DE10241567A1

DE10241567A1 - Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft

Info

Publication number: DE10241567A1
Application number: DE2002141567
Authority: DE
Inventors: Christian Hoernicke
Original assignee: Hornicke Christian
Current assignee: Hornicke Christian
Priority date: 2002-09-07
Filing date: 2002-09-07
Publication date: 2004-03-18

Abstract

Der statische Auftrieb der mit einem Traggas (7) gefüllten komprimierbaren Traggaszelle kann durch eine mechanisch bewirkte Formänderung der Hülle (8) stufenlos, schnell und einfach in einem weiten Bereich verändert werden. Dazu wird die Hülle (8) mittels Seilen (4) und Seilwinden (6) verformt und damit das Volumen und in der Folge davon der statische Auftrieb der Traggaszelle verändert. Die konstruktiv bedingte Wölbung der verformten Hülle (9) zwischen den Befestigungspunkten (2) reduziert die Spannung in der Hülle und erlaubt so eine größere Komprimierung des Traggases. Die Traggaszelle eignet sich besonders als Auftriebs- und Trimmzelle für Luftschiffe und Ballone. Sie macht das Ablassen von Traggas und Ballast zur Auftriebsregulierung entbehrlich und steigert so die mögliche Einsatzdauer und Nutzlast und senkt die Betriebskosten. Die Traggaszelle kann beliebig geformt und zu mehreren zu einem Auftriebskörper kombiniert werden. Lasten (12) werden am Basisträger (5) oder an geeigneten Befestigungspunkten der Hülle befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft, die mit einem Traggas gefüllt ist und so in ihrer Form verändert werden kann, daß sich durch die daraus resultierende Volumenänderung die Dichte des eingeschlossenen Traggases und damit der Auftrieb der Traggaszelle ändert. Die komprimierbare Traggaszelle eignet sich für die stufenlose, schnelle und einfache Auftriebsregulierung von Luftschiffen und Gasballonen und erweitert deren Einsatzmöglichkeiten erheblich.

Bei Luftfahrzeugen nach dem Prinzip leichter als Luft muß zur Höhensteuerung der Auftrieb verändert werden können. Bei Gasballonen wird dazu der statische Auftrieb beim Aufstieg durch den Abwurf von Ballast und beim Abstieg durch das Ablassen des Traggases reguliert. Spezielle Langstreckenballone nutzen zur Auftriebsregulierung auch einen Ankerballon, der unter dem Ballonkorb hängt und durch die Füllung mit komprimierter Luft als Ballast dient. Bei Luftschiffen wird in einem weiten Einsatzbereich der lage- und fahrtabhängige dynamische Auftrieb zur Auftriebsregulierung genutzt. Bei längeren Missionen kann ein permanenter Masseverlust, wie er zum Beispiel durch den Verbrauch von Kraftstoff eintritt, nur durch eine Verminderung des statischen Auftriebs durch das Ablassen von Taggas oder durch die Gewinnung von Ballast aus der Atmosphäre oder vom Boden ausgeglichen werden.

Dabei ist das erforderliche Ablassen von Traggas und Ballast zum einen kostenträchtig und schränkt die Einsatzmöglichkeiten ein. Die Gewinnung von Ballast aus der Atmosphäre ist zum Beispiel bei der Kondensation der umgebenden Luft nur mit einem erheblichen technischen Aufwand möglich und beim Auffangen von Regenwasser nicht planbar. Die Aufnahme von Ballastwasser vom Boden ist nur bei langsamer Fahrt in geringer Höhe über Wasser realistisch. Dem einfachen Aufpumpen des Ankerballons mit komprimierter Luft als Ballast sowie dem komprimieren des Traggases in der Ballonhülle mittels luftgefüllter Ballonets sind durch die begrenzte Belastbarkeit des Ballonhüllengewebes sehr enge Grenzen gesetzt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit einem Traggas gefüllte Traggaszelle zu entwickeln, deren statischer Auftrieb durch Formänderung in einem weiten Bereich stufenlos, schnell und einfach verändert werden kann ohne die eingesetzten Materialien zu überlasten und ohne dazu die mitgeführte Traggas- oder Ballastmenge verändern zu müssen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß an Befestigungspunkten innen am gasdichten und dehnfesten Hüllengewebe der Traggaszelle Seile oder Umlenkrollen mit Seilen angebracht sind, wobei die Seile zu anderen Umlenkrollen, Befestigungspunkten oder Seilwinden innerhalb der Traggaszelle führen und durch diese Seilwinden durch auf- und abwickeln in der Länge variiert werden können und so das Volumen der Traggaszelle und damit deren statischen Auftrieb ändern.

Der Abstand der Befestigungspunkte untereinander am Hüllengewebe ist dabei so gewählt und die Seile verlaufen so, daß die Befestigungspunkte, die Seile, die Umlenkrollen, die Seilwinden, der Basisträger und das Hüllengewebe stets die Last sicher aufnehmen können, die durch den geplanten Innendruck der Traggaszelle auf die zwischen benachbarten Befestigungspunkten liegende Hüllenfläche wirkt.

Die Umlenkrollen, Befestigungspunkte und Seilwinden innerhalb der Traggaszelle sind an einem starren Basisträger befestigt.

Zur Verminderung der Anzahl der erforderlichen Seilwinden können mehrere Seile mit gleicher Belastung durch ein Seil ersetzt werden, das im Wechsel über die Umlenkrollen an den zugehörigen Befestigungspunkten der Hülle und am Basisträger hin zu einer Seilwinde geführt wird.

Zur Formerhaltung der Traggaszellenhülle können ausgewählte Befestigungspunkte auf dem Hüllengewebe untereinander durch starre Verbindungselemente verbunden werden. Dies können zum Beispiel Streben sein, die in separate Taschen der Hülle eingeschoben werden.

Äußere Lasten können entweder an geeigneten Befestigungspunkten der Hülle befestigt werden, die dann durch Seile mit separaten Seilwinden auf dem Basisträger verbunden sind, oder sie können direkt mit Seilen oder starren Befestigungselementen am Basisträger angebracht werden, wobei die Seile oder die starren Befestigungselemente dann durch gasdichte Gewebeschläuche durch die Hülle hin zum Basisträger geführt werden.

Der Basisträger kann gasdicht und druckfest konstruiert als Teil der Hülle ausgeführt sein und ermöglicht so die direkte Anbringung von äußeren Lasten.

Die in Form und Volumen veränderliche Traggaszelle kann mit einer Außenhülle versehen sein, die mindestens eine vollständig entformte Traggaszelle umschließt und unabhängig vom jeweiligen Volumen der Traggaszelle durch ein starres Traggerüst oder durch eine kontrollierte Luftbefüllung stets prall in der gewünschten Form gehalten wird.

Der statische Auftrieb der komprimierbaren Traggaszelle kann durch die mittels der Seile und Seilwinden mechanisch bewirkten Formänderung der Hülle stufenlos, schnell und einfach in einem weiten Bereich verändert werden.

Die Größe und Form der Traggaszelle kann je nach Bedarf gewählt werden. Besonders vorteilhaft sind wegen der Seilführung im Inneren jedoch rotationssymmetrische Formen wie Kugel, Ellipsoid und Zylinder. Auch lassen sich mehrere Traggaszellen zu einem Auftriebskörper kombinieren.

Bei einem Luftschiff kann durch eine gezielte asymmetrische Verformung der Traggaszelle oder durch die Verwendung mehrerer Traggaszellen die Lage des Gesamtauftriebsschwerpunktes gesteuert und damit zur Trimmung eingesetzt werden.

Die komprimierbare Traggaszelle macht bei entsprechender Auslegung durch die stufenlose Veränderbarkeit des statischen Auftriebs das bisher übliche Ablassen von Traggas und Ballast und die Gewinnung von Ballast zur Steuerung des statischen Auftriebs bei Manövern oder Gewichtsveränderungen entbehrlich. Dafür geht also kein Traggas verloren und der bisher erforderliche Ballast kann teilweise durch Nutzlast ersetzt werden. Dies senkt die Betriebskosten und erweitert die Einsatzdauer und das Einsatzprofil von Ballonen und Luftschiffen mit solchen Traggaszellen. Technisch wird deren Einsatzdauer lediglich durch die Menge der mitführbaren Energie zum Betrieb der Seilwinden und eventueller Fahrtmotoren und Nebenaggregate begrenzt. Die Nutzung von Solarenergie während der Fahrt durch geeignete Solarzellen und Energiespeicher macht sogar einen Langzeit- oder Dauerbetrieb als Forschungs- und Geräteplattform denkbar.

Durch die Verwendung einer luftbefüllten und dadurch formstabilen Außenhülle kann die in Form und Volumen veränderliche Traggaszelle bei Bedarf mit einem aerodynamisch günstigen Profil umhüllt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Zeichnung 1 den Aufbau der komprimierbaren Traggaszelle,
Zeichnung 2 die Funktionsweise der komprimierbaren Traggaszelle im Schnitt,
Zeichnung 3 die komprimierbare Traggaszelle als Auftriebskörper für einen Gasballon.
Die Traggaszelle nach Zeichnung 1 ist in diesem Beispiel kugelförmig und die Hülle (1) mit dem Edelgas Helium als Traggas (7) gefüllt. Über die Innenseite der Hülle (1) sind gleichmäßig Befestigungspunkte (2) mit Umlenkrollen (3) verteilt und befestigt. Im Inneren der Traggaszelle befindet sich der hier ebenfalls kugelförmige angenommene Basisträger (5) mit den daran befestigten Umlenkrollen (3) und Seilwinden (6). Gleich belastete Befestigungspunkte (2) werden hier zu Gruppen zusammengefaßt und durch jeweils ein Seil (4) verbunden, das jeweils im Wechsel über die Umlenkrollen (3) an der Hülle (1) und am Basisträger (5) hin zu einer Seilwinde (6) geführt wird und den Basisträger (5) in diesem Beispiel im Zentrum der Traggaszelle hält. Für die Hülle (1) wird ein möglichst leichtes, dehnfestes und gasdichtes Gewebe verwendet. Für die hochbeanspruchten Seile (4) werden leichte und hochfeste Materialien wie beispielsweise die Polyethylenfaser Dyneema eingesetzt.
Die Funktionsweise der hier kugelförmigen Traggaszelle ist in der Schnittzeichnung 2 dargestellt. Die obere Hälfte der Zeichnung 2 zeigt die Traggaszelle mit praller Hülle (8), die untere Hälfte mit verformter Hülle (9). Die Traggaszelle basiert auf dem Prinzip, daß durch eine gezielte Verformung der Hülle das Volumen des eingeschlossenen Traggases und proportional dazu der statische Auftrieb der Traggaszelle verändert wird. Die Hülle wird für die maximale Einsatzhöhe, auch Prallhöhe genannt, so dimensioniert, daß die Hülle dort prall ist und den maximalen Radius R1 einnimmt und der statische Auftrieb der Traggaszelle in der Prallhöhe mindestens das Eigengewicht der Traggaszelle und eventuelle Nutzlasten trägt. Soll das Volumen der Traggaszelle verringert werden, so wird der Abstand der Befestigungspunkte (2) zum Basisträger (5) gleichmäßig verringert, indem die im Wechsel über die Umlenkrollen geführten Seile (4) mittels der Seilwinden (6) koordiniert aufgerollt werden. Dabei verformt sich die Hülle (9) zunehmend und wölbt sich zwischen benachbarten Befestigungspunkten jeweils kugelförmig mit dem immer kleiner werdenden wirksamen Hüllenradius R2 aus.
Mit zunehmender Verformung der Hülle (9) verringert sich ihr Volumen, steigen der Druck und die Dichte des eingeschlossenen Traggases und verringert sich der wirksame Hüllenradius R2.
Kritisch sind die mit steigendem Innendruck zunehmende Oberflächenspannung der Hülle und die steigenden Seilkräfte. Die Oberflächenspannung der Hülle ist proportional zum Überdruck in der Hülle und zum wirksamen Hüllenradius. Die Seilkraft ist proportional zum Überdruck in der Hülle und zur ebenen Fläche zwischen den jeweils benachbarten Befestigungspunkten (2). Durch das Konstruktionsprinzip der Traggaszelle nimmt mit zunehmender Verformung der Hülle der Überdruck in der Hülle zu und der wirksame Hüllenradius R2 sowie die ebene Fläche zwischen benachbarten Befestigungspunkten nehmen ab. Diese gegenläufigen Effekte verlangsamen den Anstieg der Oberflächenspannung und der Seilkräfte und machen so das Hüllenmaterial und die Seile für einen größeren Überdruckbereich einsetzbar.
Die Traggaszelle in Zeichnung 3 dient als Auftriebskörper für einen Ballon. Die Gondel (12) ist mit dem Tragseil (10) direkt am Basisträger (5) befestigt. Das Tragseil (10) wird dazu durch den an Hülle (8) und Basisträger (5) gasdicht befestigten Gewebeschlauch (11) geführt, der durch den Überdruck in der Traggaszelle stets eng am Tragseil (10) anliegt und sich mit der Hüllenverformung darauf auf- und abrollt. In der Gondel (12) sind die Batterien (14) und die Steuerung (13) für die hier elektrisch betriebenen Seilwinden (6) untergebracht. Im oberen Hüllenbereich ist eine flexible Solarzelle (15) befestigt, die bei Sonneneinstrahlung die Seilwinden (6) versorgt und die Batterien (14) auflädt und so die mögliche Fahrtdauer des Ballons verlängert. Zum Ablassen des Traggases (7) beim Abrüsten und im Notfall ist im Scheitelpunkt der Hülle (8) ein Sicherheitsventil (16) angebracht.
Soll der Ballon sinken, so werden die Seile (4) mit den elektrisch angetriebenen Seilwinden (6) aufgewickelt, dadurch wird die Hülle (9) verformt, das Volumen der Traggaszelle verkleinert sich, die Traggasdichte steigt, der statische Auftrieb der Traggaszelle sinkt und damit sinkt auch der Ballon.
Soll der Ballon steigen, so werden die Seile (4) von den Seilwinden (6) abgewickelt, die Hülle (9) entformt sich durch den inneren Überdruck, das Volumen der Traggaszelle wird größer, die Traggasdichte sinkt, der statische Auftrieb der Traggaszelle steigt und damit steigt auch der Ballon.
Beim Start am Boden ist die Hülle also verformt, in der maximalen Fahrthöhe ist sie prall. Die rein mechanische Auftriebsregulierung durch die Verformung der Hülle ermöglicht schnelle Steuermanöver und schnelle Reaktionen auf äußere Störungen und damit eine exakte Höhensteuerung.

1.: Hülle
2.: Befestigungspunkt
3.: Umlenkrolle
4.: Seil
5.: Basisträger
6.: Seilwinde
7.: Traggas
8.: Hülle prall
9.: Hülle verformt
10.: Tragseil
11.: Gewebeschlauch
12.: Gondel
13.: Seilwindensteuerung
14.: Batterie
15.: Solarzelle
16.: Sicherheitsventil

Claims

Die Erfindung betrifft eine komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft, die mit einem Traggas gefüllt ist und so in ihrer Form verändert werden kann, daß sich durch die daraus resultierende Volumenänderung die Dichte des eingeschlossenen Traggases und damit der Auftrieb der Traggaszelle ändert, dadurch gekennzeichnet, daß an Befestigungspunkten innen am gasdichten und dehnfesten Hüllengewebe der Traggaszelle Seile oder Umlenkrollen mit Seilen angebracht sind, wobei die Seile zu anderen Umlenkrollen, Befestigungspunkten oder Seilwinden innerhalb der Traggaszelle führen und durch diese Seilwinden durch auf- und abwickeln in der Länge variiert werden können und so das Volumen der Traggaszelle und damit deren statischen Auftrieb ändern.
Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Befestigungspunkte untereinander am Hüllengewebe so gewählt ist und die Seile so verlaufen, daß die Befestigungspunkte, die Seile, die Umlenkrollen, die Seilwinden, der Basisträger und das Hüllengewebe stets die Last sicher aufnehmen können, die durch den geplanten Innendruck der Traggaszelle auf die zwischen benachbarten Befestigungspunkten liegende Hüllenfläche wirkt.
Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkrollen, Befestigungspunkte und Seilwinden innerhalb der Traggaszelle an einem starren Basisträger befestigt sind.
Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Anzahl der erforderlichen Seilwinden mehrere Seile mit gleicher Belastung durch ein im Wechsel über die Umlenkrollen an den zugehörigen Befestigungspunkten der Hülle und am Basisträger hin zu einer Seilwinde geführtes Seil ersetzt sind.
Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Formerhaltung der Traggaszellenhülle ausgewählte Befestigungspunkte auf dem Hüllengewebe untereinander durch starre Verbindungselemente verbunden sind.
Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß äußere Lasten an geeigneten Befestigungspunkten der Hülle befestigt sind, die durch Seile mit separaten Seilwinden auf dem Basisträger verbunden sind.
Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß äußere Lasten direkt mit Seilen oder starren Befestigungselementen am Basisträger angebracht sind, die durch gasdichte Gewebeschläuche durch die Hülle hin zum Basisträger geführt werden.
Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Basisträger gasdicht und druckfest konstruiert und als Teil der Hülle ausgeführt ist und so die direkte Anbringung von äußeren Lasten ermöglicht.
Komprimierbare Traggaszelle für Luftfahrzeuge nach dem Prinzip leichter als Luft nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die in Form und Volumen veränderliche Traggaszelle mit einer Außenhülle versehen ist, die mindestens eine vollständig entformte Traggaszelle umschließt und unabhängig vom jeweiligen Volumen der Traggaszelle durch eine kontrollierte Luftbefüllung stets prall in der gewünschten Form gehalten wird.