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Die Erfindung bezieht sich auf einen Flügel, der klappbar bzw. verschwenkbar mit einem Körper verbunden ist.
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Bei einem unter der Bezeichnung „Daedalus“ benannten Weltraumprojekt werden Sonden aus einer Höhe von 80 km aus einer Rakete geschleudert, um sodann langsam und unbeschadet zur Erde zurückzukehren. Hierzu sind an den Sonden Flügel angebracht, die ausklappbar sind.
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Auch sind Flugkörper bekannt, die Klapppropeller aufweisen. Die Propellerblätter werden von einer ersten Position, in der die Propeller eingeklappt sind, in eine zweite Position verlagert, in dem sich die Propeller in einer ausgeklappten Position befinden (
DE 10 2015 121 744 A1 ).
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Bei den bekannten Flügeln oder Propellern sind gesonderte Verbindungsmittel zwischen den Flügeln und den Körpern selbst erforderlich. Somit sind gesonderte Montageschritte notwendig, die einerseits zu einer Kostenbelastung führen und andererseits das Risiko in sich bergen, dass Fehler auftreten. Üblicherweise gelangen zum Ausklappen metallische Federkomponenten zum Einsatz, die korrosionsanfällig sein können.
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Sofern eine Leichtbauweise gewünscht wird, also Flügel z.B. aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen sind, führen entsprechende metallische Komponenten zu einer Gewichtserhöhung, die nicht gewünscht wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flügel, der klappbar bzw. verschwenkbar mit einem Körper verbunden ist, derart auszubilden, dass eine einfache Montage ohne Beeinflussung des Klappmechanismus möglich ist. Auch soll eine Leichtbauweise gegeben sein.
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Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass der Flügel aus Faserverbundmaterial hergestellt ist oder dieses enthält und ein sich gegen den Körper abstützendes Federelement aufweist, das mit dem Flügel monolithisch ausgebildet ist.
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Abweichend vom Stand der Technik wird ein Flügel mit integralem Federelement vorgeschlagen, der in Leichtbauweise hergestellt ist. Da Federelement und Flügel ein einziges Bauteil sind, bedarf es nur noch eines Montageschritts, um den Flügel mit dem Körper zu verbinden. Da als Material ein Faserverbundwerkstoff zum Einsatz gelangt, ist eine weitgehende Korrosionsbeständigkeit sichergestellt. Durch die Verwendung des Faserverbundmaterials ist auch eine weitgehende Radartransparenz gegeben.
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Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass der Flügel aus zumindest aus einer Lage, vorzugsweise aus mehreren Lagen aus Faserverbundmaterial besteht und dass das Federelement in Form eines streifenförmigen Abschnitts von den oder zumindest einigen der Lagen ausgeht. Alternativ kann das Federelement ein eine streifenförmige Geometrie aufweisendes Element aus Faserverbundmaterial sein, das mit einer oder mehreren Lagen des Flügels verbunden ist, insbesondere durch Nähen.
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Das Federelement selbst sollte im Querschnitt eine kreis-, oval- oder rechteckförmige Geometrie aufweisen.
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In Abhängigkeit davon, ob der Flügel einen geringen Luftwiderstand bei der Bewegung des Körpers hervorrufen oder eine Autorotation des Körpers sicherstellen soll, ist vorgesehen, dass das Federelement entweder von einem der Längsränder des Flügels oder von einer Flachseite des Flügels abragt.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass dann, wenn das Federelement von einem Längsrand abragt, der Flügel in einer Ebene verschwenkt wird, in der die Längsachse des Körpers selbst verläuft.
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Ragt demgegenüber das Federelement von einer Flachseite ab, so sollte bei ausgeklapptem Flügel dieser eine Ebene aufspannen, die quer zur Längsachse verläuft. Bevorzugterweise schließt die von dem Flügel aufgespannte Ebene zur Längsachse des Körpers einen Winkel α mit 60° ≤ α ≤ 90° ein, vorzugsweise α = 90°, ein.
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Als Fasern für das Faserverbundmaterial kommen insbesondere Kohlenstofffasern in Frage, ohne dass hierdurch eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Vielmehr können übliche Verstärkungsfasern, wie anorganische Fasern, insbesondere oxidkeramische Fasern, Siliziumkarbidfasern und auch Glasfasern Verwendung finden.
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Bei dem Faserverbundmaterial handelt es sich insbesondere um einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK). Dabei sollte das Volumen der Kohlenstofffasern 50 % bis 70 %, insbesondere in etwa 60 % des Faserverbundmaterials betragen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Flügel mit dem integrierten Federelement im Tailored Fiber Placement-Verfahren hergestellt wird.
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Um die Federkraft des Federelementes einzustellen, kann dieses bereichsweise voneinander abweichende Querschnitte aufweisen. Insbesondere ist vorgesehen, dass ausgehend von dem Flügel der Querschnitt des Federelements zu seinem freien Ende hin zumindest abschnittsweise abnimmt.
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Der Flügel kann eine Dicke von 1 mm bis 3 mm und eine Breite zwischen 10 mm und 20 mm aufweisen. Die Länge kann zwischen 100 mm und 200 mm liegen. Diesbezügliche Zahlen schränken jedoch die Erfindung nicht ein.
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Zur Herstellung des Flügels können übliche Herstellungsverfahren zur Anwendung gelangen, die für Körper aus Faserverbundmaterial geeignet sind. So können vorimprägnierte Fasern (Prepregs, Towpregs, nassimprägniertes Fasermaterial) zur Formgebung heiß- oder kaltgepresst oder in druckbeaufschlagten Öfen gepresst werden. Auch ein isostatisches Pressen z. B. in Autoklaven oder im Vakuumofen ist möglich. Zu nennen sind auch RTM (Resin Transfer Moulding)-Verfahren mit trocknen Faserhalbzeugen und/oder Preforms in Tailored Fiber Placement-Verfahren.
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So kann z.B. mit Harz wie Epoxidharz vorimprägniertes Gewebe aus Kohlenstofffasern, sogenannte Prepregs, in eine Form abgelegt werden, um in einem druckbeaufschlagten Ofen eine Aushärtung durchzuführen. Dabei kann das Federelement durch einen streifenförmigen Abschnitt einer oder mehrere Prepregs oder vorimprägnierte Faserbündel (Rovings), also Towpregs gebildet werden, der bzw. die durch die Form einen Geometrieverlauf erfährt, der die gewünschte Federeigenschaft sicherstellt.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, vor Imprägnieren der Gewebefaserlagen Preforms, ein aus Faserverbundmaterial bestehendes streifenförmiges Element, wie Faserbündel, zu verbinden, insbesondere durch Nähen, wie dies beim Tailored Fiber Placement-Verfahren erfolgt, um sodann diese Einheit in die Form einzubringen und auszuhärten.
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Die Herstellung des Flügels mit dem integrierten Federelement kann jedoch auch im RTM-Verfahren erfolgen, bei dem keine vorimprägnierten Faserhalbzeuge, sondern trockene Faserhalbzeuge verwendet werden, die in eine Form eingebracht werden, um sodann Harz bei erhöhtem Druck in die die Halbzeuge aufnehmende Form zu injizieren. Ein Aushärten des Harzes erfolgt anschließend bei erhöhter Temperatur.
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Insbesondere gelangt Epoxidharz zur Anwendung.
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Auch zeichnet sich die Erfindung aus durch die Verwendung des Flügels für einen Flugkörper, wie Drohne, ein Modellflugzeug, einen Klapppropeller, herabfallende Messgeräte oder herabfallendes Gebinde, insbesondere Leitwerksträger zur Flugbahnstabilisierung.
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Herabfallendes Gebinde schließt Gepäckstücke ein, die z.B. von einer Drohne abgeworfen werden.
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Die Klappbarkeit der Flügel ist insbesondere für Flugkörper von Vorteil, die ihre Funktionsgröße erst nach Erreichen einer bestimmten Höhe erreichen sollen.
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Der Flügel selbst ist mit dem Körper drehgelenkig z.B. über einen Bolzen verbunden. Andere Verbindungsarten, um das Ausklappen des Flügels zu ermöglichen, sind gleichfalls möglich.
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Vor dem Ausklappen des bzw. der Flügel kann dieser bzw. können diese mechanisch arretiert werden. Auch besteht die Möglichkeit, den einen oder mehrere Flügel aufweisenden Körper im Bereich der Flügel von einer Hülse zu umgeben, so dass nach Verlassen der Hülse der bzw. die Flügel automatisch ausklappen.
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Dadurch, dass das insbesondere als Blattfeder ausgebildete Federelement integral mit dem Flügel ausgebildet und durch zunächst erfolgendes Ausrichten entlang des Körpers vorgespannt ist, kann dann der Flügel, wenn dieser frei beweglich ist, überaus schnell entfaltet werden. Die Feder wirkt als Druckfeder und stellt sicher, dass unverzüglich nach der Freigabe des Flügels dieser in die Position gelangt, um seine Funktion auszuüben, sei es zur Stabilisierung einer Flugbahn, sei es zur Erzielung einer Autorotation.
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Insbesondere kann der Flügel mittels einer Hülse zu dem Körper ausgerichtet werden, wobei nach Entfernen der Hülse die Federenergie „frei“ wird und somit der Flügel schnell in seine Wirkposition verschwenkt werden kann. Insbesondere ist der Flügel als Leitwerk gedacht, um den Körper, mit dem der Flügel verbunden ist, in seiner Flugbahn zu stabilisieren, also in Bewegungsrichtung zu halten.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Es zeigen:
- 1 einen Flügel mit von einem Längsrand ausgehendem Federelement,
- 2 einen Abschnitt eines Körpers mit Flügel, von dessen Flachseite ein Federelement abragt, und
- 3 einen Ausschnitt einer Drohne.
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Anhand der Fig. sollen rein prinzipiell erfindungsgemäße aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff hergestellte Flügel beschrieben werden, die mit einem Körper verbunden und zu diesem verschwenkbar sind, um mittels der Flügel z.B. eine Autorotation sicherzustellen oder beim Herabfallen einen großen Luftwiderstand aufzubauen.
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Hierzu ist vorgesehen, dass integraler Bestandteil des Flügels ein Federelement ist, das zusammen mit dem Flügel als monolithischer Körper ausgebildet ist. Dabei kann der Flügel mit dem Federelement im Tailored Fiber Placement-Verfahren hergestellt werden. Hierzu werden entsprechend zugeschnittene Verstärkungsfasern, wie aus Kohlenstofffasern (Faserhalbzeuge) bestehende Gewebeschichten in eine Form eingebracht, wobei von den Schichten ein stegförmiger Abschnitt abragt, der in der Form derart geometrisch geformt wird, dass die Federwirkung erzielbar ist, wobei insbesondere die Wirkung einer Blattfeder generiert werden soll. Die einzelnen Rovings, aus denen die Gewebe bestehen, können 1.000 bis 48.000 Filamente, also Verstärkungsfasern, wie Kohlenstofffasern, enthalten. Der Durchmesser entsprechender Filamente kann zwischen 5 und 8 µm liegen.
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Gelangen bevorzugterweise Kohlenstofffasern zum Einsatz, so wird hierdurch die Erfindung nicht eingeschränkt. Andere anorganische Fasern bzw. Glasfasern, insbesondere oxidkeramische Fasern, wie z. B. SiC-Fasern, können eingesetzt werden.
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Bzgl. des Harzes erfolgt gleichfalls eine Beschränkung auf Epoxidharz nicht. Auch andere bekannte Harzsysteme können eingesetzt werden, wenngleich Epoxidharz als bevorzugtes Harzsystem zu nennen ist.
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Werden bevorzugterweise vorimprägnierte Gewebehalbzeuge benutzt, die in eine Form eingebracht und in dieser ausgehärtet werden, so können jedoch auch trockene Faserhalbzeuge als Gewebelagen benutzt werden, um nach Einbringen einer Form und schließen dieser Harz zu injizieren und anschließend auszuhärten.
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Wird von mehreren Lagen gesprochen, so schließt die Erfindung selbstverständlich auch eine einlagige Ausbildung der Flügel ein. Insoweit sind Plural und Singular Synonyme.
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Zum Verlauf der Kohlenstofffasern bzw. Rovings ist anzumerken, dass diese kraftflussgerecht verlegt werden, d.h., dass dort, wo hohe Kräfte angreifen, die Faserdichte größer als in Bereichen ist, in denen geringe Kräfte einwirken.
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In 1 sind in Prinzipdarstellung Flügel 10, 11 dargestellt, die gelenkig mit einem Körper 13 verbunden und um Achsen verschwenkbar und somit klappbar sind. Die Flügel 10, 11 weisen insbesondere einen rechteckigen oder ellipsenartigen Querschnitt mit Längsrändern 14, 16 sowie Flachseiten auf, von denen eine Flachseite 18 der 1 zu entnehmen ist.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist der Flügel 11 - und entsprechend der Flügel 10 - um eine senkrecht die Flachseiten 18 durchsetzende Achse schwenk- oder klappbar. Um ein automatisches Verschwenken des Flügels 10, 11 zu ermöglichen, ragt von dessen Längsrand 14 ein Federelement 20 ab, das monolithisch mit dem Flügel 10, 11 ausgebildet ist und z.B. ein Abschnitt einer oder mehrerer oder sogar sämtlicher Lagen des Flügels 10, 11 ist. Auch kann das Federelement 20 durch ein Faserbündel gebildet werden, das mit den zur Herstellung des Flügels 10, 11 benutzten Prepregs oder Faserhalbzeugen, insbesondere durch Nähen, verbunden ist.
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Das Federelement 20 ist vorzugsweise als Blattfeder ausgebildet.
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In einer ersten Position ist der Flügel 10, 11 entlang des Körpers 13 ausgerichtet (siehe Flügel 10), wobei das Federelement 20 entgegen seiner Federkraft an den Körper angelegt und somit das Federelement gespannt wird. In dieser Position wird der Flügel 10, 11 z.B. durch mechanische Arretiermittel oder durch eine beabstandet den Körper umgebende Hülse fixiert. Nach Lösen der mechanischen Arretierung oder Entfernen der Hülse wird der Flügel 10 durch Entspannen der Feder 20 in eine zweite Position verschwenkt, wobei durch einen Anschlag die Bewegung begrenzt werden kann. Die Pfeile in 1 sollen den Weg andeuten, wie die Flügel 10, 11 durch die Federwirkungen verschwenkt werden können.
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Die Flügel 10, 11 können z. B. in Bezug auf die Längsachse des Körpers 13 in Positionen verschwenkt werden, die zu der Längsachse einen Winkel β von z. B. 90 oder 120° einschließen. Der Körper 13 selbst würde sich in der zeichnerischen Darstellung von rechts nach links bewegen. Somit wird das Ausklappen der Flügel 10, 11 zusätzlich durch die Flugbewegung unterstützt.
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Das Federelement 20 bewegt sich dabei in einer Ebene, die parallel zu den Flachseiten 18 verläuft bzw. von diesen aufgespannt ist.
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Die Flügel 10, 11 sind in Längsrichtung des Körpers 13 ausgerichtet. Da die Flügel 10, 11 um die senkrecht zur Längsachse 15 verlaufenden Achsen verschwenkbar sind, kann der Körper 13, der mit den Flügeln 10, 11 versehen ist, in seiner Flugbewegung eine gewünschte Stabilisierung erfahren.
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In 2 ist ein Flügel 100 dargestellt, der von einem Körper 102 ausgeht und z.B. mittels eines Bolzens gelenkig mit einem Abschnitt 104 des Körpers 102 verbunden ist. Dabei verläuft die Schwenkachse 106 parallel zu den von den Flachseiten 118, 128 des Flügels 100 aufgespannten Ebene.
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Des Weiteren geht von der Flachseite 118 ein Federelement 120 aus, das in der anliegenden Position des Flügels gegen den Körper 102 gedrückt ist, wodurch ein Spannen des Federelementes 120 erfolgt. Der Flügel 100 selbst ist in dieser Position in geeigneter Art fixiert, z.B. durch eine mechanische Arretierung oder durch eine Hülse, die den Körper 102 und den Flügel 100 umgibt.
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Wird der Flügel 100 freigegeben, d.h. die mechanische Arretierung oder sonstige Fixierung aufgehoben, wird der Flügel 100 über das Federelement 120 vom Körper 102 weggeklappt (Pfeil 122), wie durch die gestrichelte Darstellung in 2 rein prinzipiell verdeutlicht werden soll.
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Die Bewegung des Federelementes 120 erfolgt in einer Ebene, die senkrecht zu der Flachseite 118 verläuft bzw. von dieser aufgespannt ist.
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Die Schwenkbewegung kann durch einen Anschlag begrenzt werden. Bei einer diesbezüglichen Ausrichtung des Flügels 100 wird dann, wenn der Körper 102 z.B. von einer Drohe abgeworfen wird, ein Luftwiderstand aufgebaut, der sicherstellt, dass der Körper ohne Beschädigung auf einen Boden gelangt.
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Ist in den zeichnerischen Darstellungen ein einziger Flügel 100 dargestellt, der mit einem Körper verbunden ist, so gehen üblicherweise mehrere Flügel von einem Körper aus, die vorzugsweise äquidistant um dessen Umfang verteilt angeordnet sind.
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Aus der 3 ergibt sich ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäß ausgebildeten Flügel. So ist eine Drohne 202 dargestellt, die Rotorblätter 200, 210 aufweist, die als erfindungsgemäße Flügel ausgebildet sind. In der 3 sind die Flügel 200, 210, also Rotorblätter, in der Funktionsstellung in ausgezogenen Linien dargestellt. Um z.B. beim Transport einen kompakten Körper zur Verfügung zu stellen, können in der Transportstellung die Flügel 200 in Richtung deren Antriebe verschwenkt werden, wie durch die gestrichelte Darstellung verdeutlicht wird. Von den einzelnen Flügeln oder Rotorblättern 200, 210 gehen entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre integral Federelemente aus, die dadurch vorgespannt werden, dass diese in der heruntergeklappten Position durch das Anliegen an den Gehäusen der Antriebe gespannt werden. In dieser Position werden die Flügel 200 fixiert. Nach Entarretierung wirken die Federelemente derart, dass die Flügel in die Funktionsstellung herausgeklappt, also herausgeschwenkt werden, um die Drohne 202 zu nutzen (ausgezogene Darstellung).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015121744 A1 [0003]
