DE102020002367A1

DE102020002367A1 - Luftwiderstands-Reduzierung mittels mikroturbulenzen-erzeugender Oberflächen auf Luftschiffen

Info

Publication number: DE102020002367A1
Application number: DE102020002367.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Sollen Luftschiffe hohe Geschwindigkeiten und Reichweiten realisieren, muss die Aerodynamik verbessert werden. Spezielle mikroturbulenzenerzeugende (mit oder ohne Photovoltaik versehende) Oberflächen mit Vertiefungen sind zur Reduktion des Luftwiderstandes zu schaffen, wofür Verfahren u. Mittel benötigt werden.Gegenstand der Erfindung ist es daher, Mikroturbulenzen auf der äußeren Oberfläche des Luftschiffes zur Verbesserung des Luftwiderstandes gemäß Abb. 1 zu schaffen: Setzt man auf der Außenseite (6) von Luftschiffen Module (z. B. Matten (5)) auf, die Photovoltaik-Elemente beinhalten können, so ließe sich der Luftwiderstand des Luftschiffs reduzieren, wenn die Oberfläche (4) der Module (5) raue, also keine glatten Strukturen aufweist. Kraterartige Vertiefungen (3) mit etwa 4,6 mm Durchmesser und ca. 0,2 mm Tiefe schaffen Mikroturbulenzen (2), die die Strömung laminar (1) halten. Alternativ lassen sich Oberflächen aufrauen, beispielsweise durch Prägen der Außenhaut oder mittels Strukturdruck auf ihr. Eine weitere Methode: Netze werden beidseitig mit Folien beklebt oder verschweißt, sodass die gewünschten Vertiefungen entstehen.Spezielle Oberflächen (u. a. auf Photovoltaik-Elementen) reduzieren den Luftwiderstand von Luftschiffen, sparen so Energie.

Description

Historie und Stand der Technik:
Jens H. M. Fransson, Alessandro Talamelli, Luca Brandt und Carlo Cossu stellten in der Zeitschrift „Physical Review Letters" im Band 96 im Artikel 064501 (erschienen am 17. Februar 2006) fest, dass die Verringerung der Hautreibung in der Natur wichtig sei: Diese Verringerung kann erreicht werden, indem Spannungen in turbulenten Grenzschichten verringert werden, beispielsweise mittels rauer Oberflächen. Ziel der Windkanal-Experimente war es, die Grenzschicht so lange wie möglich laminar zu halten, indem kleine optimale Störungen mit winzigen Zylindern als Rauheitselementen der Oberfläche erzwungen wurden. Die oben genannten Autoren verwendeten hierfür eine Platte mit 42 zylindrischen Rauheitselementen (Durchmesser = 4,2 mm und Höhe = 1,4 mm). Diese Mini-Zylinder lösten sehr kleine Luftwirbel aus, die eine geringe Viskositäts-Erhöhung der vorbeiströmenden Luft bewirkten und deren Strömung somit laminar hielten.
Vollkommen glatte Golfbälle und somit Kugeln erreichen einen Strömungswiderstandskoeffizient (Luftwiderstandsbeiwert) von cw=0,4. Dieser lässt sich durch sogenannte Dimples, die es seit über einem Jahrhundert gibt, stark auf bis zu cw=0,1 reduzieren. Ein aerodynamisch optimierter Golfball mit mindestens 1,68" bzw. 42,672 mm Durchmesser verfügt normalerweise über etwa 300 bis 450 solcher Dimples, wobei diese etwa 4,8 mm Abstand voneinander aufweisen und Vertiefungen von rund 7/1000 inches, also 0,178 mm darstellen.
Bereits im Oktober 1934 veröffentlichte die US-amerikanische Zeitschrift „Modern Mechanix“ auf dem Titelblatt und der S. 35 das Konzept eines Luftschiffs, das mittels auf dessen Oberseite montierter Photovoltaik-Systeme und in Gondeln befindlicher Elektromotoren angetrieben werden sollte.
Inzwischen ermöglicht die hohe Effizienz von Solaranlagen deren wirtschaftlichen Einsatz in Luftschiffen, die nachhaltigen Warentransport sicherstellen können oder als Kommunikations-Relais-Stationen fungieren.
Die Renaissance von Luftschiffen ist also eng damit verknüpft, in ihnen oder auf ihren großen Oberflächen Solarzellen einzusetzen, um elektrische Energie für den Antrieb sowie energetische Speicher bereitzustellen, um keine fossilen Energieträger zu verbrennen, was das Klima schützt und Ressourcen spart.
Motivation und Aufgabe:
Luftschiffe weichen generell nicht in große Flughöhen aus, weil sonst die Differenz zwischen dem sinkenden Außen- und konstanten Innendruck des Auftriebskörpers steigt, die Hülle dann reißen könnte oder beim Ablassen des Traggases viel davon verloren gehen würde. In niedrigen Flughöhen bleibt aber der Luftwiderstand hoch. Der Auftriebskörper weist außerdem eine große Querschnittsfläche auf; Luftschiffe stellen also Verdränger dar. Bei ihnen dominiert der Luftwiderstand bezüglich des Einflusses auf die Reichweite und Geschwindigkeit, weshalb sie für Aerodynamik-Verbesserungsmaßnahmen prädestiniert sind.
Luftschiffe müssen hohe Geschwindigkeiten erreichen, um im Flugverkehr zeitökonomisch Akzeptanz und somit Anwendung zu finden. Weil der Luftwiderstand aber proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit steigt, werden Maßnahmen erforderlich, um diesen stark zu reduzieren. Eine bessere Aerodynamik eines Luftschiffs vergrößert außerdem dessen Reichweite.
Formulierung einer der Erfindung zugrunde liegenden wichtigen Aufgabe:

Ziel ist es, spezielle Vertiefungen auf die mit oder ohne Photovoltaik versehende Oberfläche der Luftschiffe mittels verschiedener Methoden zu bilden, um Mikroturbulenzen zu erzeugen und so den Luftwiderstand stark zu reduzieren.

Gegenstand der Erfindung
Die skizziert das Prinzip: Setzt man auf der Außenseite (6) von Luftschiffen Module (z. B. Matten (5)) auf, die Photovoltaik-Elemente beinhalten können, so ließe sich der Luftwiderstand des Luftschiffs reduzieren, wenn die Oberfläche (4) der Module (5) raue, also keine glatten Strukturen aufweist. Kraterartige Vertiefungen (3) mit etwa 4,6 mm Durchmesser und ca. 0,2 mm Tiefe schaffen Mikroturbulenzen (2), die die Strömung laminar (1) halten.
Die schematische zeigt eine weitere Methode zur Bildung solcher Vertiefungen (3): Netze mit etwa 0,4 mm starken Fasern (5) und einer Maschenweite von ca. 4,6 mm werden beidseitig mit Folien (4) beklebt oder verschweißt, sodass die gewünschten Vertiefungen (3) von ca. 200 Mikrometer Tiefe entstehen. Bezüglich der in der schematisch dargestellten Querschnittsfläche erklärt die die Gitterstruktur mithilfe einer Draufsicht: Die unter einer Folie (1) liegenden Fasern (2) heben diese Folie (1) an, weswegen Vertiefungen (3) entstehen, um so die Oberfläche uneben zu gestalten und damit Mikroturbulenzen zu ermöglichen.
Alternativ lassen sich Oberflächen aufrauen, beispielsweise durch Prägen der Außenhaut.
Weil Vertiefungen von 0,2 mm genügen, um Mikroturbulenzen zu erzeugen, kann man mittels Strukturdruck diese Oberflächen ebenfalls schaffen.
Bezugszeichenliste
bezüglich der Erfindung „Luftwiderstands-Reduzierung mittels mikroturbulenzen-erzeugender Oberflächen auf Luftschiffen“, Schraffuren nach DIN ISO 128-50 (bis auf Folien) in den Darstellungen:

:

(1)

Laminare Strömung

(2)

Mikroturbulenzen

(3)

aufgebrachte oder geformte Vertiefungen (kraterartig)

(4)

Oberfläche (strukturiert)

(5)

Modul (Matte oder andres)

(6)

Luftschiff-Außenseite
: Querschnittsdarstellung (Netz zwischen Innen- oder Außen-Folien):

(1)

Laminare Strömung

(2)

Mikroturbulenzen

(3)

gebildete Vertiefungen (kraterartig) für strukturierte Oberfläche

(4)

Folie

(5)

Faser

(6)

Luftschiff-Innenseite
: Draufsicht auf eine Gitterstruktur anhand einer Masche (Detail):

(1)

Folie

(2)

unter Folie liegende Faser

(3)

gebildete Vertiefungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jens H. M. Fransson, Alessandro Talamelli, Luca Brandt und Carlo Cossu stellten in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ im Band 96 im Artikel 064501 (erschienen am 17. Februar 2006) [0001]

Claims

Geschützt wird die Luftwiderstands-Reduzierung mittels mikroturbulenzen-erzeugender Oberflächen auf Luftschiffen.
Geschützt werden außerdem alle technischen Anordnungen und Verfahren, die den oben genannten 1. Patentanspruch realisieren, beispielsweise verwirklicht mittels a) geprägter bzw. strukturierter Folien oder b) aufgetragener Farbe.
Weiterhin wird die folgende konkrete technische Realisierung des 1. Patentanspruches geschützt: Photovoltaik-Elemente mit rauer Oberflächenstruktur reduzieren den Luftwiderstand, indem kleine Vertiefungen auf den Photovoltaik-Modulen Mikroturbulenzen schaffen und so Strömungen laminar halten.
Außerdem wird zur Verwirklichung des 1. Patentanspruches eine weitere Methode zur Bildung von Vertiefungen geschützt: Netze mit etwa 0,4 mm starken Fasern und einer Maschenweite von ca. 4 bis 5 mm werden beidseitig mit Folien beklebt oder verschweißt, sodass die gewünschten mikroturbulenzen-erzeugenden Vertiefungen von rund 0,2 mm Tiefe entstehen.