DE10252909A1

DE10252909A1 - Anordnung zum Blitzschutz membraner Strukturen von Luftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10252909A1
Application number: DE2002152909
Authority: DE
Inventors: Martin Eberle; John Anderson Dalton Plumer; Dieter Jäger; Stefan Kisser; Ralf Marcordes
Original assignee: Cargolifter AG
Current assignee: Cargolifter AG
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: DE10252909B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Blitzschutz nicht oder schwach leitender membraner Strukturen, insbesondere Hüllen von nicht starren oder halbstarren Luftschiffen und Ballonen. DOLLAR A Auf membranartigen Hüllen von Luftfahrzeugen mit einer hinreichend hochohmigen Membranfläche werden gitterförmig angeordnete Leiterstreifen aus einer Wärmeisolationsschicht, einer flachen, elektrisch gut leitfähigen Schicht und einer Schutzschicht gegen Witterungseinflüsse nach Art eines Faradayschen Käfigs ausgebildet. Der horizontale und vertikale Abstand der Leiterstreifen wird so gewählt, dass durch eine niederohmige Leiterstruktur eine Konzentration der elektrischen Feldlinien auf die Ableiter erreicht wird und somit in Folge der höheren elektrischen Feldstärke die elektrische Blitzentladung über die Leiterstreifen erfolgt. Durch die Leiterstreifen erfolgt eine Felddämpfung. Damit wird ein innerer Überschlag über das Traggas verhindert. Die Anordnung eignet sich für den Blitzschutz membraner Strukturen aller Art sowie z. B. für membranes oder textiles Bauen oder Hüllen von leichter als Luft(LTA)-Vehikeln. Die Blitzschutz-Leiterstreifen können auch bei nicht oder schwach leitenden Faserverbundstrukturen in industriellen oder luftfahrtspezifischen Anwendungen Einsatz finden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Blitzschutz nicht oder schwach leitender membraner Strukturen, insbesondere Hüllen von nicht starren oder halbstarren Luftschiffen und Ballonen.
In der Patentliteratur sind keine eigenständigen angepassten Lösungen zum Blitzschutz von Luftschiffen zu finden. In der Vergangenheit wurden größtenteils keine konstruktiven Maßnahmen zum Blitzschutz getroffen, da Luftschiffe auf aktuelle Wetterinformationen angewiesen sind und damit Gewitterfronten gemieden werden konnten.
Bei einigen Luftschiffen waren Blitzschutzanordnungen mit auf Abstandhaltern angeordneten Leitern eingesetzt. Diese Anordnungen sind aufwendig zu installieren und zu warten, weisen ein hohes Gewicht auf und verursachen einen erhöhten aerodynamischen Widerstand, insbesondere bei Eis- und Schneeablagerung.
Patentschriften zum Blitzschutz von Flugzeugen betreffen größtenteils die sichere Einbeziehung von elektrisch nicht leitenden Teilen in das Blitzschutzsystem.
Aus der US-PS 2,982,494 ist bekannt, zur Einbeziehung von Nichtleitern in das Blitzschutzsystem am Bug von Flugzeugen sternförmig Leiterstreifen anzuordnen. Bei Blitzeinschlag würde das Bugteil sonst durch Hitzeeinwirkung beschädigt.
In der DE-OS 24 13 654 ist eine Lösung vorgestellt, nach der Kunststoffteile von Luftfahrzeugen einen Überzug zum Schutz gegen schädliche äußere Einflüsse, insbesondere zum Schutz gegen Blitzeinschläge erhalten. Dabei ist vorgesehen, dass die Kunststoffteile des Luftfahrzeuges an der Außenoberfläche mit einer Metallschicht zur Wärmeableitung versehen sind. Über diese Metallschicht wird eine elektrisch isolierende Schicht und darüber eine Ionisationsschicht angebracht. Bei einem Blitzeinschlag wird die Einschlagstelle aufgrund der Ionisationsschicht sehr stark aufgeweitet. Somit nimmt die Stromdichte pro Flächeneinheit entsprechend stark ab.
Aus der DE-PS 31 25 308 ist ein elektrostatischer Schirm zum Schutz von Luftfahrzeugen bekannt. Ausgehend von einem, mit der elektrischen Masse eines Luftfahrzeuges leitend verbundenen elektrostatischen Schirm zum Schutz des metallischen Körpers des Luftfahrzeuges gegen Ansammlung elektrostatischer Ladungen und einer Oberflächenschutzfarbe auf dem Körper oder Körperteilen, besteht der Schirm aus mindestens einer Lage einer Widerstandsbeschichtung. Diese Widerstandsschicht liegt unter der Oberflächenschutzfarbe und weist einen spezifischen Widerstand zwischen 1 und 100 MOhm pro Einheitsquadrat auf.
Die DE-AS 1 756 487 beschreibt eine Schutzeinrichtung zum Vermeiden von Blitzeinschlag und dadurch hervorgerufene Beschädigungen an Teilen von aeronautischen Fahrzeugen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Auf das zu schützende Fahrzeugteil ist ein Belag aus temperaturbeständigem, elektrisch isolierendem Material mit hoher physikalischer Festigkeit zumindest im Bereich der Kante zur Verhütung von Durchschlägen und Hitzebeschädigungen durch Blitzschlag angebracht, über den der metallische Leiter gelegt ist. Dieser Leiter ist ebenfalls als Belag zur Verteilung der elektrischen Ladung ausgebildet. Der temperaturbeständige Belag ragt nicht über den metallischen Leiter hinaus und verhindert damit nicht Überschläge an den Rändern der Leiter.
Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine verbesserte Anordnung zum Blitzschutz nicht oder schwach leitenden membranen Strukturen aller Art, insbesondere Hüllen von unstarren/halbstarren Luftschiffen und Ballonen vorzuschlagen.
Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Anspruches 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das Problem wird gelöst durch eine Anordnung, die leicht zu installieren ist, nur einen minimalen aerodynamischen Widerstand aufweist und einen sicheren Schutz der Struktur vor Zerstörungen durch Blitzeinschläge ermöglicht.
Die Lösung umfasst bei einer Anordnung zum Blitzschutz membraner Strukturen, insbesondere Hüllen von Luftfahrzeugen leichter als Luft auf der hinreichend hochohmigen Membranfläche gitterförmig angeordnete elektrisch leitende Streifen aus einer Wärmeisolationsschicht, einer flachen, elektrisch gut leitfähigen Schicht und einer Schutzschicht gegen Witterungseinflüsse einen Faradayschen Käfig bilden.
In Ausgestaltung der Erfindung wird der horizontale und vertikale Abstand der Leiterstreifen so gewählt, dass durch eine niederohmige Leiterstruktur eine Konzentration der elektrischen Feldlinien auf die Ableiter erreicht wird und somit in Folge der höheren elektrischen Feldstärke die elektrische Blitzentladung über die Leiterstreifen erfolgt. Durch die Leiterstreifen erfolgt eine Felddämpfung. Damit wird ein innerer Überschlag über das Traggas verhindert.
Erfindungsgemäß ist die Wärmeisolationsschicht breiter ist als die elektrisch gut leitende Schicht, wobei die elektrisch gut leitfähige Schicht ein flacher, flexibler Leiter, der ein Drahtgewebe, Geflecht oder eine dehnungsfähige Metallfolie sein kann.
Es ist zweckmäßig, dass die Wärmeisolationsschicht an der Unterseite eine Klebeschicht aufweist. Zwei Leiterstreifen können mittels gut leitfähiger Verbindungslasche elektrisch überbrückt werden.
Nach der Erfindung sind Kreuzungen von horizontalen und vertikalen Leiterstreifen durch Kreuzungspunkte elektrisch verbunden und zur Membranfläche wärmeisoliert.
Es ist vorteilhaft, wenn der Kreuzungspunkt ein vorgefertigtes Teil ist und aus einer Wärmeisolationsfläche und einem flachen Leiterkreuz besteht.
Die Leiterstreifen, Kreuzungspunkte sowie Verbindungslaschen können mit der Membranfläche und miteinander geklebt, geschweißt oder selbstklebend verbunden werden.
Es ist zweckmäßig, dass die Leiterstreifen, Kreuzungspunkte sowie Verbindungs-laschen in ihrer Steifigkeit auf die zu schützende Membranfläche abgestimmt sind.
Die Erfindung, ihre Problemstellung, Zwecke und Vorteile werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Luftschiff mit erfindungsgemäßer Anordnung auf der Hülle;
2a einen erfindungsgemäßen Blitzschutz-Leiterstreifen (Draufsicht);
2b einen schematischen Aufbau eines Blitzschutz-Leiterstreifens im Querschnitt;
3 einen Kreuzungspunkt einer Blitzschutzanordnung.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Blitzschutz nicht oder schwach leitender membraner Strukturen ist besonders geeignet für Hüllen von nicht starren oder halbstarren Luftschiffen und Ballonen. Nachfolgend wird die Erfindung am Bespiel einer Hülle eines halbstarren Luftschiffes erläutert.
Die 1 zeigt die Anordnung des Blitzschutzsystems als gitterförmig angeordnete dunkle Streifen auf der Hülle, der Membranfläche 1 eines Luftschiffes. Die Leiterstreifen 2 bilden mehrfache, durchgehende Verbindungen in Längsrichtung oder horizontaler und in um die Hülle umlaufender oder vertikaler Richtung auf der Membranfläche 1. An Kreuzungspunkten 6 sind jeweils horizontale und vertikale Leiterstreifen 2 elektrisch miteinander verbunden. Die Anordnung der Leiterstreifen 2 bildet einen Faradayschen Käfig.
Der Abstand der Leiterstreifen 2 wird nach bekannten Verfahren aus der Fachliteratur, Berechnungen oder aus Versuchen ermittelt.
Grundsätzlich wird der horizontale und vertikale Abstand der Leiterstreifen 2 so gewählt, dass durch eine niederohmige Leiterstruktur eine Konzentration der elektrischen Feldlinien auf die Ableiter erreicht wird und somit in Folge der höheren elektrischen Feldstärke die elektrische Blitzentladung über die Leiterstreifen 2 erfolgt. Durch die Leiterstreifen 2 erfolgt eine Felddämpfung. Damit wird ein innerer Überschlag durch die Hülle und das Traggas verhindert.
Der in den 2a und 2b mit schematischem Aufbau dargestellte Leiterstreifen 2 kann auf der Unterseite der Wärmeisolationsschicht 3 mit einem Klebstoff beschichtet werden, so dass er als selbstklebendes Band direkt auf die zu schützende Struktur aufgebracht werden kann. Auf der hinreichend hochohmigen Membranfläche 1 sind eine Wärmeisolationsschicht 3, eine flache, elektrisch gut leitfähige Schicht 4 und eine Schutzschicht 5 gegen Witterungseinflüsse übereinander angeordnet. Die Wärmeisolationsschicht 3 ist breiter als die elektrisch gut leitende Schicht 4. Der Leiterstreifen 2 und damit auch die Wärmeisolationsschicht sind z.B. 20 cm und die mittig angeordnete elektrisch gut leitende Schicht 4 ist beispielsweise 10 cm breit.
Die elektrisch gut leitfähige Schicht 4 ist ein flacher, flexibler Leiter aus einem Drahtgewebe oder Drahtgeflecht oder eine dehnungsfähige Metallfolie. Damit wird eine Verteilung des Lichtbogens auf eine größere Oberfläche des Leiters bei einem Blitzeinschlag erreicht.
Die Wärmeisolationsschicht 3 kann an der Unterseite eine Klebschicht aufweisen und z.B. aus einem speziellen Gummi bestehen. Die Wärmeisolationsschicht 3 ermöglicht es, die zu schützende Struktur vor der ohmschen Erwärmung während der Ableitung des Blitzstromes und vor dem Lichtbogen am Rand des Leiterstreifens 2 zu schützen.
Die Schutzschicht 5 gegen Witterungseinflüsse wird auf die elektrisch gut leitfähige Schicht 4 und die Wärmeisolationsschicht 3, möglichst mit einem Übergang zur Membranfläche aufgetragen.
Zwei Leiterstreifen 2 können mittels einer gut leitfähigen Verbindungslasche elektrisch überbrückt werden, d.h. die beiden elektrisch gut leitfähigen Schichten 4 werden verbunden.
Kreuzungen von horizontalen und vertikalen Leiterstreifen 2 können durch Kreuzungspunkte 6 elektrisch verbunden werden. Der Kreuzungspunkt 6 kann ein nach 3 vorgefertigtes Teil aus einer durchgehenden Wärmeisolationsfläche 7 und einem flachen Leiterkreuz 8 bestehen.
Die Leiterstreifen 2, Kreuzungspunkte 6 sowie Verbindungslaschen können mit der Membranfläche 1 und miteinander geklebt, geschweißt oder selbstklebend verbunden werden. Um Spannungen zu vermeiden, können die Leiterstreifen 2, Kreuzungspunkte 6 sowie Verbindungslaschen in ihrer Steifigkeit auf die zu schützende Membranfläche 1 abgestimmt sein.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Blitzschutz membraner Strukturen weist eine Vielzahl von Vorteilen auf:

Der Leiterstreifen kann auf eine Membran oder jede andere Oberfläche geklebt, geschweißt, selbstklebend oder auf andere Weise angebracht werden.
Der Leiterstreifen schützt vor Penetration oder Beschädigung der darunter liegenden Oberfläche durch Blitzschlag durch seine Funktion als Blitzableiter.
Der Leiterstreifen führt den auftretenden Blitzstrom vom Blitzeintrittspunkt zum Blitzaustrittspunkt, ohne die darunter liegende Oberfläche zu beschädigen.
Der Leiterstreifen verhindert den Kontakt des Lichtbogens während eines Blitzschlages mit der Oberfläche der zu schützenden Struktur.
Der Leiterstreifen ist in seiner Steifigkeit auf die des darunter liegenden Materials angepasst, so dass es in seiner Befestigung zu keinen Eigenspannungen kommt und ein Ablösen verhindert wird.
Der flache Leiterstreifen verursacht einen minimalen aerodynamischen Widerstand und geringes Anhaften von Eis und Schnee.
Die erfindungsgemäße Anordnung erfordert einen geringen Aufwand und läßt sich sehr leicht installieren.
Durch die flache Bauweise wird ein unauffälliges Erscheinungsbild erzeugt, das die elegante Linie textiler Bauten nicht stört.

Die Erfindung eignet sich für den Blitzschutz membraner Strukturen aller Art, so z.B. für membranes/textiles Bauen oder Hüllen von leichter als Luft (LTA)-Vehikeln. Die Blitzschutz-Leiterstreifen können auch bei elektrisch nicht oder schwach leitenden Faserverbundstrukturen in industriellen oder luftfahrtspezifischen Anwendungen Einsatz finden.

Claims

Anordnung zum Blitzschutz membraner Strukturen, insbesondere Hüllen von Luftfahrzeugen mittels elektrisch leitfähiger Materialien, umfassend einen auf einer hinreichend hochohmigen Membranfläche (1) gitterförmig aufgebrachten Leiterstreifen (2) aus einer Wärmeisolationsschicht (3), einer flachen, elektrisch gut leitfähigen Schicht (4) und einer Schutzschicht (5) gegen Witterungseinflüsse, angeordnet nach Art eines Faraday'schen Käfigs.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen angepassten horizontalen und vertikalen Abstand der Leiterstreifen (2) und eine angepasste niederohmige Leiterstruktur zur Konzentration der elektrischen Feldlinien auf die Ableiter und der Ableitung der höheren elektrischen Feldstärke der elektrischen Blitzentladung über die Leiterstreifen (2).
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Leiterstreifen (2) mit einer so hinreichenden Felddämpfung gestaltet sind, dass ein innerer Überschlag des Blitzes durch das Traggas in der Membranstruktur verhindert wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolationsschicht (3) breiter ist als die elektrisch gut leitende Schicht (4).
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch gut leitfähige Schicht (4) ein flacher, flexibler Leiter ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch gut leitfähige Schicht (4) ein Drahtgewebe, Geflecht oder eine dehnungsfähige Metallfolie ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolationsschicht (3) an der Unterseite eine Klebschicht aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Leiterstreifen (2) mittels gut leitfähiger Verbindungslasche elektrisch überbrückbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kreuzungen von horizontalen und vertikalen Leiterstreifen (2) durch Kreuzungspunkte (6) elektrisch verbindbar sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreuzungspunkt (6) als ein vorgefertigtes Teil aus einer Wärmeisolationsfläche (7) und einem flachen Leiterkreuz (8) besteht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstreifen (2), die Kreuzungspunkte (6) sowie die Verbindungslaschen mit der Membranfläche (1) und miteinander klebbar, schweißbar oder selbstklebbar gestaltet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstreifen (2), die Kreuzungspunkte (6) sowie die Verbindungslaschen in ihrer Steifigkeit auf die zu schützende Membranfläche (1) abgestimmt sind.