystems wird dadurch erreicht, dass bei der Faltung der bugseitige und der heckseitige Knotenkörper aufeinander zugeschoben werden, während die für den Flugbetrieb vorgesehene entfaltete Betriebsstellung des Faltsystems dadurch erreicht wird, dass der bugseitige und/oder der heckseitige Knotenkörper jeweils auf den Schienen auseinander bewegt und in der für den Flugbetrieb vorgesehenen entfalteten Betriebsstellung fest mit dem von einer Röhre gebildeten Rumpf verbunden werden.
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An einem Überschallflugzeug, bei dem der Rumpf eine Röhre mit einem verstellbaren Bug und mit einem hochgezogenen Heck und das Faltsystem einen Polygonring mit vier Knotenkörpern und vier Tragflächen aufweist, ist der heckseitige Knotenkörper über das Leitwerk starr mit dem Rumpf verbunden, während der bugseitige Knotenköper innerhalb eines Verstellbereichs auf einer Schiene mit einer zu der Längsachse parallelen Translationsachse verschoben werden kann. In einer ersten für den Überschallflug vorgesehenen, entfalteten Betriebsstellung des Faltsystems ist der Abstand des bugseitigen zu dem heckseitigen Knotenkörper so gewählt, dass die Tragflächen eine teilweise entfaltete, V-förmige Betriebsstellung einnehmen, sodass die Profilsehne des asymmetrischen Flügelprofils an allen Tragflächen parallel zu der Längsachse ausgerichtet ist und die Tragflächen für den Überschallflug eine flache Saugseite mit einer nach hinten verlagerten Druckpunkt (Rear-Loading) aufweisen. Für den Flugbetrieb bei Geschwindigkeiten unterhalb der Schallgrenze wird der Abstand zwischen dem bugseitigen und dem heckseitigen Knotenkörper gegenüber der für den Überschallflug vorgesehenen Betriebsstellung derart vergrößert, dass eine Flügelstellung ermöglicht wird, bei der die beiden vorderen Tragflächen einen Anstellwinkel aufweisen und die Flächenklappen der beiden hinteren Tragflächen jeweils nach unten geklappt sind, sodass alle vier Tragflächen auch bei Fluggeschwindigkeiten deutlich unterhalb der Schallgrenze genügend Auftrieb erzeugen können. In einer weiteren Ausführungsvariante wird das von dem Polygonring gebildete Faltsystem als ein Leitwerk genutzt, wobei in der für den Geradeausflug vorgesehenen entfalteten Betriebsstellung der Abstand zwischen dem bugseitigen und dem heckseitigen Knotenkörper so gewählt ist, dass alle vier Tragflächen einen Anstellwinkel der Profilsehnen von etwa sechs Grad aufweisen. Für die Einleitung einer Drehbewegung des Flugzeugs um die Querachse wird der Abstand zwischen dem bugseitigen und dem heckseitigen Knotenkörper entweder verkürzt oder verlängert, wobei sich die Anstellwinkel der vorderen und der hinteren Tragflächen jeweils gegenläufig ändern und das Flugzeug einen Steig- oder Sinkflug beginnt. Für die Einleitung einer Drehbewegung des Flugzeugs um die Längsachse und um die Hochachse sind der bugseitige und der heckseitige Knotenkörper in zwei Hälften geteilt, die auf getrennten Schienen mit Translationsachsen parallel zu der Längsachse verschoben werden können, sodass für einen Kurvenflug die Anstellwinkel der steuerbordseitigen Tragflächen und der backbordseitigen Tragflächen unabhängig voneinander geändert werden können. Mittels von hydraulisch betätigten Riegeln werden der bugseitige und der heckseitige Knotenkörper jeweils mit dem Rumpf verriegelt, sodass die Polygonring in der für den Flugbetrieb vorgesehenen entfalteten Betriebsstellung versteift wird und der Rumpf, die Knotenkörper und die Tragflächen untereinander zu einem biege-, schub- und torsionssteifen Tragsystem mit einer definierten elastischen Verformbarkeit verbunden sind. Während des Faltvorgangs wirken die Drehgelenke als Scharniere zwischen den Tragflächen und den Knotenkörpern und haben einen ausschließlich für die Ausführung einer Drehbewegung erforderlichen Freiheitsgrad. Die Einspannung der Tragflächen quer zu ihrer Längsrichtung bewirkt eine Stabilisierung des Faltsystems auch während des Faltvorgangs, der dann abgeschlossen ist, wenn der zuständige Knotenkörper in einer bestimmten für den Flug-, Fahr- oder Standbetrieb des Flugzeugs vorgesehenen Betriebsstellung arretiert wird, sodass damit auch alle weiteren Knotenkörper und Tragflächen des Faltsystems stabilisiert sind. Um im Flugbetrieb die Beweglichkeit der Drehgelenke auch bei allfälliger Torsion der Tragflächen sicherzustellen, sind zwischen den zueinander komplementären Vor- und Rücksprüngen der Tragflächen und der Knotenkörper Wälzlager mit Wälzkörpern in Form von Kugeln, Rollen oder Kegeln vorgesehen. Das Fahrwerk eines Linienflugzeugs weist ein in den Rumpf einziehbares Fahrwerk mit einem in eine Ausbuchtung der Röhre integrierten Hauptfahrwerk und mit einem bugseitigen Stützfahrwerk auf, während das Fahrwerk eines Flugtaxis von vier an die Röhre angelenkten Rädern mit Autoreifen gebildet wird und die Räder im Flugbetrieb an die Röhre angelegt werden können.
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Faltsysteme mit einer Netzstruktur
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Bei einem Flugzeug mit einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur, die aus einer geraden Anzahl von Tragflächen und Knotenkörpern aufgebaut ist, bilden die Knotenköper jeweils einen Rumpf mit einem Triebwerk und einer Landevorrichtung. Sind die in Flugrichtung ausgerichteten Rümpfe länglich ausgebildet, kann die Netzstruktur sechseckige Felder aufweisen. Ein Flugzeug mit einer faltbaren Netzstruktur kann im Flugbetrieb unterschiedliche, mittels einer Schubsteuerung der Propeller herbeigeführte Faltformationen einnehmen. Die als Rümpfe des Flugzeugs ausgebildeten Knotenkörper sind dabei in einem regelmäßigen Wechsel von Hoch- und Tiefpunkten angeordnet, sodass die faltbare Netzstruktur im Fahr- und Flugbetrieb strukturelle Belastungen durch Faltbewegungen in den horizontalen Drehachsen der Drehgelenke aufnehmen kann. In einer ersten Ausführungsvariante der Netzstruktur weist jeder Rumpf eine konzentrisch zu der Hochachse angeordnete, kreisförmige Öffnung mit einer Gelenkanordnung für die Aufhängung eines Triebwerks mit Propeller auf. Die Triebwerke des Flugzeugs sind innerhalb der kreisförmigen Öffnungen der Rümpfe mittels der Gelenkanordnung kardanisch aufgehängt, sodass der von den Propellern erzeugte Schub in alle Richtungen gelenkt werden kann. Die Triebwerke sind mit einer gefederten Landevorrichtung verbunden, sodass das Flugzeug senkrecht starten und landen kann. Bei Start und Landung rotieren die Propeller in einer horizontalen Stellung innerhalb der kreisförmigen Öffnungen der Rümpfe und können für den Geradeausflug mittels der Gelenkanordnungen um bis zu 90 Grad gedreht werden, um Schub in Flugrichtung des Flugzeugs zu erzeugen. Eine zweite Ausführungsvariante der Netzstruktur betrifft eine Arbeitsteilung zwischen einem Flugzeug und einer Mehrzahl von Drohnen, die untereinander eine temporäre und lösbare Verbindung eingehen. Die Drohnen haben jeweils ein elektrisches Triebwerk mit mehreren Propellern und docken an den kreisförmigen Öffnungen der Rümpfe an, sodass das Flugzeug mit Hilfe der Drohnen senkrecht starten und landen kann. Im Flugbetrieb kann der von den Propellern der Drohnen erzeugte Schub in Richtung der Längsachse des Flugzeugs gelenkt werden, indem die Drohnen mittels einer Gelenkanordnung der Knotenkörper um bis zu 90 Grad gedreht werden. In dieser temporären Verbindung nutzt der Drohnenschwarm das Flugzeug als einen Drohnenträger und umgekehrt das Flugzeug den Drohnenschwarm als Triebwerk. Auf diese Weise können die Drohnen eine längere Strecke zwischen Start und Ziel zurücklegen und am Ziel unterschiedliche Destinationen anfliegen, nachdem sie sich von dem Flugzeug gelöst haben. In einer dritten Ausführungsvariante der Netzstruktur ist das Flugzeug als ein Hybridflugzeug ausgebildet, bei dem entweder die Tragflächen und/oder die Rümpfe jeweils mindestens eine mit einem Gas leichter als Luft gefüllte Auftriebszelle aufweisen. In der für den Geradeausflug vorgesehenen, voll entfalteten Betriebsstellung liegen die Tragflächen und die Rümpfe in einer Ebene, wobei die Profilsehnen der Tragflächen einen Anstellwinkel kleiner gleich sechs Grad haben. Im Flugbetrieb kann die Netzstruktur unterschiedliche, mittels einer Schubsteuerung der Propeller herbeigeführte Betriebsstellungen einnehmen. Die Knotenkörper sind dabei in zwei Ebenen jeweils als Hoch- und Tiefpunkte angeordnet. Ein Flugzeug mit einer Netzstruktur kann im Fahr-, Schwimm- und Flugbetrieb strukturelle Belastungen mit Faltbewegungen dadurch aufnehmen, dass sämtliche Drehgelenke, Knotenkörper und Tragflächen an der Lastaufnahme durch kontrollierte Faltbewegungen beteiligt sind. Bei einem extrem leichten hybriden Flugzeug können die Drehgelenke ein flexibles Gewebe, z.B. aus hochfesten Aramidfasern, aufweisen.
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Landevorrichtungen für faltbare Flugzeuge
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An einem Flugzeug mit einem faltbaren Polygonring weist die Landevorrichtung entweder ein in den Rumpf einziehbares Fahrwerk mit einem Hauptfahrwerk und mit einem bugseitigen Stützfahrwerk auf oder wird von vier an den Rumpf angelenkten Rädern mit Autoreifen gebildet, wobei die Räder im Flugbetrieb an den Rumpf angelegt werden können. Ein Flugzeug mit einer Netzstruktur weist eine Vielzahl von Landevorrichtungen auf, die jeweils den als Rümpfe ausgebildeten Knotenkörpern zugeordnet und als Fußpunkte mit oder ohne Rad ausgebildet sind. Im Falle eines Wasserflugzeugs weist die Landevorrichtung mehrere Schwimmer auf.
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Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungen der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 ein Verkehrsflugzeug mit für den Stand- oder Fahrbetrieb gefalteter Flügelstellung in der Aufsicht
- 2 das Verkehrsflugzeug nach 1 mit für den Stand- oder Fahrbetrieb gefalteter Flügelstellung in der perspektivischen Ansicht
- 3 das Verkehrsflugzeug nach 1-2 mit für den Flugbetrieb entfalteter Flügelstellung in der perspektivischen Ansicht
- 4 das Verkehrsflugzeug nach 1-3 mit für den Flugbetrieb entfalteter Flügelstellung in der bugseitigen Ansicht
- 5 das Verkehrsflugzeug nach 1-4 mit für den Flugbetrieb entfalteter Flügelstellung in der Seitenansicht
- 6 das Drehgelenk zwischen einem Knotenkörper und einer Tragfläche in der entfalteten Stellung der Faltstruktur in der perspektivischen Übersicht
- 7 das Drehgelenk der Faltstruktur nach 6 in gefalteter Stellung in der perspektivischen Übersicht
- 8 ein Flugauto mit für den Stand- oder Fahrbetrieb gefalteter Flügelstellung in der Aufsicht
- 9 oben, das Flugauto nach 8 mit eingefahrenen Teleskopflügeln in der isometrischen Übersicht
- 9 unten, das Flugauto nach 8 mit ausgefahrenen, senkrecht stehenden Teleskopflügeln in der isometrischen Übersicht
- 10 das Flugauto nach 8-9 mit für den Flugbetrieb entfalteter Flügelstellung in der perspektivischen Übersicht
- 11 das Flugauto nach 8-10 mit unterschiedlichen Flügelstellungen für den Flugbetrieb in der Seitenansicht
- 12 oben, das Flugauto nach 8-11 mit einer Flügelstellung für den Geradeausflug in der Ansicht von vorne
- 12 Mitte, das Flugauto nach 8-11 mit einer Flügelstellung für den Steigflug in der Ansicht von vorne
- 12 unten, das Flugauto nach 8-11 mit einer Flügelstellung für den Sinkflug in der Ansicht von vorne
- 13 oben, einen Flugbus mit für den Flugbetrieb entfalteter Flügelstellung in der perspektivischen Übersicht
- 13 unten, den Flugbus mit für den Fahrbetrieb gefalteter Flügelstellung in der perspektivischen Übersicht
- 14 ein Überschallflugzeug mit der für den Überschallflug entfalteten Flügelstellung in der perspektivischen Übersicht mit Detailschnitten der vorderen und hinteren Tragflächen
- 15 das Überschallflugzeug nach 14 mit der für den Überschallflug vorgesehenen Flügelstellung in der Frontansicht
- 16 das Überschallflugzeug nach 14-15 mit der für den Unterschallflug entfalteten Flügelstellung in der perspektivischen Übersicht mit Detailschnitten der vorderen und hinteren Tragflächen
- 17 das Überschallflugzeug nach 14-16 mit der für den Unterschallflug vorgesehenen Flügelstellung in der Frontansicht
- 18 das Überschallflugzeug nach 14-17 mit der für den Fahr- und Standbetrieb gefalteten Flügelstellung in der perspektivischen Übersicht
- 19 ein Feld einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur eines Flugzeugs in der perspektivischen Übersicht
- 20 neun Felder der Netzstruktur des Flugzeugs nach 19 in der perspektivischen Übersicht
- 21 den Ausschnitt eines hybriden Flugzeugs mit einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur in der perspektivischen Übersicht
- 22 einen Knotenpunkt des hybriden Flugzeugs nach 21 in der perspektivischen Übersicht
- 23 ein Flugzeug mit einer Netzstruktur als ein Drohnenträger für 25 Drohnen in der Aufsicht
- 24 das Flugzeug nach 23 bei der Vereinigung mit anfliegenden Drohnen in der perspektivischen Ausschnittsdarstellung
- 25 das Flugzeug nach 23-24 im Startbetrieb in der perspektivischen Aufsicht
- 26 das Flugzeug nach 23-25 im gemeinsamen Flugbetrieb mit den Drohnen in der perspektivischen Aufsicht
- 27 das Flugzeug nach 23-26 in der gefalteten Betriebsstellung in der Seitenansicht
- 28 den Ausschnitt eines Feuerlöschflugzeugs mit einer für den Flugbetrieb entfalteten Stellung einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur im schematischen Grundriss
- 29 den Ausschnitt des Feuerlöschflugzeugs nach 28 in der für den Flugbetrieb entfalteten Stellung der in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur in der perspektivischen Übersicht
- 30 den Ausschnitt des Feuerlöschflugzeugs nach 28-29 in der für den Stand- und Fahrbetrieb gefalteten Stellung der in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur in der perspektivischen Übersicht
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1 zeigt ein Flugzeug 1 als ein Verkehrsflugzeug mit einem von vier Tragflächen T1-T4 und vier Knotenpunkten K1-K4 gebildeten Faltsystem 2 in einer für den Fahr- und Standbetrieb vorgesehenen gefalteten Betriebsstellung im Grundriss. Der Pfeilungswinkel φ der beiden bugseitigen Tragflächen T1,T2 ist positiv, während die beiden heckseitigen Tragflächen T3,T4 bezüglich der Querachse y des Flugzeugs 1 einen negativen Pfeilungswinkel φ' aufweisen.
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Die Tragflächen T1-T4 sind jeweils an beiden Enden mittels von Drehgelenken 22 mit horizontalen Drehachsen δ mit den Knotenkörper K1-K4 verbunden, sodass das von einem quadratischen Polygonring 20 gebildete Faltsystem 2 insgesamt acht Drehgelenke 22 und acht horizontale Drehachsen δ aufweist. Die steuer- und backbordseitigen Knotenkörper K3,K4 sind, wie in 3 und 5 gezeigt, jeweils als ein Winglet ausgebildet. Der quadratische Polygonring 20 wird in jeder Stellung des Faltsystems 2 durch einen als Röhre 100 ausgebildeten Rumpf 10 des Flugzeugs 1 ausgesteift. Der mit der Unterseite der Röhre 100 verbundene Knotenkörper K1 hat einen Verstellbereich V1 und weist in der maximal gefalteten Betriebsstellung des Faltsystems 2 den kürzesten Abstand zu dem Knotenkörper K2 auf. Wie in 3 gezeigt, wird der Knotenkörper K1 in der für den Flugbetrieb vorgesehenen Stellung an das vordere Ende des Verstellbereichs V1 verschoben, sodass die Knotenkörper K1,K2 einen maximalen Abstand zueinander haben.
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2 zeigt das Verkehrsflugzeug nach 1 in einer gefalteten Betriebsstellung des Polygonrings 20, bei dem die Knotenkörper K1-K4 und die Tragflächen T1-T4, wie in 1 gezeigt, mittels von acht Drehgelenken 22 mit acht horizontalen Drehachsen δ untereinander zu einem Faltsystem 2 verbunden sind. Die perspektivische Ansicht zeigt das Verkehrsflugzeug mit gefalteten Tragflächen T1-T4, mit zwei Triebwerken 11 als Prop-Fan-Triebwerke 110 mit Propellern 111 und mit einem Leitwerk 12 und einer Landevorrichtung 13, die von einem einziehbaren Fahrwerk 130, mit einem Hauptfahrwerk 131 und mit einem bugseitigem Stützfahrwerk 132 gebildet wird. Nach der Landung werden die Tragflächen T1-T4 zusammengefaltet, indem der bugseitige Knotenkörper K1 auf der von einer Schiene 101 gebildeten Translationsachse β des Faltsystems 2 in Richtung des starr mit dem Leitwerk 12 verbundenen heckseitigen Knotenkörpers K2 verschoben wird. Das Verkehrsflugzeug hat deshalb einen geringeren Platzbedarf in der endgültigen Standposition am Terminal und auch im Rangierbetrieb.
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3 zeigt das Verkehrsflugzeug nach 1 und 2 im Flugbetrieb mit entfalteten Tragflächen T1-T4, die jeweils ein überschalltaugliches, asymmetrisches Flügelprofil 23 mit einer von einem Vorflügel 24 gebildeten beweglichen Nase n und eine verstellbare Flügelhinterkante e mit einer Flächenklappe 25 aufweisen. Die Profilsehne p verbindet die Flügelnase n mit der Flügelhinterkante e und weist mindestens an der rumpfseitigen Flügelwurzel einen Anstellwinkel α kleiner gleich 6 Grad auf. Im Flugbetrieb sind die Knotenkörper K1,K2 jeweils fest mit dem Rumpf 10 verbunden, sodass der Polygonring 20 zusammen mit dem Rumpf 10 ein biege-, schub- und torsionssteifes Flugwerk bildet.
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4 zeigt das Verkehrsflugzeug nach 1-3 in einer bugseitigen Ansicht mit entfalteten Tragflächen T1-T4. Die Tragflächen T1,T2 sind mit dem bugseitigen Knotenkörper K1 verbunden und weisen gegenüber den mit dem heckseitigen Knotenkörper K2 verbundenen Tragflächen T3,T4 einen vertikalen Abstand h auf, wobei die steuerbordseitigen Tragflächen T1,T3 und die backbordseitigen Tragflächen T2,T4 bezüglich der Hochachse z des Flugzeugs 1 jeweils parallel zueinander angeordnet und mittels der als Winglets ausgebildeten Knotenkörper K3,K4 untereinander verbunden sind.
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5 zeigt das Flugzeug nach 1-4 in einer backbordseitigen Ansicht. Während die vordere Tragfläche T2 von dem Knotenkörper K1 zu dem Knotenkörper K4 eine ansteigende Linie beschreibt, fällt die hintere Tragfläche T4 von dem Knotenkörper K4 zu dem Knotenkörper K2 hin. An der Unterseite des als Röhre 100 ausgebildeten Rumpfs 10 sind der Verstellbereich V1 für den Knotenkörper K1 sowie die Landevorrichtung 13 mit eingezogenem Hauptfahrwerk 131 gekennzeichnet.
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6 zeigt exemplarisch ein Drehgelenk 22 des Faltsystems 2 für ein erfindungsgemäßes Flugzeug 1 in der für den Flugbetrieb entfalteten Stellung. Die Knotenkörper K1-Kn und die Tragflächen T1-Tn sind jeweils durch komplementäre Vor- und Rücksprünge verzahnt, die von der horizontalen Drehachse δ durchquert werden. Das Drehgelenk 22 ist mehrschnittig ausgebildet und hat nur einen für eine Drehbewegung erforderlichen Freiheitsgrad.
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7 zeigt das Drehgelenk 22 nach 6 in einer für den Fahr-und Standbetrieb eines erfindungsgemäßen Flugzeugs 1 vorgesehenen gefalteten Betriebsstellung. Koaxial und konzentrisch zu der horizontalen Drehachse δ angeordnete Wälzlager 220 mit von Rollen, Kugeln, oder Kegeln gebildeten Wälzkörpern zwischen den komplementären Vor- und Rücksprüngen der Knotenkörper K1-Kn und der Tragflächen T1-Tn stellen die Drehbarkeit des Drehgelenks 22 um die horizontale Drehachse δ auch dann sicher, wenn die Tragflächen T1-Tn im Flugbetrieb torsionsbeansprucht sind. Das Drehgelenk 22 kann in der für den Flugbetrieb vorgesehenen, entfalteten Stellung mittels einer nicht näher dargestellten Verriegelung arretiert werden.
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8 zeigt ein Flugzeug 1, das als ein fliegendes Auto ausgebildet ist und dessen Faltsystem 2 als ein quadratischer Polygonring 20 von vier Tragflächen T1-T4 und vier Knotenpunkten K1-K4 gebildet wird, in der für den Fahr- und Standbetrieb des fliegenden Autos vorgesehenen gefalteten Betriebsstellung. Die vordere rechte und linke Tragfläche T1,T2 weisen bezüglich der Querachse y des Flugzeugs 1 einen positiven Pfeilungswinkel φ auf, während die hintere rechte und linke Tragfläche T3,T4 bezüglich der Querachse y des Flugzeugs 1 einen negativen Pfeilungswinkel φ' aufweisen. Die Tragflächen T1-T4 sind mittels von acht Drehgelenken 22 jeweils mit einer horizontalen Drehachse δ mit den Knotenkörpern K1-K4 verbunden. Die Knotenkörper K3,K4 sind, wie in 10 und 13 gezeigt, jeweils als Winglet ausgebildet. Die Knotenkörper K1,K2 haben Verstellbereiche V1,V2, jeweils mit einer Translationsachse β für den Faltvorgang des Faltsystems 2, wobei der bugseitige Knotenkörper K1 mit der Unterseite des Rumpfs 10 verbunden ist, während der heckseitige Knotenkörper K2 über das Leitwerk 12 mit der Oberseite des Rumpfs 10 verbunden ist. Werden die Verstellbereiche V1,V2 der Knotenkörper K1,K2 maximal genutzt, können die Tragflächen T1-T4 des Faltsystems 2 von einer für den Flugbetrieb vorgesehenen entfalteten Stellung in eine für den Fahr- und Standbetrieb vorgesehene, maximal gefaltete Stellung transformiert werden. Das Flugauto wird im Flugbetrieb von einem mit dem Heck 103 verbundenen Propeller 111 angetrieben, wobei im Fahrbetrieb vier Räder 133 ein von einem Elektromotor angetriebenes Fahrwerk 130 bilden. Der quadratische Polygonring 20 ist durch den Rumpf 10 des Flugzeugs 1 ausgesteift.
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9 oben zeigt das als Flugauto ausgebildete Flugzeug 1 im Fahrbetrieb und bei der Vorbereitung des Flugbetriebs unten. Im Fahrbetrieb stehen die jeweils als Teleskopflügel 26 ausgebildeten Tragflächen T1-T4 senkrecht, wobei die Tragflächensegmente 260 der Teleskopflügel 26 derart ineinander geschoben sind, dass das Faltsystem 2 am Heck des Flugautos ein kompaktes Bündel bildet. Die vier Räder 133 des Flugautos weisen jeweils Autoreifen 134 auf und werden im Flugbetrieb als Landevorrichtung 13 genutzt. Für die Einleitung des Flugbetriebs werden jeweils zwei der Tragflächensegmente 260 eines Teleskopflügels 26 aus dem dritten Tragflächensegment 260 ausgefahren, sodass die Tragflächen T1-T4 ihre für den Flugbetrieb vorgesehene endgültige Länge erreichen.
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10 zeigt das Flugauto nach 8-9 mit entfalteten Tragflächen T1-T4 im Flugbetrieb. Der bugseitige Knotenkörper K1 befindet sich in der für den Flugbetrieb vorgesehenen entfalteten Stellung auf der in 8 dargestellten Translationsachse β in einer vorderen Position des Verstellbereichs VI, während der heckseitige Knotenkörper K2 eine hintere Position des Verstellbereichs V2 einnimmt. Für den Geradeausflug ist die Profilsehne p des asymmetrischen Flügelprofils 23 der Tragflächen T1-T4 parallel zur Längsachse x des Flugzeugs 1 ausgerichtet, wobei die Tragflächen T1-T4, wie in 12 gezeigt, mit einem vertikalen Abstand h bezüglich der Hochachse z parallel zueinander angeordnet sind. Die Tragflächensegmente 260 der Teleskopflügel 26 haben weder verstellbare Vorflügel an den Flügelnasen n noch verstellbare Flächenklappen an den Flügelhinterkanten e, da der Polygonring 20 im Flugbetrieb ein Leitwerk 12 bildet. Wie in 11 gezeigt, wird der Verstellbereich V1 des Knotenkörpers K1 dazu genutzt, die Anstellwinkel der vorderen Tragflächen T1,T2 und der hinteren Tragflächen T3,T4 jeweils gegenläufig zu ändern, sodass das Flugzeug 1 wahlweise vom Geradeausflug in den Sinkflug oder in den Steigflug übergehen kann.
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11 zeigt das Flugauto nach 8-10 in der steuerbordseitigen Seitenansicht mit den Tragflächen T1,T3 und den Knotenkörpern K1-K3. Der Verstellbereich V1 des Knotenkörpers K1 ermöglicht unterschiedliche Betriebsstellungen der Tragflächen T1-T4, sodass das Faltsystem 2 ein Leitwerk 12 bildet. In der für den Geradeausflug vorgesehenen Grundstellung weist die Profilsehne des Flügelprofils 23 der Tragflächen T1-T4 einen leichten Anstellwinkel gegenüber der Längsachse x auf. Wird der Knotenkörper K1 weiter nach vorne verschoben, geht das Flugauto in einen Steigflug über, wobei der Auftrieb an den vorderen Tragflächen T1,T2 vergrößert und an den hinteren Tragflächen T3,T4 jeweils verringert wird. Wird der Knotenkörper K1 aus der für den Geradeausflug vorgesehenen Grundstellung nach hinten verschoben, vergrößert sich der Auftrieb an den hinteren Tragflächen T3,T4 und verringert sich an den vorderen Tragflächen T1,T2, sodass das Flugauto einen Sinkflug beginnt.
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12 zeigt das Flugauto nach 8-11 in drei bugseitigen Ansichten mit unterschiedlichen Stellungen der Tragflächen T1-T4: 12 oben für den Geradeausflug, 12 Mitte für den Steigflug, und 12 unten für den Sinkflug. Die jeweils unterschiedliche Betriebsstellung der Tragflächen T1-T4 resultiert, wie in 11 gezeigt, aus einem jeweils unterschiedlichen Abstand des Knotenkörpers K1 zu dem Knotenkörpers K2 innerhalb des Verstellbereichs V1. Da sich die Anstellwinkel der vorderen Tragflächen T1,T2 und der hinteren Tragflächen T3,T4 im Flugbetrieb mit dem Abstand der Knotenkörper K1,K2 innerhalb des Verstellbereichs V1 jeweils gegensinnig ändern lässt, kann das als ein quadratischer Polygonring 20 ausgebildete Faltsystem 2 die Funktion eines Leitwerks 12 mit Querruder 120, Seitenruder 121 und Höhenruder 122 übernehmen. Die mit dem bugseitigen Knotenkörper K1 verbundenen Tragflächen T1,T2 und die mit dem heckseitigen Knotenkörper K2 verbundenen Tragflächen T3,T4 weisen in jeder Betriebsstellung einen vertikalen Abstand h zueinander auf und sind bezüglich der Hochachse z parallel zueinander ausgerichtet. Die Räder des Fahrwerks 130 sind im Flugbetrieb des Flugautos an den Rumpf 10 angelegt, um den Luftwiderstand zu verringern.
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13 oben zeigt ein Flugzeug 1, das im Fahrbetrieb als ein Bus am Straßenverkehr teilnehmen kann, bei dem das von einem quadratischen Polygonring 20 gebildete Faltsystem 2 zu einem kompakten Bündel am Heck 103 des Busses zusammengefaltet ist. 13 unten zeigt das Flugzeug 1 mit dem für den Flugbetrieb entfalteten Polygonring 20 der Faltstruktur 2. Wie in 9 dargestellt, werden für den Übergang vom Flug- in den Fahrbetrieb zunächst die parallel zu der Hochachse z ausgerichteten Tragflächensegmente 260 der Teleskopflügel 26 ausgefahren und bilden die Tragflächen T1-T4 in voller Länge. In einem zweiten Schritt werden dann beide Hälften eines zweiteilig ausgebildeten Knotenkörpers K1 auf den Schienen 101 an der Unterseite des Rumpfs 10 synchron in Richtung Bug 102 verschoben und in der vordersten Stellung des Verstellbereichs V1 fest mit dem Rumpf 10 verbunden, sodass die Tragflächen T1-T4 in einer für den Geradeausflug vorgesehenen Grundstellung des Faltsystems 2 einen Anstellwinkel α kleiner gleich 6 Grad aufweisen. Wie in 11 beschrieben, kann der Steig- oder der Sinkflug des Flugzeugs 1 dadurch eingeleitet werden, dass durch eine geringfügige Verschiebung des bugseitigen Knotenkörpers K1 innerhalb des Verstellbereichs V1 eine gegensinnige Änderung der Anstellwinkel α, jeweils an den steuerbordseitigen Tragflächen T1, T3 und an den backbordseitigen Tragflächen T2,T4 herbeigeführt wird. Ein in zwei Hälften geteilter Knotenkörper K1 ermöglicht die Verstellung der steuerbordseitigen Tragflächen T1,T3 und der backbordseitigen Tragflächen T2,T4 auf zwei getrennten Schienen 101 unabhängig voneinander, sodass die Tragflächen T1-T4 die Funktion eines Leitwerks 12 mit Querruder 120, Seitenruder 121 und Höhenruder 122 übernehmen können. Das Fahrwerk 130 besteht aus vier Rädern 133 und dient als Landevorrichtung 13, indem das Flugzeug 1 bei der Landung zuerst auf den heckseitigen Rädern 133 aufsetzt. Das Triebwerk 11 besteht aus zwei elektrisch betriebenen Fan-Triebwerken, die mit dem Leitwerk 12 am Heck verbunden sind. Der Polygonring 20 mit Teleskopflügeln 26 ermöglicht es, die Abmessungen eines Flugzeugs 1 an die Abmessungen eines Straßenbusses anzupassen, sodass das Flugzeug 1 unmittelbar nach der Landung als Bus weiterfahren kann.
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14 zeigt ein Überschallflugzeug mit einem Faltsystem 2, das von einem quadratischen Polygonring 20 mit vier Knotenkörpern K1-K4, vier gleich langen Tragflächen T1-T4 und acht Drehgelenken 22 jeweils mit horizontalen Drehachsen δ gebildet und von einem, den bugseitigen Knotenkörper K1 mit dem heckseitigen Knotenkörper K2 verbindenden Rumpf 10 in Form einer Röhre 100 ausgesteift wird. Der Polygonring 20 ist in der für den Überschallflug vorgesehenen entfalteten Betriebsstellung dargestellt, in der die Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 23 im Wesentlichen parallel zu der Längsachse x des Flugzeugs 1 ausgerichtet sind, wobei an den beiden vorderen Tragflächen T1-T2 und an den beiden hinteren Tragflächen T3,T4 ein in Richtung der als Winglets ausgebildeten Knotenkörper K3,K4 abnehmender Verwindungswinkel jeweils gegenüber der Längsachse x vorgesehen ist. Der heckseitige Knotenkörper K2 ist über das Leitwerk 12 starr mit dem Rumpf 10 verbunden, während der bugseitige Knotenkörper K1 einen Verstellbereich V1 mit einer Translationsachse β aufweist. Für den Überschallflug befindet sich der Knotenkörper K1 in einer hinteren Stellung des Verstellbereichs V1, sodass die Tragflächen T1-T4, wie in 15 gezeigt, eine V-förmige Stellung einnehmen und mit einem vertikalen Abstand h bezüglich der Hochachse z parallel zueinander angeordnet sind. Für den in 16 und 17 dargestellten Unterschallflug wird der Knotenkörper K1 in eine vordere Stellung des Verstellbereichs V1 verschoben. Zwei mit dem Heck 103 verbundene leistungsfähige Triebwerke 11 beschleunigen das Flugzeug auf eine Fluggeschwindigkeit größer als Mach 2.
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15 zeigt das Überschallflugzeug nach 14 in einer bugseitigen Ansicht im Überschallflugbetrieb. Der vertikale Abstand h zwischen den vorderen Tragflächen T1,T2 und den heckseitigen Tragflächen T3,T4 wird von den als Winglets ausgebildeten Knotenkörpern K3,K4 überbrückt.
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16 zeigt das Überschallflugzeug nach 14-15 mit einer voll entfalteten Stellung der Tragflächen T1-T4, bei welcher der Knotenkörper K1 in einer vordersten Stellung des Verstellbereichs V1 fest mit dem Rumpf 10 verbunden ist, wobei die vorderen Tragflächen T1,T2 jeweils einen Anstellwinkel α gegenüber der Längsachse x des Flugzeugs 1 aufweisen und die hinteren Hälften der hinteren Tragflächen T3,T4, als Flächenklappen 25 nach unten geklappt sind, sodass für den Flugbetrieb im Unterschallbereich alle vier Tragflächen T1-T4 mehr Auftrieb liefern als im Überschallflugbetrieb.
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17 zeigt das Überschallflugzeug nach 14-16 in einer bugseitigen Ansicht, wobei die Tragflächen T1-T4 für den Flugbetrieb im Unterschallbereich gegenüber der für den Überschallflug vorgesehenen Stellung weiter abgesenkt sind und nur eine leichte V-Form mit einem Winkel von 4,5 Grad gegenüber der Querachse y aufweisen. Durch die V-förmige Stellung der Tragflächen T1-T4 wird eine Totstellung des Faltsystems 2 vermieden, bei der die Tragflächen T1-T4 und die Knotenkörper K1-K4 in einer Ebene liegen. Mit der V-förmigen Stellung der Tragflächen T1-T4 ist es möglich, den Faltmechanismus des Polygonrings 20 ohne unangemessenen Kraftaufwand durch einfache Verschiebung des Knotenkörpers K1 aus seiner vordersten Stellung innerhalb des Verstellbereichs V1 einzuleiten, indem der Knotenkörper K1 auf der Translationsachse β auf den fest mit dem Heck 103 verbundenen Knotenkörper K2 zu bewegt wird, sodass, wie in 18 gezeigt, die Tragflächen T1-T4 in einer für den Fahr- und Standbetrieb des Überschallflugzeugs vorgesehenen Betriebsstellung eine platzsparende, aufrechte Stellung einnehmen.
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18 zeigt das Überschallflugzeug nach 14-17 in der für den Rangier- und Standbetrieb vorgesehenen, maximal gefalteten Betriebsstellung des von dem quadratischen Polygonring 20 gebildeten Faltsystems 2. Wegen einer durch das Hauptfahrwerk 131 bedingten Erweiterung des Rumpfs 10 können die Tragflächen T1-T4 nicht vollständig gefaltet werden, sodass sie in der für den Fahr- und Standbetrieb eine V-förmige Stellung bezüglich der Hochachse z einnehmen.
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19 zeigt ein Feld einer in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur 21 als ein in sich vollständiges Flugzeug 1 mit vier Tragflächen T1-T4, die jeweils an ihren Enden mit vier Drehgelenken 22 mit horizontalen Drehachsen δ an vier Knotenkörper K1-K4 mit Triebwerken 11 angelenkt sind. Die Knotenkörper K1-K4 sind jeweils als Rümpfe 10 mit vier Drehgelenken 22 für den Anschluss von weiteren Tragflächen T1-Tn ausgebildet und weisen eine zentrale Öffnung 104 mit einer Gelenkanordnung 105 für die kardanische Aufhängung eines Triebwerks 11 mit Propeller 111 auf.
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20 zeigt ein Faltsystem 2 mit einer Netzstruktur 21, die von neun Feldern entsprechend dem in 19 beschriebenen Ausführungsbeispiel gebildet wird, in einer für den Flugbetrieb entfalteten Stellung, bei der die Knotenkörper K1-Kn und die Tragflächen T1-Tn in einer Ebene liegen. Bei Start und Landung rotieren die Propeller 111 horizontal in den kreisförmigen Öffnungen 104 der Knotenkörper K1-Kn. Durch eine unterschiedliche Drehzahl an jedem zweiten Triebwerk 11 kann das Faltsystem 2 bereits im Flugbetrieb gefaltet werden, indem sich die Knotenkörper K1-Kn innerhalb der Netzstruktur 21 als Hoch- und Tiefpunkte organisieren.
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21 zeigt den Ausschnitt einer Netzstruktur 21 für ein hybrides Flugzeug 1, bei dem die Tragflächen T1-Tn pneumatisch gestützte Auftriebszellen 27 aufweisen, die mit einem Gas leichter als Luft gefüllt sind und jeweils zwei benachbarte Knotenkörper K1-Kn miteinander verbinden. Die Drehgelenke 22 werden bei diesem Ausführungsbeispiel von einem textilen Band gebildet, das mit den Knotenkörpern K1-Kn und mit den Tragflächen T1-Tn verbunden ist. Die Tragflächen T1-Tn können mit PV-Zellen bestückt werden, sodass das hybride Flugzeug 1 lange in der Luft bleiben kann.
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22 zeigt einen Knotenkörper K1-Kn des hybriden Flugzeugs 1 nach 21 im Detail, bei dem das Triebwerk 11 innerhalb der kreisförmigen Öffnung 104 des als Rumpf 10 ausgebildeten Knotenkörpers. K1-Kn gegenüber der in 21 gezeigten Stellung für Start und Landung für den Geradeausflug um 90 Grad gedreht ist, sodass der Propellerschub in Richtung der Längsachse x des hybriden Flugzeugs 1 gerichtet ist. Die Tragflächen T1-Tn sind pneumatisch gestützt und weisen mindestens eine, die Knotenkörper K1-Kn verbindende Auftriebszelle 27 auf, die mit einem Gas leichter als Luft gefüllt ist. Die in zwei Richtungen erweiterbare Netzstruktur 21 kann zu einem Flugzeug mit einer großen Oberfläche erweitert werden, das für den Geradeausflug mit Hilfe der Triebwerke 11 in einer horizontalen Betriebsstellung gehalten werden und dynamische Belastungen durch Faltbewegungen des Faltsystems 2 aufnehmen und deshalb sehr leicht ausgebildet werden kann.
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23 zeigt ein Flugzeug 1 mit einem Faltsystem 2, das eine von 16 Feldern gebildete Netzstruktur 21 aufweist. Die Knotenkörper K1-Kn sind jeweils als Rümpfe 10 ausgebildet und weisen vier Drehgelenke 22 für den Anschluss der Tragflächen T1-Tn auf. Die kreisförmigen Öffnungen 104 der Rümpfe 10 haben wie in 24 gezeigt ein Kalottenlager 106 für Drohnen 14 mit einem kugelförmigen Behälter 140, sodass die Drohnen 14 das Flugzeug 1 als einen Drohnenträger nutzen, mit dem sie nur temporär verbunden sind.
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24 zeigt das Flugzeug 1 mit einer Netzstruktur 21 nach 23 im Standbetrieb vor dem Start. Ein Schwarm von Drohnen 14 befindet sich im Anflug und vereinigt sich mit der Netzstruktur 21 des Flugzeugs 1. Die einzelnen Drohnen 14 des Drohnenschwarms weisen jeweils einen kugelförmigen Behälter 140 auf, der zusammen mit den von den Knotenkörpern K1-Kn gebildeten Rümpfen 10 des Flugzeugs 1 eine Einheit für den Flugbetrieb bildet. Dabei ist der Behälter 140 einer Drohne 14 drehbar in dem Kalottenlager 106 des Rumpfs 10 gelagert und kann, wie in 26 gezeigt, für den Geradeausflugs des Flugzeugs um bis zu 90 Grad gedreht werden.
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25 zeigt das Flugzeug 1, das mit einem Schwarm von 25 Drohnen eine temporäre Verbindung eingegangen ist in einer perspektivischen Ansicht der Startphase, wobei jeweils vier Propeller 111 der Drohnen 14 horizontal ausgerichtet sind, sodass das Flugzeug 1 senkrecht starten und landen kann.
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26 zeigt das Flugzeug 1, das mit einem Schwarm von 25 Drohnen eine temporäre Verbindung eingegangen ist, in einer perspektivischen Ansicht des Flugbetriebs. Dabei erzeugen die jeweils vier Propeller 111 einer Drohne 14 Schub in die durch die Längsachse x gekennzeichnete Flugrichtung, sodass der Drohnenschwarm das Flugzeug 1 nutzen kann, um energiesparend größere Distanzen zurücklegen zu können, indem der aerodynamische Auftrieb der Tragflächen T1-Tn genutzt wird. Am Zielort des Flugzeugs 1 können sich die einzelnen Drohnen 14, wie in 24 gezeigt, von dem Flugzeug wieder lösen und z.B. Postsendungen an individuelle Adressen ausliefern. Die in zwei Richtungen erweiterbare Netzstruktur 21 des Flugzeugs 1 ermöglicht es, beliebig viele Drohnen 14 auf diese Weise für einen Auslieferungsservice einzusetzen.
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27 zeigt das Flugzeug nach 23-26 in der gefalteten Betriebsstellung der Netzstruktur 21 ohne Drohnen 14, bei der die Tragflächen T1-Tn parallel zu der Hochachse z des Flugzeugs 1 ausgerichtet sind und die Knotenkörper K1-Kn abwechselnd auf Hoch- und Tiefpunkten des Faltsystems 2 liegen. Die Tragflächen T1-Tn weisen jeweils Flächenklappen 25 auf und verbreitern sich zu den Knotenkörpern K1-Kn hin, sodass die Länge der horizontalen Drehachse δ an dem Drehgelenk 22 vergrößert wird. Das gefaltete Flugzeug 1 kann platzsparend verstaut werden, während sich die in 26 dargestellten Drohnen 14 z.B. an einer Ladestation befinden.
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28 zeigt den Ausschnitt eines Feuerlöschflugzeugs in einer für den Flugbetrieb entfalteten Stellung der in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur 21, bei dem die als Rümpfe 10 ausgebildeten Knotenkörper K1-Kn jeweils einen Schwimmkörper zur Aufnahme von Löschwasser aufweisen und an ihrer Oberseite mit einem Triebwerk 11 mit jeweils einem Saug- und einem Druckpropeller 111 verbunden sind. Die in Flugrichtung vorderen Tragflächen haben einen positiven Pfeilungswinkel φ, während die in Flugrichtung hinteren Tragflächen einen negativen Pfeilungswinkel φ' aufweisen. Da die als Schwimmkörper ausgebildeten Knotenkörper K1-Kn in Flugrichtung länglich ausgebildet sind, weist die Netzstruktur 21 im Grundriss sechseckige Felder auf.
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29 zeigt den Ausschnitt der in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur 21 für ein Feuerlöschflugzeug nach 28 in der für den Flugbetrieb entfalteten Stellung. Durch Betätigung der Flächenklappen 25 und nicht dargestellter Vorflügel an den Tragflächen T1-Tn kann das Feuerlöschflugzeug bei Start und Landung und im Flugbetrieb manövriert werden. Während des Flugbetriebs können aerodynamische Beanspruchungen des Flugwerks durch kontrollierte Faltbewegungen in den Drehgelenken 22 des Faltsystems 2 aufgenommen werden, wobei sich die Netzstruktur 21 elastisch verformt.
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30 zeigt den Ausschnitt der in zwei Richtungen erweiterbaren Netzstruktur 21 für ein Feuerlöschflugzeug nach 28-29 in der für den Stand- und Fahrbetrieb gefalteten Betriebsstellung. Dabei sind die Tragflächen T1-Tn senkrecht zu der Hochachse des Flugzeugs 1 ausgerichtet. Die Knotenkörper K1-Kn weisen jeweils einen Schwimmkörper auf und sind als Hoch- und Tiefpunkte des Faltsystems 2 angeordnet. Jeder zweite Schwimmkörper hat ein von Rädern 133 gebildetes Fahrwerk 130.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flugzeug
- x
- Längsachse
- y
- Querachse
- z
- Hochachse
- 10
- Rumpf
- 100
- Röhre
- 101
- Schiene
- V1,V2
- Verstellbereich
- 102
- Bug
- 103
- Heck
- 104
- Öffnung
- 405
- Gelenkanordnung
- 406
- Kalottenlager
- 11
- Triebwerk
- 110
- Prop-Fan-Triebwerk
- 111
- Propeller
- 112
- Elektrisches Fantriebwerk
- 12
- Leitwerk
- 120
- Querruder
- 121
- Seitenruder
- 122
- Höhenruder
- 13
- Landevorrichtung
- 130
- Fahrwerk
- 131
- Hauptfahrwerk
- 132
- Stützfahrwerk
- 133
- Rad
- 134
- Autoreifen
- 14
- Drohne
- 140
- Behälter
- 2
- Faltsystem
- T1-Tn
- Tragfläche
- T1
- Vordere, rechte Tragfläche
- T2
- Vordere, linke Tragfläche
- T3
- Hintere, rechte Tragfläche
- T4
- Hintere, linke Tragfläche
- α
- Anstellwinkel
- φ, φ'
- Pfeilungswinkel
- h
- Vertikaler Abstand
- K1-Kn
- Knotenkörper
- K1
- Bugseitiger Knotenkörper
- K2
- Heckseitiger Knotenkörper
- K3
- Steuerbord-Knotenkörper
- K4
- Backbord-Knotenkörper
- β
- Translationsachse
- 20
- Polygonring
- 21
- Netzstruktur
- 22
- Drehgelenk
- 220
- Wälzlager
- 5
- Drehachse
- 23
- Flügelprofil
- n
- Flügelnase
- e
- Flügelhinterkante
- P
- Profilsehne
- 24
- Vorflügel
- 25
- Flächenklappe
- 26
- Teleskopflügel
- 260
- Tragflächensegment
- 27
- Auftriebszelle
